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/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
永恒的探索：宇宙和粒子
第四节　设计节能环保小屋
教材 解读 　教材围绕节能环保小屋展开,介绍其设计理念、方法及意义。涵盖从身边常见小物件出发,如节能灯具、环保用具等,讲解如何在设计中融入节能环保元素,包括材料选择(可再生、可回收材料)、功能优化(降低能耗、延长使用寿命)等方面。
学 习 目 标 物理观念 　理解能量守恒与转化观念,认识到小屋设计中太阳能、风能等可再生能源向电能、热能等转化的原理,以及能量在传递和转化过程中的损耗,能从能量角度分析节能环保小屋的优势。
科学思维 　具备批判性思维,能对传统小屋设计与节能环保小屋设计进行比较和分析,质疑不合理的设计方式,提出创新的节能设计思路。
科学探究 　学会运用控制变量法,在研究小屋的采光、通风、保温等设计对节能效果的影响时,控制其他因素不变,改变单一变量进行研究,得出科学结论。
科学态度 与责任 　增强社会责任感,认识到节能环保对于可持续发展的重要意义,树立为推动节能环保事业贡献力量的意识,将节能环保理念传播给身边的人。
重点 难点 　重点:掌握节能环保小屋的设计要点和方法,理解节能环保材料与功能设计的关系。 　难点:在于突破传统思维,实现创新设计,同时确保小屋的实用性和节能环保效果的平衡。
合 作 探 究 　探究课题:设计节能环保小屋 　探究方法:合作法、讨论法、实践法 　探究过程: 　1.分组:将学生分成若干小组,每组4~5人,选组长,明确组内分工(记录员、汇报员等)。 　2.提出问题:展示传统小屋与节能环保小屋图片对比,引导学生思考节能差异,提出如“如何优化小屋能源利用系统”等问题。 　3.资料收集与讨论:各小组通过教材、网络等收集资料,组内讨论节能环保小屋在材料、能源、结构方面的设计思路,记录要点。 　4.初步设计:小组合作绘制节能环保小屋初步设计草图,标注所用材料、能源设备及节能设计原理,教师巡视指导。 　5.小组汇报:各小组汇报员展示设计成果,讲解设计理念和优势,其他小组提问、质疑,汇报员答疑。 　6.总结完善:教师总结各小组表现与设计的亮点和不足,引导学生完善设计,鼓励课后继续探究改进。 　7.反思:关注小组合作状态,及时引导解决矛盾分歧,对各小组设计评价应更全面具体,以提升学生合作探究与设计能力。
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 1.展示环境污染(如雾霾、水污染图片)和能源短缺(如排队加油场景图片)的资料,提问学生对这些现象的看法,引导思考能源与环境的关系。 2.引出本节课的任务:设计节能环保小屋,解决能源与环境问题。 思考、交流 运用设问方式,引入新课。
【探究新知】 任务一、认识能源 1.能源认知 讲解能源的定义,通过图片、视频展示常见能源,如煤炭、石油、太阳能、风能等。 详细阐述可再生能源(太阳能、风能、水能等)和不可再生能源(煤炭、石油、天然气等)的特点、优缺点及应用实例。 2.能源可持续发展 介绍开发新能源(如氢能、地热能)、提高能源利用效率(如热电联产)、推广节能技术等可持续发展途径。分享国内外成功案例,如丹麦的风力发电、德国的太阳能应用。 3.节能减耗技术 列举常见节能技术,如节能灯具(LED灯)、保温材料(聚苯板)、智能控制系统(智能电表)等,说明其工作原理和节能效果。 阅读、思考、交流、记忆 让学生能准确阐述能源的概念、分类,清晰说明能源可持续发展的主要途径。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
任务二、为节能环保小屋选址 1.分组 将学生分成若干小组,每组4~5人。 2.任务布置 要求小组通过网络、书籍等渠道调查不同地区能源分布情况,选择一个适合建造节能环保小屋的地址。考虑因素包括当地能源资源(如太阳能是否充足、有无风能资源等)、气候条件(影响能源利用和节能措施选择)、地形地貌(影响小屋建设和能源设施布局)等。 3.小组调查与讨论 小组开展调查和讨论,教师巡视指导,解答疑问。 4.选址汇报 各小组派代表汇报选址结果及理由。 任务三、设计节能环保小屋 1.小组讨论 根据选址地区特点,小组讨论设计节能环保小屋方案。 内容包括: 能源选择:如太阳能丰富地区使用太阳能光伏板发电、太阳能热水器提供热水;风能充足地区安装风力发电机。 节能措施:如采用双层玻璃、保温墙体材料减少热量散失;安装节能灯具、智能家电控制系统降低电力消耗;设置雨水收集系统用于非饮用水用途。 2.方案制定 小组绘制小屋设计图,标注能源设备和节能设施位置,并撰写设计说明,阐述设计理念、能源利用和节能措施及预期效果。教师巡回指导,提供建议。 任务四、制作节能环保小屋模型 合作、思考、交流、探究、总结 交流、合作、思考、汇总 通过调查、分析、设计和制作等活动,提升信息收集处理、问题解决和创新思维能力。 以小组合作形式开展任务,增强团队协作和沟通交流能力。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
模型制作过程: 1.材料准备 为学生提供制作材料,如卡纸、木棍、塑料片、电池、小电机、LED灯、小型太阳能板模型、风力发电机模型等,以及工具,如剪刀、胶水、尺子等。 2.制作指导 讲解模型制作流程和注意事项,如结构搭建稳定性、电路连接安全性等。 3.小组制作 小组分工合作制作模型,教师巡视,提供技术支持和帮助。 4.展示与评价 (1)小组展示 各小组展示节能环保小屋模型,介绍选址、设计方案和制作过程。 (2)小组互评 其他小组从选址合理性、能源利用科学性、节能措施有效性、模型制作精细度等方面进行评价,提出优点和改进建议。 (3)教师评价 教师总结评价,肯定成绩,指出不足,强调节能环保重要性和实践意义。 课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略)
《设计节能环保小屋》案例:
第一步　为节能环保小屋选址
(一)选址地点
我国西北地区某开阔地带
(二)气候条件
1.光照:年平均日照时数超过3000 h,在全国光照资源排名中处于前列,属于太阳能资源丰富区。日照时间长且强度大,夏季每天日照时长14 h左右,冬季也能保持在8~10 h。
2.温度:冬季寒冷,最低气温在-20 ℃以下,夏季炎热,最高气温在35 ℃以上,昼夜温差大,一般在15~20 ℃。
3.风力:年平均风速3~5 m/s,春季和秋季风力相对较大,时常出现5~6级风,具备一定的风力发电潜力。
(三)环境特点
1.地形地貌:地势平坦开阔,为广袤的荒漠或戈壁地带,土地资源丰富且成本较低,便于大规模建设和布局能源设施。没有高大建筑物或山脉等遮挡物,有利于太阳能的接收和风力的利用。
2.植被情况:植被稀少,主要以耐旱的沙生植物为主,如骆驼刺、沙棘等,植被对建筑物的影响较小。
3.周边设施:距离最近的城镇约50 km,周边无大型工业设施和能源消耗中心,电力接入可通过架设输电线路与城镇电网相连,同时也减少了其他设施对能源利用的干扰。
(四)选址理由
1.太阳能资源优势:充足的光照条件非常适合安装太阳能光伏板,能够高效地将太阳能转化为电能,满足小屋的日常用电需求,如照明、电器设备运行等。而且长时间的日照可以保证较高的发电效率和电量产出。
2.风能资源利用:一定的平均风速和季节性较大风力,使得安装小型风力发电机成为可能,可以作为太阳能发电的补充能源,在阴天或光照不足时提供电力,提高能源供应的稳定性和可靠性。
3.地形优势:平坦开阔的地形不仅便于小屋的基础建设,还为太阳能光伏板的大面积铺设和风力发电机的安装提供了良好的空间条件,减少了施工难度和成本。
4.环境适应性:该地区植被稀少,气候干燥,对建筑物的侵蚀相对较小,适合采用一些耐久性较好的建筑材料和节能设施,且维护成本较低。同时,远离城镇和大型工业设施,有利于打造一个相对独立、环保的居住环境。
第二步　设计和制作节能环保小屋
(一)能源利用方案
1.太阳能系统
太阳能光伏板:选用高效单晶硅太阳能光伏板,安装面积为30 m2,平均每天可发电约120 kW·h(根据当地光照条件估算)。这些电能将存储在配套的锂电池储能系统中,优先供小屋内部的电器设备使用,如冰箱、电视、空调等。多余的电量可进行存储,以备夜间或阴天时使用。
太阳能热水器:安装2台大容量太阳能热水器,水箱容量共计500 L。在晴天时,能够将水加热到60~70 ℃,满足日常的生活热水需求,如洗澡、洗碗等。热水器配备智能控制系统,可根据水温自动调节加热模式。
2.风能系统
安装3台小型水平轴风力发电机,单机额定功率为1 kW。在平均风速条件下,每天可发电约10~15 kW·h。风力发电机发出的电同样接入锂电池储能系统,与太阳能发电进行整合,统一为小屋供电。
3.储能系统
配备一套总容量为500 kW·h时的锂电池储能系统。该系统具有高效的充放电性能和较长的使用寿命,能够在白天太阳能或风能发电过剩时进行存储,并在能源供应不足时释放电能,保障小屋的持续稳定供电。
(二)节能措施方案
1.建筑围护结构
墙体:采用300 mm厚的聚苯板保温墙体,其导热系数低,保温性能良好,能够有效减少冬季室内热量散失和夏季室外热量传入。经测算,相比普通墙体,可降低30%~40%的热量传导。
屋顶:使用挤塑聚苯板进行保温处理,厚度为150 mm,并在屋顶表面铺设反光隔热涂料,进一步反射太阳辐射热,降低屋顶温度。
门窗:安装双层LOW-E玻璃门窗,玻璃中间填充惰性气体,具有良好的隔热、隔音性能。同时,门窗采用断桥铝窗框,减少热量传导,气密性能达到国家标准,可有效防止室内外空气渗透。
2.照明系统
室内全部采用LED节能灯具,根据不同房间的功能和使用需求,合理布置灯具的数量和位置。同时,安装智能照明控制系统,能够根据室内外光照强度自动调节灯具亮度,在满足照明需求的前提下,最大限度地节约电能。预计相比传统照明系统,可节约70%~80%的照明用电。
3.电器设备
选用节能型电器,如一级能效的冰箱、空调、洗衣机等。这些电器在设计和制造过程中采用了先进的节能技术,相比普通电器,可降低20%~30%的能耗。
4.水资源利用
设置雨水收集系统,在屋顶安装雨水收集管道,将雨水收集到地下储水箱中,储水箱容量为10 m3。经过简单的过滤处理后,可用于浇灌周边的植物、冲洗厕所等非饮用水用途,预计每年可节约生活用水50~80 m3。
5.智能控制系统
安装一套全屋智能控制系统,可对能源设备(如太阳能光伏板、风力发电机、储能系统等)、电器设备、照明系统和水资源利用系统等进行实时监测和智能控制。例如,根据天气情况和能源存储状态,自动调整太阳能和风力发电设备的运行模式;根据室内人员活动情况,自动控制电器设备和照明系统的开关等,实现能源的高效利用和精细化管理。
学点　认识能源
问题1:大量事实表明:不同形式的能量之间可以相互　转化　,在一定量的某种形式的能量减少的同时,总伴随着其他形式的能量在　等量　地增加。
问题2:能量既不会凭空　消失　,也不会凭空　产生　,它只会从　一种形式　转化为　其他形式　,或者从　一个物体　转移到　其他物体　,而在　转化　和　转移　的过程中,能量的总量　保持不变　。这就是能量转化与守恒定律。
问题3:由能量转化与守恒定律可知,永动机是　不可能　(选填“可能”或“不可能”)制成的。能量的转化具有　方向性　,即自然进行的能量转化过程是　不可逆　(选填“可逆”或“不可逆”)的。
问题4:物理学的研究表明,有些能源,如　太阳能　、　风能　、　潮汐能　、　水力　和　地热能　等可以认为是无限的,所以也把它们叫作可再生能源。我们在使用能源的同时,要注意保护好环境。
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永恒的探索：宇宙和粒子
第四节　设计节能环保小屋
　　方式一　【问题导入】
同学们,假如让你在野外生活,没有现成的电和水供应,你会怎么办 怎么才能建造一个舒适的居住场所,同时又能尽可能少地消耗自然资源呢 这就是我们今天要探讨的内容——设计节能环保小屋。现在,大家可以先在脑海里构思一下,然后我们一起交流。引入新课。
方式二　【故事导入】
同学们,在一个美丽的小镇上,原本大家生活在青山绿水间,环境优美。可随着经济发展,人们过度使用能源,环境污染严重。有个叫小阳的孩子,决心改变现状。他设计了一座特别的小屋,不仅能自己发电,还能净化空气。今天,我们就一起走进小阳的世界,学习如何设计这样的节能环保小屋。引入新课。
方式三　【视频导入】
播放一段关于全球能源危机(如石油资源日益减少、煤炭燃烧造成严重空气污染等)和环境恶化(如冰川消融、森林大火频发)的视频。播放结束后提问:“同学们,看到这些画面,大家有什么感受 我们能为改善这种状况做些什么呢 今天,我们就来尝试设计一座节能环保小屋,为解决这些问题贡献一份自己的智慧。”引入新课。
节能小屋设计原则
1.材料科学前沿
除教材中提到的常见节能环保材料,介绍新型纳米隔热材料,其隔热性能远超传统材料,能极大降低小屋的热量传递;还有自清洁涂料,涂覆在小屋外墙,可减少人工清洁和水资源消耗,保持建筑外观整洁,延长使用寿命。
2.能源技术创新
引入生物能利用技术,如利用微生物分解有机废物产生沼气,为小屋提供部分能源;以及小型温差发电装置,利用室内外温差发电,补充电力需求,使小屋能源来源更多样化、可持续。
3.环境影响评估
在设计节能环保小屋时,引导学生考虑小屋全生命周期的环境影响。从材料开采、运输、建造,到使用过程中的能源消耗、废弃物产生,再到小屋废弃后的拆解与回收,全面分析每个环节对环境的影响,培养学生的全局环保意识。
4.地域文化融合
不同地区有独特的建筑风格和节能环保智慧。例如,我国陕北的窑洞利用黄土的隔热性实现冬暖夏凉;傣族竹楼干栏式建筑适应热带雨林气候,底层架空防潮防虫,上层居住,竹木中空结构天然隔热,竹篾墙体孔隙促进自然通风。将这些地域特色融入小屋设计,既能传承文化,又能因地制宜实现节能环保。
5.经济可行性分析
让学生认识到节能环保小屋不仅要环保,还要经济可行。分析初期建设成本与长期运行成本的关系,如太阳能板的前期投资较高,但长期使用可大幅降低电费支出;高效保温材料虽价格贵,但能减少取暖和制冷费用,从经济角度加深学生对节能环保的理解。
[中考解读] 本节内容中,能源的分类,一次能源、二次能源分别有哪些,可再生和不可再生能源分别是什么,都是中考的考点,中考中多以选择题、填空题的形式进行考查。
[考点对接] 认识能源
例1　(北京中考)下列能源中,属于可再生能源的是 (　　)
A.煤 B.石油 C.天然气 D.太阳能
[答案] D
例2　(徐州中考)下列关于能源的说法错误的是 (　　)
A.太阳能是一次能源 B.电能是二次能源
C.石油是可再生能源 D.风能是清洁能源
[答案] C
例3　(宁夏中考)下列能源中,不会对环境造成污染且取之不尽的是 (　　)
A.太阳能 B.煤
C.石油 D.天然气
[答案] A
材料一——新型节能环保材料的应用
相变储能材料:在小屋的墙体和天花板中可使用相变储能材料。这种材料能在温度变化时发生相变,吸收或释放热量。例如,在白天温度较高时,它吸收热量并储存起来;到了晚上温度降低,再将储存的热量释放出来,从而有效调节室内温度,减少空调和暖气的使用频率,降低能源消耗。像脂肪酸类相变材料,相变温度范围较广,可根据不同地区的气候条件进行选择。
透明光伏玻璃:将传统的窗户玻璃替换为透明光伏玻璃。它既能像普通玻璃一样让光线透过,保证室内采光,又能利用太阳能进行光伏发电。透明光伏玻璃采用了特殊的薄膜太阳能电池技术,在不影响视觉效果的前提下,为小屋提供部分电力,可用于照明、电器设备供电等。
再生纤维保温棉:由废旧纺织品回收加工而成的再生纤维保温棉,是一种环保的保温材料。它具有良好的保温性能,能有效阻止热量的传递。与传统的保温材料相比,再生纤维保温棉不仅减少了对自然资源的消耗,还解决了废旧纺织品的处理问题,实现了资源的循环利用。
　　材料二——智能能源管理系统
能源监测与分析:在小屋内安装智能能源监测设备,实时监测各种能源的使用情况,如电力、水、天然气等。通过数据分析,了解能源的消耗模式和高峰低谷时段,从而制定合理的能源使用计划。例如,根据监测数据,在用电低谷时段开启一些大功率设备,如洗衣机、热水器等,降低用电成本。
智能控制系统:利用智能控制系统对小屋内的设备进行自动化控制。比如,智能照明系统可以根据室内光线强度和人员活动情况自动调节灯光亮度和开关;智能温控系统能根据设定的温度范围和实际室温,自动控制空调、暖气等设备的运行,实现精准的温度调节,提高能源利用效率。
可再生能源集成管理:对于使用太阳能、风能等可再生能源的小屋,智能能源管理系统可以对这些能源进行集成管理。当可再生能源产生的电量超过小屋的即时需求时,多余的电量可以存储到电池中;当可再生能源发电量不足时,自动切换到电网供电或使用电池存储的电量,确保小屋的能源供应稳定、可靠。
　　材料三——生态景观与自然通风设计
雨水花园:在小屋周围设计雨水花园,通过种植耐水湿的植物,如菖蒲、鸢尾等,结合砾石层、种植土层等结构,收集和净化雨水。雨水花园不仅能减少雨水径流,降低城市排水系统的压力,还能为小屋营造一个优美的生态环境,调节局部小气候,增加空气湿度,吸收二氧化碳并释放氧气。
垂直绿化:在小屋的外墙或阳台等部位进行垂直绿化,种植攀缘植物或设置植物墙。垂直绿化可以起到隔热降温的作用,减少太阳辐射对小屋墙体的热量传递,同时美化建筑外观,吸附空气中的灰尘和有害物质,改善空气质量。
自然通风优化设计:合理设计小屋的窗户、通风口和建筑布局,实现自然通风。例如,采用对流通风原理,在小屋的不同高度设置通风口,利用热压作用促进空气流动;在夏季,通过开启窗户和通风口,引入室外凉爽的空气,排出室内的热空气;在冬季,则可以关闭部分通风口,保持室内温暖。还可以利用风道设计,引导气流在室内合理流动,提高通风效果,减少对机械通风设备的依赖。
　　材料一　新型节能环保材料的应用 　　材料二　智能能源管理系统 　　材料三　生态景观与自然通风设计 　　——详见电子资源
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

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