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第二十二章 能源与可持续发展
九下物理 RJ
第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
1. 了解家庭能源使用情况，区分可再生和不可再生能源，能估算能源消耗量，建立能源认知。
2. 运用热传递、能量转化等热学和能量知识，分析房屋保温材料的选择依据，掌握材料热学性能对节能的影响。
3. 对比燃油汽车与新能源汽车的能耗及转化效率，理解新能源汽车的优势和局限，认识能源转化的重要性。
4. 学会设计并制作简易模型验证节能方案，培养实践与探究能力，增强节能与环保意识。
学习目标
课堂导入
生活中的浪费能源、污染环境的问题
新知探究
为节约能源设计方案
项目提出
人们在生产生活中都会使用各种能源。你在生活中都遇到过哪些浪费能源、污染环境的问题
想为节能和环保作出贡献，可以先从优化自己家中能源的使用入手，制订出一个优化家庭能源使用的具体方案。
项目分析
新知探究
调查
1.了解家庭使用能源的具体情况；
设计
2.有针对性地提出优化方案；
检验
3.分析方案的有效性和可行性；
改进
4.与他人交流讨论，对方案进行改进。
为节约能源设计方案
能源用途 采暖 做饭 生活热水 制冷 其他电器 交通
能源名称 天然气 电 汽油
能源类型 不可再生能源 约70%来自不可再生能源 约30%来自可再生能源 不可再生能源
消耗量(年) 200 m3 1000 kW·h 500 L
新知探究
能源 浪费现象 取暖温度过高 电器长时间待机， 不能随手关灯 过度依赖
私家车
为节约能源设计方案
项目实施
1. 调查家中能源的使用情况
表1 某个家庭的能源使用情况
新知探究
2. 选取优化对象与确定改进方法
（1）思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的。
采暖
制冷
交通
为节约能源设计方案
新知探究
（2）优化能源使用的方法
在家中使用太阳能等新能源；
提高现有能源的使用效率；
优化家庭用车等行为。
住宅加装的太阳能电池板
换用新能源汽车
节约能源、减少浪费……
为节约能源设计方案
换用能效更低的
1 级
新知探究
（3）在确定节能方法时，需要从哪些角度分析
优化方法 使用新能源 提高能源使用效率 优化使用行为
采暖
制冷
交通
加装保温层
更换新能源车
“是否节约能源 ”“能否满足使用需要 ”
安装太阳能
采暖系统
调低温度设定
屋顶安装太阳能电池板
换高能效空调，贴隔热膜及安遮阳帘
调高温度设定，减小空调开启时间
乘坐公交车、骑自行车
为节约能源设计方案
新知探究
思考：又应该收集哪些证据 怎样分析
是否节约能源 是否满足 使用需求 其他
加装 保温层
更换新能源车
分析
角度
证据
与分析
优化
对象
利用保温材料
制作小屋模型
进行测试
统计家庭成员
对屋内温度的
满意度
对比不同保温材料的价格、环保性和耐火性
调查燃油车能耗值与新能源车能耗值
续航里程是否满足家庭日均里程；充电是否方便、快捷
调查新能源
车与燃油车的价格
为节约能源设计方案
新知探究
3. 制订与检验设计方案
方案一：为房屋加装保温层。
（1）明确思路。
热量能够自发地从高温物体传递到低温物体
尽可能减少房间
与外界的热传递
选择保温能力比较强的材料将房间“包裹”起来
为节约能源设计方案
新知探究
（2）选取材料。
厚度
热导率
干燥程度
与外界的
接触面积
外界温度
材料的
保温性能
为节约能源设计方案
通常，材料厚度越大、热导率越小、与外界的接触面积越小，材料就越能减缓热量散失。
新知探究
为节约能源设计方案
材料 热导率/[W·(m·℃)-1]
铝 236
玻璃 约0.8
锯木屑 约0.08
表2 不同材料的热导率
材料 热导率/[W·(m·℃)-1]
棉花 约0.05
岩棉 约0.04
空气 约0.03
聚苯乙烯 泡沫板 约0.032
挤塑聚苯 乙烯板 约0.028
铝箔橡塑棉 约0.034
发泡聚氨酯 约0.02
材料 热导率 [W/(m·℃)-1]
新知探究
为节约能源设计方案
在为房屋选择保温材料时，除了材料的热导率，还要从哪些方面进行评估。
环保性
价格
(元/m2)
耐火性
易安装程度
……
表3 对不同材料的评估
聚苯乙烯
泡沫板
挤塑聚苯
乙烯板
铝箔
橡塑棉
……
约0.034
约0.032
约0.028
新知探究
为节约能源设计方案
铝箔橡塑棉
聚苯乙烯泡沫板
挤塑聚苯乙烯板
环保性
常温下无毒，接触明火或高温（如80℃以上）会释放苯乙烯等有毒气体。
橡塑材料本身无毒，铝箔层在常温下也不会释放有害物质。
常温下稳定无毒，300℃以上分解产生苯系物、一氧化碳等有害气体。
新知探究
为节约能源设计方案
耐火性
视频
新知探究
为节约能源设计方案
易安装程度
易切割，硬度偏软，安装容易
密度更小、硬度
更高、易安装
要使用专用胶水粘合
铝箔橡塑棉
聚苯乙烯泡沫板
挤塑聚苯乙烯板
材料 热导率 W/(m·℃)
新知探究
为节约能源设计方案
环保性
价格
耐火性
易安装程度
……
表3 对不同材料的评估
……
聚苯乙烯
泡沫板
铝箔
橡塑棉
约0.034
约0.032
约0.028
挤塑聚苯
乙烯板
稍难
容易
容易
（3）确定方案
新知探究
为节约能源设计方案
表4 房屋保温的设计方案
安装位置 安装尺寸 所需材料 处理方式 备注
外墙1
外墙2
窗户1
窗户2
入户门
……
（4）制作模型与测试
新知探究
为节约能源设计方案
组件 模拟方案 科学依据
墙体 30cm×30cm×30cm纸箱 (2个，方便比较) 易获取、可安装保温层
门窗 纸箱开孔(5cm×5cm) 模拟真实房屋热交换薄弱点
屋顶 可开合纸板盖 便于放入冰袋及温度测量
……
模拟我们的家。
新知探究
为节约能源设计方案
给“家”安装保温材料。
新知探究
为节约能源设计方案
检验保温效果。
将质量相等的冰块装在塑料袋中，分别放入没有保温材料和装有所选保温材料的“家”中；将“家”放置在相同的环境下，经过相同的时间后将冰块取出，比较冰块质量的变化。
结果：安装保温材料可以对“家”起到保温效果，
减少热量散失，从而节约能源。
方案二：为家庭用车提供建议。
新知探究
为节约能源设计方案
新能源汽车种类 工作原理
1
2
3
4
（1）目前都有哪些种类的新能源汽车
纯电动汽车
混合动力汽车
增程式电动汽车
氢动力车
电池驱动电机，零尾气排放
油电双系统，可外接充电，
短途用电、长途用油
发动机仅发电，电机驱动车轮
氢氧化学反应发电，排放仅为水
新知探究
为节约能源设计方案
新能源汽车一般使用电能、氢能等，燃油汽车使用汽油、柴油。根据前面学过的知识，想想如何比较两类汽车的能耗。
指标 某纯电动汽车 某燃油汽车 对比结果
百公里 能耗
碳排放 (行驶15万公里)
关键影响因素
14.5 kW·h (城市)
18 kW·h (高速)
7.5L汽油(约50元)
电费成本低80%
约30吨
约43吨
纯电动
减排30%
电力来源(煤电 vs 风电)、空调能效
发动机热效率(约40%)
电网越清洁，纯电动优势
越大
新知探究
为节约能源设计方案
（2）与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要
场景 核心问题 用户影响
低温环境
高温环境
长途高速
无家充条件
﹣20℃时磷酸铁锂电池续航衰减30%~50%，充电时间延长1倍
东北车主冬季实际续航缩水至标称值50%
38℃以上快充功率下降40%，
电芯温差超安全阈值
吐鲁番车主续航缩水35%，充电耗时增加72分钟
120 km/h时速+空调制冷，续航衰减25%~30%；充电桩覆盖不足
节假日高速服务区
排队充电超1小时
公共桩电价达0.6~1.8元/度，
成本优势大幅削弱
年行驶2万公里时，成本接近小排量燃油车
推荐地域：华南、华东沿海（年均温15~25℃），
电网覆盖完善（如浙江、广东等）。
　　我家自从更换了新能源汽车，回家后即可在车库的充电桩上充电，比燃油车更方便。
　　我在乘坐新能源汽车时，感觉加速很快，反应很灵敏，不会排出刺鼻的尾气。
新知探究
为节约能源设计方案
（3）除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展
新知探究
为节约能源设计方案
能源安全与资源短缺
我国的石油高度依赖进口，新能源汽车的发展能减少对石油等化石能源的依赖，缓解能源危机。
技术创新与产业升级
新能源汽车技术（如电池、电机、电控系统）的突破推动了产业链升级。例如，三元锂电池和磷酸铁锂电池的改进提升了续航能力，氢燃料电池则被视为未来方向。
新知探究
为节约能源设计方案
视频
新知探究
为节约能源设计方案
展示交流
在设计方案时不仅要提供具体的优化建议，还要有充分、确凿的证据以及合理的推理作为支撑。形成具体的方案后，需要与大家进行交流讨论，找出方案的不足和改进办法。
交流的形式可以多种多样，既可以通过举办辩论会的方式进行，也可以通过制作展板、举办论坛的方式进行。
优化方向 措施
房屋保温
交通能源
热水与用电
行为优化
归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。
新知探究
为节约能源设计方案
①外墙/屋顶加装5 cm厚的聚苯板
②门窗密封处理+双层玻璃
燃油车→纯电动车（年行驶1.5万公里）
安装太阳能热水器+屋顶光伏
（满足20%家庭用电）
夏季空调调高1℃，冬季暖气调低2 ℃
例1.低碳排放，保护地球。我国力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。请你提出两个践行低碳生活的建议，并说明其中的物理原理。
典型例题
解析：
1.尽量绿色出行，减少乘坐私家车。物理原理：汽车排放的尾气中含有大量二氧化碳，所以绿色出行可减少碳排放。
2.减少使用一次性塑料制品。物理原理：一次性塑料制品在制造和处理过程中会消耗大量能源，并产生大量的二氧化碳排放，因此，减少使用一次性塑料制品可以降低碳排放。
为节约能源设计方案
项目提出
课堂小结
项目实施
1. 调查家中能源的使用情况
2.选取优化对象与确定改进方法
3.制订与检验设计方案
项目分析
调查→设计→检验→改进
展示交流
制订出一个优化家庭能源使用的具体方案
举办辩论会、制作展板、举办论坛等；归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法
1. 请估算，如果你的家庭按照设计方案优化中的一项：“夏季空调调高1 ℃，冬季空调调低2 ℃。”每年会节约多少能源 如果全国所有家庭都采取类似的节能措施，会节约多少能源
随堂练习
解析：
空调制冷时温度调高1 ℃ ，制热时温度调低2 ℃，均可省电10%以上。以家里一台功率为1.1 kW的空调，夏天和冬天共使用6个月，每天使用8 h计算，节约的电能约为
W = Pt =1.1 kW×10%×8 h×30×6 ≈160 kW·h。
全国拥有空调约7.5亿台，若都采用类似节能措施，每年可节约电能
W总= nW=7.5×108×160 kW·h=1.2×1011 kW·h。

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