17章实践：设计一个节能方案（讲义）物理新教材沪科版九年级全一册

17章 实践：设计一个节能方案 课标要点 1. 物理观念 - 知道电流做功的实质与电能表参数的含义，会用 W=UIt=Pt 计算电能。 - 理解电功率的物理意义，掌握 P=W/t=UI，能区分额定功率与实际功率。 - 掌握焦耳定律 Q=I²Rt，能区分纯电阻电路（W=Q）与非纯电阻电路（W＞Q）。 2. 科学思维 - 从“1 kW·h 电能做什么”出发建立家庭“用电账本”模型：电能＝功率×时间，节能就是管住 P 与 t。 3. 科学探究与态度责任 - 经历“调查—核算—设计—路演”的完整节能方案设计过程，形成《个人低碳生活行为指南》，增强节能与社会责任意识。 学习重难点 重点：电能的测量与计算；电功率两个公式的适用；额定功率与实际功率；节能方案的定量核算。 难点：非纯电阻电路中 W＞Q 的理解；把“节能”量化为可计算的节电量与节费。 易错点：认为“额定功率大的灯一定更亮”（忽略实际电压）；串联“220 V 40 W”与“220 V 60 W”时认为40 W的灯更暗（实际上40 W的电阻大、分压多、实际功率大，更亮）；把千瓦时当成功率单位。 一、情境处理 1. 故事线： “地球一小时”活动倡导大家关上不必要的灯和耗电产品1小时（图17—11）。关灯时妈妈随口说：“关这一小时，能省几分钱？”你打开手机里的家庭电费账单：上月用电约200 kW·h，电费约110元。你决定用刚学完的“电流做功与电功率”知识算一算家里的“用电账”，并设计一份节能方案。 （图17—11　“地球一小时”宣传画） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）1 kW·h 电能做什么？→ 让“220 V 100 W”的灯正常发光10 h、让电动车行驶约6 km……电能是用电多少的“总账”。 （2）电费是怎么算出来的？→ 电能表累计 W，电费＝用电千瓦时数×单价；1 kW·h=3.6×10⁶ J。 （3）家里谁是“耗电大户”？→ 由 W=Pt 看：空调、电热水器功率大（P大），电冰箱时间长（t大），都要重点关注。 （4）“待机”也耗电吗？→ 待机功率虽小，但时间长（t大），日积月累相当可观。 （5）节能方案的抓手是什么？→ 由 W=Pt：要么减小 P（换LED、选高能效电器），要么减小 t（及时关闭、避免待机、合理设定空调温度）。 2. 家中主要用电器调研表（示例） 用电器 额定功率 日均使用时长 日耗电量估算 空调（1.5匹） 1 100 W 8 h（夏） 8.8 kW·h 电热水器 2 000 W 1.5 h 3.0 kW·h 电冰箱 约100 W（间歇工作） 24 h 约1.0 kW·h LED照明（全屋） 40 W 5 h 0.2 kW·h 电视机 100 W 4 h 0.4 kW·h 待机电器合计 约10 W 20 h 0.2 kW·h （估算表仅供参考，鼓励学生用自家电器铭牌和电能表实测。） 3. 课堂活动设计 环节一：账本核算（10分钟） - 按调研表算出月用电量与电费（按0.55元/kW·h），与自家电费账单对照，找误差原因。 环节二：节能测算（12分钟） - 三项改动分别算节电量：①白炽灯换LED；②消灭待机；③空调调高1℃。每项算出每月节电量（kW·h）与省下的电费（元）。 环节三：方案路演（10分钟） - 各组展示节能方案，必须包含“改动—节电量—省电费—其他效益”四要素，全班互评可行性与科学性。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：节能的物理内核＝W=Pt——减小功率 P、缩短时间 t；再进一步：换高效电器是减小“输入电能中变成废热的份额”（效率）。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 节能方案（电流做功与电功率） ├── 电能与电功 │ ├── 实质：电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程 │ ├── 计算：W=UIt=Pt；单位 焦耳（J），1 kW·h=3.6×10⁶ J │ └── 电能表：累计用电；“220 V 10(40) A”“3 000 r/(kW·h)”的含义；转数求电能 W=n/3 000 kW·h ├── 电功率 │ ├── 意义：表示电流做功快慢；P=W/t=UI；单位 瓦（W） │ ├── 额定电压、额定功率：用电器正常工作的条件；实际功率随实际电压变化 │ └── 纯电阻电路：P实=(U实/U额)²×P额；串联时电阻大的实际功率大 ├── 焦耳定律 │ ├── Q=I²Rt：电流通过导体产生的热量与电流平方、电阻、时间成正比 │ ├── 纯电阻电路：W=Q（电炉、电热水器） │ └── 非纯电阻电路：W＞Q（电动机、风扇），发热是能量损耗 └── 节能途径 ├── 减小P：LED替代白炽灯（同亮度功率降八成以上）、选一级能效电器 ├── 减小t：人走灯灭、避免待机、空调夏设26℃（每调高1℃节电约5%～10%） └── 减小损耗：冰箱远离热源、定期除霜；导线选电阻小的优质线 学生必须能说出的“三句话” 1.“电费单的本质是 W=Pt——功率×时间，节能就是管住这两个量。” 2.“换LED不是把灯调暗，而是同样的亮度用更小的功率：40 W白炽灯≈8 W LED。” 3.“待机、结霜、灰尘都是‘隐形的耗电’，它们都在悄悄增大你的 W。” 三、考题落点 落点1：电能与电能表 【考点】电能表读数与参数含义；转数求电能；单位换算。 1．小明家月初电能表的读数为2 836.5 kW·h，月末读数为3 036.5 kW·h。本月他家消耗电能＿＿＿＿kW·h；若电价为0.55元/(kW·h)，应付电费＿＿＿＿元。 2．小明家电能表上标有“3 000 r/(kW·h)”。只让某用电器工作，10 min内电能表转盘转了150转。该用电器消耗的电能是＿＿＿＿kW·h，合＿＿＿＿J；它的电功率是＿＿＿＿W。 落点2：电功率与额定功率、实际功率 【考点】P=UI、P=W/t；额定值是“出厂条件”，实际功率随实际电压变化。 3．把“220 V 60 W”和“220 V 40 W”的两盏灯串联接在220 V的电路中，两盏灯都比正常发光时暗，这是因为每盏灯的（　　） A．额定电压都变小　　B．额定电压都小于它的实际电压 C．额定功率都变小　　D．实际功率都小于额定功率 4．一只标有“220 V 100 W”的白炽灯，接在200 V的电路中（设灯丝电阻不变）。求： （1）灯丝的电阻；（2）灯的实际功率。（结果保留一位小数） 落点3：焦耳定律与电热 【考点】Q=I²Rt；串联电热比较；非纯电阻电路 W＞Q。 5．通电后电炉丝热得发红，而连接电炉丝的铜导线却不太热，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 6．一台电动机线圈电阻为0.5 Ω，接在220 V电路中正常工作，通过的电流为2 A，工作10 min。求： （1）电动机消耗的电能；（2）线圈产生的热量；（3）电动机输出的机械能。 落点4：节能定量核算（情境核心） 【考点】W=Pt 对比计算；节电量与电费核算；性价比（回收期）。 7．家中一盏“220 V 40 W”的白炽灯每天照明5 h。若换成亮度相当的“220 V 8 W”的LED灯，每月按30天计算： （1）两灯每月各消耗多少电能？ （2）每月可节约多少电能？若电价为0.55元/(kW·h)，每月节省电费多少元？ （3）若LED灯比白炽灯贵30元，约多少个月节省的电费可抵回差价？ 8．家中电视机待机功率为10 W，若每天待机20 h，一个月（按30天计）待机消耗电能＿＿＿＿kW·h，“白浪费”电费约＿＿＿＿元（电价0.55元/(kW·h)）。这说明了什么节能道理？ 落点5：电路综合（图像题，中考压轴风格） 【考点】滑动变阻器功率峰值条件 R₂=R₁；I=U/R；焦耳定律计算。 9．如图17—12（a）所示电路中，电源电压为6 V且恒定不变，R₁为定值电阻，滑动变阻器R₂的最大阻值为20 Ω。闭合开关，移动滑片P，变阻器的电功率P随其接入电路的阻值R变化的图像如图17—12（b）所示。求： （1）定值电阻R₁的阻值； （2）当滑片P移至最右端（R₂=20 Ω）时，电流表的示数； （3）此时连续通电10 s，电流通过R₁产生的热量。 落点6：开放简答（低碳指南） 【考点】用 W=Pt、P=W/t 论证节能措施。 10．为家庭拟定《个人低碳生活行为指南》，写出三条措施，其中至少一条要用 W=Pt 说明理由。 四、总结 1. 电能 W=Pt（=UIt），电费来自电能表累计的用电量，1 kW·h=3.6×10⁶ J。 2. 节能＝减小 P（LED、高能效电器）＋减小 t（及时关闭、防待机）＋减小损耗（Q=I²Rt 的废热）。 3. 电热的两面性：电热器靠它工作，电动机和导线要防它；非纯电阻电路中 W＞Q。 课后任务（二选一）： - A：完成《家庭节能方案》：含调研表、三项改动的节电核算与节费、拟定的《个人低碳生活行为指南》。 - B：查阅一种新型节能技术（变频空调、冷凝式热水器、光伏发电等），用 W=Pt 或效率观点分析其节能原理，写一篇200字小论文。 学科网（北京）股份有限公司 $ 17章 实践：设计一个节能方案 课标要点 1. 物理观念 - 知道电流做功的实质与电能表参数的含义，会用 W=UIt=Pt 计算电能。 - 理解电功率的物理意义，掌握 P=W/t=UI，能区分额定功率与实际功率。 - 掌握焦耳定律 Q=I²Rt，能区分纯电阻电路（W=Q）与非纯电阻电路（W＞Q）。 2. 科学思维 - 从“1 kW·h 电能做什么”出发建立家庭“用电账本”模型：电能＝功率×时间，节能就是管住 P 与 t。 3. 科学探究与态度责任 - 经历“调查—核算—设计—路演”的完整节能方案设计过程，形成《个人低碳生活行为指南》，增强节能与社会责任意识。 学习重难点 重点：电能的测量与计算；电功率两个公式的适用；额定功率与实际功率；节能方案的定量核算。 难点：非纯电阻电路中 W＞Q 的理解；把“节能”量化为可计算的节电量与节费。 易错点：认为“额定功率大的灯一定更亮”（忽略实际电压）；串联“220 V 40 W”与“220 V 60 W”时认为40 W的灯更暗（实际上40 W的电阻大、分压多、实际功率大，更亮）；把千瓦时当成功率单位。 一、情境处理 1. 故事线： “地球一小时”活动倡导大家关上不必要的灯和耗电产品1小时（图17—11）。关灯时妈妈随口说：“关这一小时，能省几分钱？”你打开手机里的家庭电费账单：上月用电约200 kW·h，电费约110元。你决定用刚学完的“电流做功与电功率”知识算一算家里的“用电账”，并设计一份节能方案。 （图17—11　“地球一小时”宣传画） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）1 kW·h 电能做什么？→ 让“220 V 100 W”的灯正常发光10 h、让电动车行驶约6 km……电能是用电多少的“总账”。 （2）电费是怎么算出来的？→ 电能表累计 W，电费＝用电千瓦时数×单价；1 kW·h=3.6×10⁶ J。 （3）家里谁是“耗电大户”？→ 由 W=Pt 看：空调、电热水器功率大（P大），电冰箱时间长（t大），都要重点关注。 （4）“待机”也耗电吗？→ 待机功率虽小，但时间长（t大），日积月累相当可观。 （5）节能方案的抓手是什么？→ 由 W=Pt：要么减小 P（换LED、选高能效电器），要么减小 t（及时关闭、避免待机、合理设定空调温度）。 2. 家中主要用电器调研表（示例） 用电器 额定功率 日均使用时长 日耗电量估算 空调（1.5匹） 1 100 W 8 h（夏） 8.8 kW·h 电热水器 2 000 W 1.5 h 3.0 kW·h 电冰箱 约100 W（间歇工作） 24 h 约1.0 kW·h LED照明（全屋） 40 W 5 h 0.2 kW·h 电视机 100 W 4 h 0.4 kW·h 待机电器合计 约10 W 20 h 0.2 kW·h （估算表仅供参考，鼓励学生用自家电器铭牌和电能表实测。） 3. 课堂活动设计 环节一：账本核算（10分钟） - 按调研表算出月用电量与电费（按0.55元/kW·h），与自家电费账单对照，找误差原因。 环节二：节能测算（12分钟） - 三项改动分别算节电量：①白炽灯换LED；②消灭待机；③空调调高1℃。每项算出每月节电量（kW·h）与省下的电费（元）。 环节三：方案路演（10分钟） - 各组展示节能方案，必须包含“改动—节电量—省电费—其他效益”四要素，全班互评可行性与科学性。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：节能的物理内核＝W=Pt——减小功率 P、缩短时间 t；再进一步：换高效电器是减小“输入电能中变成废热的份额”（效率）。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 节能方案（电流做功与电功率） ├── 电能与电功 │ ├── 实质：电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程 │ ├── 计算：W=UIt=Pt；单位 焦耳（J），1 kW·h=3.6×10⁶ J │ └── 电能表：累计用电；“220 V 10(40) A”“3 000 r/(kW·h)”的含义；转数求电能 W=n/3 000 kW·h ├── 电功率 │ ├── 意义：表示电流做功快慢；P=W/t=UI；单位 瓦（W） │ ├── 额定电压、额定功率：用电器正常工作的条件；实际功率随实际电压变化 │ └── 纯电阻电路：P实=(U实/U额)²×P额；串联时电阻大的实际功率大 ├── 焦耳定律 │ ├── Q=I²Rt：电流通过导体产生的热量与电流平方、电阻、时间成正比 │ ├── 纯电阻电路：W=Q（电炉、电热水器） │ └── 非纯电阻电路：W＞Q（电动机、风扇），发热是能量损耗 └── 节能途径 ├── 减小P：LED替代白炽灯（同亮度功率降八成以上）、选一级能效电器 ├── 减小t：人走灯灭、避免待机、空调夏设26℃（每调高1℃节电约5%～10%） └── 减小损耗：冰箱远离热源、定期除霜；导线选电阻小的优质线 学生必须能说出的“三句话” 1.“电费单的本质是 W=Pt——功率×时间，节能就是管住这两个量。” 2.“换LED不是把灯调暗，而是同样的亮度用更小的功率：40 W白炽灯≈8 W LED。” 3.“待机、结霜、灰尘都是‘隐形的耗电’，它们都在悄悄增大你的 W。” 三、考题落点 落点1：电能与电能表 【考点】电能表读数与参数含义；转数求电能；单位换算。 1．小明家月初电能表的读数为2 836.5 kW·h，月末读数为3 036.5 kW·h。本月他家消耗电能＿＿＿＿kW·h；若电价为0.55元/(kW·h)，应付电费＿＿＿＿元。 答案：200；110 【详解】W=3 036.5 kW·h−2 836.5 kW·h=200 kW·h；电费=200×0.55=110元。 2．小明家电能表上标有“3 000 r/(kW·h)”。只让某用电器工作，10 min内电能表转盘转了150转。该用电器消耗的电能是＿＿＿＿kW·h，合＿＿＿＿J；它的电功率是＿＿＿＿W。 答案：0.05；1.8×10⁵；300 【详解】W=150/3 000 kW·h=0.05 kW·h=0.05×3.6×10⁶ J=1.8×10⁵ J；P=W/t=1.8×10⁵ J/600 s=300 W。 落点2：电功率与额定功率、实际功率 【考点】P=UI、P=W/t；额定值是“出厂条件”，实际功率随实际电压变化。 3．把“220 V 60 W”和“220 V 40 W”的两盏灯串联接在220 V的电路中，两盏灯都比正常发光时暗，这是因为每盏灯的（　　） A．额定电压都变小　　B．额定电压都小于它的实际电压 C．额定功率都变小　　D．实际功率都小于额定功率 答案：D 【详解】额定电压、额定功率是用电器的固有属性，不随电路改变，A、C错误；串联分压后每盏灯的实际电压都低于220 V、实际功率都小于额定功率，故D正确、B错误。 4．一只标有“220 V 100 W”的白炽灯，接在200 V的电路中（设灯丝电阻不变）。求： （1）灯丝的电阻；（2）灯的实际功率。（结果保留一位小数） 答案：（1）484 Ω　（2）约82.6 W 【详解】（1）R=U额²/P额=(220 V)²/100 W=484 Ω。（2）P实=U实²/R=(200 V)²/484 Ω≈82.6 W，小于额定功率，灯变暗。 落点3：焦耳定律与电热 【考点】Q=I²Rt；串联电热比较；非纯电阻电路 W＞Q。 5．通电后电炉丝热得发红，而连接电炉丝的铜导线却不太热，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 答案：电炉丝与铜导线串联，通过它们的电流和通电时间相同，而电炉丝的电阻远大于铜导线的电阻，由 Q=I²Rt 可知，相同时间内电炉丝产生的热量远多于导线 【详解】抓住串联电路电流相等这一关键，热量差异全部由电阻差异造成。 6．一台电动机线圈电阻为0.5 Ω，接在220 V电路中正常工作，通过的电流为2 A，工作10 min。求： （1）电动机消耗的电能；（2）线圈产生的热量；（3）电动机输出的机械能。 答案：（1）2.64×10⁵ J　（2）1 200 J　（3）2.628×10⁵ J 【详解】（1）W=UIt=220 V×2 A×600 s=2.64×10⁵ J。（2）Q=I²Rt=(2 A)²×0.5 Ω×600 s=1 200 J。（3）电动机是非纯电阻用电器，W＞Q：W机=W−Q=2.64×10⁵ J−1 200 J=2.628×10⁵ J，绝大部分电能转化为机械能。 落点4：节能定量核算（情境核心） 【考点】W=Pt 对比计算；节电量与电费核算；性价比（回收期）。 7．家中一盏“220 V 40 W”的白炽灯每天照明5 h。若换成亮度相当的“220 V 8 W”的LED灯，每月按30天计算： （1）两灯每月各消耗多少电能？ （2）每月可节约多少电能？若电价为0.55元/(kW·h)，每月节省电费多少元？ （3）若LED灯比白炽灯贵30元，约多少个月节省的电费可抵回差价？ 答案：（1）白炽灯6 kW·h，LED灯1.2 kW·h　（2）4.8 kW·h；2.64元　（3）约12个月 【详解】（1）W1=Pt=0.04 kW×5 h×30=6 kW·h；W2=0.008 kW×5 h×30=1.2 kW·h。（2）节约ΔW=6−1.2=4.8 kW·h，节省4.8×0.55=2.64元。（3）30÷2.64≈11.4，约12个月。 8．家中电视机待机功率为10 W，若每天待机20 h，一个月（按30天计）待机消耗电能＿＿＿＿kW·h，“白浪费”电费约＿＿＿＿元（电价0.55元/(kW·h)）。这说明了什么节能道理？ 答案：6；3.3 【详解】W=Pt=0.01 kW×20 h×30=6 kW·h；电费=6×0.55=3.3元。说明待机功率虽小，但时间长，由 W=Pt 累积耗电不可忽视——电器不用时应彻底切断电源。 落点5：电路综合（图像题，中考压轴风格） 【考点】滑动变阻器功率峰值条件 R₂=R₁；I=U/R；焦耳定律计算。 9．如图17—12（a）所示电路中，电源电压为6 V且恒定不变，R₁为定值电阻，滑动变阻器R₂的最大阻值为20 Ω。闭合开关，移动滑片P，变阻器的电功率P随其接入电路的阻值R变化的图像如图17—12（b）所示。求： （1）定值电阻R₁的阻值； （2）当滑片P移至最右端（R₂=20 Ω）时，电流表的示数； （3）此时连续通电10 s，电流通过R₁产生的热量。 答案：（1）10 Ω　（2）0.2 A　（3）4 J 【详解】（1）由图像可知当R₂=10 Ω时变阻器功率最大为0.9 W。变阻器功率最大出现在R₂=R₁，且P最大=U²/(4R₁)，即0.9 W=(6 V)²/(4R₁)，解得R₁=10 Ω。（2）I=U/(R₁+R₂)=6 V/(10 Ω+20 Ω)=0.2 A。（3）Q=I²R₁t=(0.2 A)²×10 Ω×10 s=4 J。 落点6：开放简答（低碳指南） 【考点】用 W=Pt、P=W/t 论证节能措施。 10．为家庭拟定《个人低碳生活行为指南》，写出三条措施，其中至少一条要用 W=Pt 说明理由。 答案：示例：①随手关灯、电器不用时切断电源——减小用电时间t，由W=Pt可知可显著节电；②夏季空调设定不低于26℃——每调高1℃节电约5%～10%；③换用LED灯和一级能效电器——在同样“效果”下减小功率P。 四、总结 1. 电能 W=Pt（=UIt），电费来自电能表累计的用电量，1 kW·h=3.6×10⁶ J。 2. 节能＝减小 P（LED、高能效电器）＋减小 t（及时关闭、防待机）＋减小损耗（Q=I²Rt 的废热）。 3. 电热的两面性：电热器靠它工作，电动机和导线要防它；非纯电阻电路中 W＞Q。 课后任务（二选一）： - A：完成《家庭节能方案》：含调研表、三项改动的节电核算与节费、拟定的《个人低碳生活行为指南》。 - B：查阅一种新型节能技术（变频空调、冷凝式热水器、光伏发电等），用 W=Pt 或效率观点分析其节能原理，写一篇200字小论文。 学科网（北京）股份有限公司 $