资源简介

第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
物理观念：
深化对能量守恒、能源转化效率、可再生能源等核心概念的理解，建立“能量有限、合理利用”的认知框架。
科学思维：
运用控制变量法、数据分析法、模型建构法解决节能实践中的实际问题，提升逻辑推理与创新思维能力。
科学探究：
通过实验设计、数据采集、结果验证等环节，掌握“提出问题——设计方案——分析结论”的探究流程。
科学态度与责任：
通过“设计节约能源方案”的实践活动，认识能源的价值的同时，树立保护环境、节约能源的重要性，从中体会可持续发展观点的意义，增强社会责任感与使命感。
重点：调查家中能源的使用情况，选取优化对象与确定改进方法。
难点：制订与检验节约能源的设计方案。
一、新课导入
随着经济的不断发展，能源的消耗量迅速增长，使能源问题越来越成为经济发展中的突出问题。因此，人们积极寻找各种办法和措施，大力探索和开发各种新能源。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？想为节能和环境作出贡献，可以先从优化自己家中能源的使用入手，本节课我们就来制订一个优化家庭能源使用的具体方案。
二、教学步骤
　调查家中能源的使用情况
【阅读课本】P200～201“调查家中能源的使用情况”。
【思考】在使用能源的同时，为什么还要保护环境？
【提示】能源为人类社会的发展作出了巨大贡献，但在人类大量开发和使用能源的同时，也给环境造成了不可忽视的污染和破坏，对人类的生存和社会的发展构成了极大的威胁。环境保护、节约能源人人有责。
【思考】根据家中能源的用途、类型，怎样估算这些能源的消耗量？
【提示】设计出统计自己家中能源使用情况的表格，如表。
表1　某个家庭的能源使用情况
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)
　选取优化对象与确定改进方法
【阅读课本】P201“选取优化对象与确定改进方法”。
【思考】根据上述调查结果，思考家中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。
【展示交流】
家庭能源使用优化方法
1．合理使用照明设备：(1)尽量利用自然光，减少白天开灯的时间。(2)使用节能灯或LED灯，它们能耗低且寿命长。(3)离开房间时随手关灯，避免长明灯。
2．优化电器使用：(1)不用电器时拔掉插头，避免待机耗电。(2)合理安排电器使用时间，如集中洗衣服，充分利用电器的节能模式。
3. 控制空调温度：夏季与冬季需要使用空调时，夏季温度设定在26～28 ℃，冬季设定在18～20 ℃。定期清洁空调滤网，提高制冷热效率。
4．选择节能型家电：购买具有节能标识的电器，如冰箱、热水器、空调等。长期使用节能型电器能节约不少电能。
5. 优化热水器使用：根据使用需求合理设置热水器温度和定时开关，减少不必要的加热。
6. 缩短洗澡时间：既能节约用水，也能减少热水器的能耗。
7. 改善烹饪习惯：使用合适的锅具和炉灶，提高能源利用效率。合理安排烹饪顺序，充分利用余热。
8. 炉灶使用：使用燃气炉灶时，根据烹饪需要合理调节火焰大小，保持锅底与炉灶的火孔充分接触，提高加热效率。定期清理燃气炉灶火孔和炉头，保证燃气充分燃烧，提高燃气使用效率。
　制订与检验设计方案
方案一：为房屋加装保温层
【思考】房屋的热量主要从哪些地方流失？为什么加装保温层能减少消耗？如何制订科学、可行的节能方案？
【设计与制订方案】
(1)明确思路。根据学过的知识可知，热量能自发地从高温物体传递到低温物体，因此我们要想保持房间的温度不变，就要尽可能减少房间与外界的热传递。
(2)选取材料。
　　　【思考】日常生活中的许多材料都可以用来保温，材料的保温性能与哪些因素有关？当为房屋选择保温材料时，还需要从哪些方面考虑？
【提示】查阅资料得知，材料的保温性能通常与它的厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积，以及外界温度等有关。通常，材料厚度越大、热导性越小、与外界的接触面积越小，材料就越能减缓热量散失。如表1列出了一些常见材料在室温和干燥环境下的热导率，也可以通过查找资料获得其他材料或不同条件下的热导率。
表1　不同材料的热导率
材料 热导率/[W·(m·℃)-1] 材料 热导率/[W·(m·℃)-1]
铝 236 木材 1.2
玻璃 1.1 混凝土 1.3
空气 0.2 聚苯板 0.03
纸张 0.03 …… ……
　　在为房屋选择保温材料时，除了材料的热导率，还要从材料的环保性、价格、耐火性，以及是否容易安装等方面进行评估(表2)。
表2　对不同材料的评估
材料名称 热导率 环保性 价格 耐火性 易安装程度 ……
材料1
材料2
材料3
……
　　(3)确定方案。在选定了保温材料后，先在小组内讨论设计方案。例如，在房间的哪些部位安装保温材料？保温材料的规格、尺寸应满足什么要求？门窗应该怎样进行保温处理？……然后围绕这些问题制订具体的设计方案(表3)。
表3　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。在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议。
方案二：为家庭用车提供建议
【思考】从能源角度分析对比纯电动汽车与汽油车的优缺点。
【提示】在分析对比过程中，可以从两种汽车直接消耗的能源，汽油与电力等在生产过程中的转化效率等方面比较。
燃油车：汽油为燃料动力；能源利用效率在20%～30%。
纯电动汽车：(1)电力为动力；(2)能源利用效率在80%～90%；(3)充电效率，普通家用电源为80%左右，公共充电桩在95%以上；(4)电力生产，能源来自不同能源(煤炭、太阳能、风能等)，转化效率各不相同。火力发电厂，热能转换电能效率最多50%。
【思考】从使用需求体验角度分析对比纯电动汽车与燃油车的优缺点。
【提示】在分析对比过程中，可以从两种汽车智能化程度、补能的便利性、气温影响、驾驶体验等比较。
智能化程度 补能便利性 气温影响 驾驶体验
燃油车 较低：智能化和数字化体验上不如新能源汽车，缺乏先进的智能化系统 燃油车的加油站分布广泛，加油时间短，续航稳定 燃油车一般不受地域天气影响 平顺性、加速能力和安静性方面，不如纯电动汽车
纯电动汽车 通常配备更多的智能功能，如自动驾驶辅助和OTA升级，提升了用户体验 充电时间和充电设施覆盖率等方面目前略显不足 气温较低的地域电能衰减比较快 平顺性、加速能力和安静性方面，纯电动汽车非常优秀
　　【思考】从环保性能、能源可持续性对比纯电动汽车与汽油车的优缺点。
【提示】在分析对比过程中，可以从环保性能、能源与环保趋势角度进行比较。
环保性能 能源与环保
燃油车 行驶过程中燃烧汽油排放大量尾气，尾气包括二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和可吸入颗粒物等，是导致空气污染和温室效应的主要原因之一 能源来源单一，过度依赖不可再生的石油资源，全球石油储备终将面临枯竭，燃油车的能源使用不可持续
纯电动汽车 在行驶过程中基本可做到“零排放”，使用过程更环保 用电能，减少了对石油的依赖，符合全球降低碳排放和减少能源消耗的大趋势
　　【思考】从能源安全角度分析纯电动汽车与燃油车的优势。
1. 我国燃油车的能源主要依赖石油进口，我国是石油消费大国，石油进口依赖度高达73% 左右。高昂的石油进口费用和对国际市场的依赖使得我国的能源安全面临巨大挑战。
2. 纯电动汽车显著降低了对石油的依赖，减少了石油进口量，从而增强了国家的能源安全。
【结论】相比较燃油车，新能源电动汽车是未来的最佳选择。
综合来看，新能源电动汽车无论在环保性、能源利用率上，还是在驾驶体验、未来技术趋势和能源安全上，都展现出了巨大优势。尽管燃油车目前在某些方面仍有一定的生存空间，但随着全球环境政策的推进和新能源汽车技术的不断成熟，传统燃油车将逐渐被取代。新能源汽车是降低碳排放、减少空气污染、实现能源多样化的重要途径，是推动人类社会迈向可持续发展的关键一环。
第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
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见学生用书。
通过本次跨学科实践活动，体现以学生活动为主的理念，培养学生科学调查的能力、查阅相关资料的能力和科学想象力，培养学生的创新设计能力。学生不仅掌握了学科知识，还明白了学习的重要性，感受到学习的乐趣。在学习过程中，应更多地关注过程性评价，以及学生在情感、态度与价值观方面的表现。

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