资源简介

跨学科实践：为节约能源设计方案
第3节
第二十二章　能源与可持续发展
1
通过调查家庭能源使用情况，培养数据收集与分析能力。
2
运用物理知识解决实际问题，提升能源节约意识。
3
结合工程技术思维，设计可行的节能方案。
4
培养团队合作与科学表达能力。
学习目标
想一想：如果有一天，家里突然停水停电，空调、电视、热水器全部“罢工”，会是什么感觉？
我们每天使用的电、天然气等这些能源，就像藏在地球妈妈口袋里的宝贝，并不是取之不尽、用之不竭的。
情景引入
生活中，能源浪费现象随处可见。
家庭生活中，我们该怎样节约能源呢？
一、项目准备
调查家中能源的使用情况
1.调查家庭一年内电力、燃气、汽油的使用数据。
2.填写能源消耗统计表。
{7DF18680-E054-41AD-8BC1-D1AEF772440D} 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
电
能源类型
?
?
?
?
消耗量(年)
?
?
?
?
合作探究
3.分析家庭能源使用的潜在浪费点，填写下表。
{7DF18680-E054-41AD-8BC1-D1AEF772440D} 能源名称
天然气
电
汽油
浪费点
?
?
?
二、项目实施
选取优化对象与改进方法
1.根据调查结果，选择2个重点优化对象(如房屋保温、家庭用车等)。
2.研究可能的改进方法(技术改进、行为改变、设备更新等)。
3.初步评估各方案的可行性、成本与预期效果。
合作探究
方案一　为房屋保温设计方案
1.参考教材第201~203页，设计墙体保温层。
2.参考以下方案制订过程：
(1)分析房屋保温性能(门窗密封性、墙体材料等)；
(2)设计改善方案(如增加窗帘、门窗密封条保温等)；
(3)计算预期节能效果。
3.制作模型，测试不同保温措施的保温效果，记录温度变化数据，比较不同方案的优劣。
方案二　为家庭用车提供建议
参考教材第204页，分析家庭车辆使用情况，提出节能用车建议。
1.驾驶方式：计算不同驾驶方式(如平稳加速、合理胎压等)下的燃油经济性。
2.汽车消耗能源种类是否进行改进(如新能源代替燃油)。
三、展示交流
1.小组进行展示交流，交流过程中要阐述设计理念和技术要点。
2.参考评价标准：
{7DF18680-E054-41AD-8BC1-D1AEF772440D} 评价维度
评价指标
分值
得分
调查科学性
数据收集全面准确，记录规范
10
?
分析方法合理，结论可信
10
?
方案创新性
解决方案具有创造性
10
?
结合多种节能方法
10
?
合作探究
{7DF18680-E054-41AD-8BC1-D1AEF772440D} 物理应用
正确运用相关物理原理
10
?
计算过程准确完整
10
?
可行性
考虑实际条件限制
10
?
成本效益分析合理
10
?
展示效果
表达清晰，材料美观
10
?
回答问题准确
10
?
附加分：实际实施并验证效果(＋5)
提出超出预期的创新方案(＋5)
?
总体得分
?
你还有更好的设计方案吗？请课后查阅资料，设计节能方案。
四、课后延伸
合作探究
(2025·深圳模拟)深圳位于北回归线以南，属亚热带季风气候，日照充足。结合深圳气候特点，某学习小组开展了“设计隔热节能房屋”跨学科实践活动。
【活动目的】从能量转化的角度出发，探讨利用可再生能源的途径和方法，完成隔热节能房屋的设计。
【活动方案】
(一)结合材料学等学科知识，为房屋选择合适的隔热材料；
(二)结合地理学等学科知识，测算太阳能电池板的面积；
(三)结合工程和技术操作，研究节能热水器。
当堂检测
【实施过程】
(一)选取房屋的“隔热材料”
(1)学习小组为了比较材料的隔热性能，找到厚度相等的三种材料，制成大小、形状和结构均相同的房屋模型。用白炽灯光模拟太阳光，房屋位置如图甲所示，将温度传感器分别放在房屋模型　　(选填“内”或“外”)部的相同位置。闭合白炽灯开关，每隔1分钟，同时测量三个房屋模型的温度。?
内
解析　比较房屋材料的隔热性能，要把传感器分别放在房屋模型内部相同位置；
(2)甲图中三个小屋的摆放位置不合理，原因是：____________________
________________________。?
三个房屋与白炽灯的
距离不同，光照强度不同
解析　比较房屋材料的隔热性能，要保持光源到三个房屋的距离相同，光照强度相同；
(3)优化实验方案后进行实验，温度传感器的示数变化情况如图乙所示。根据图像分析，学习小组应选择________做房屋的隔热材料。?
泡沫板
解析　由图乙可知，在光照强度和光照时间相同时，泡沫板材料房屋内温度上升得最少，故应选择泡沫板做房屋的隔热材料；
(二)测算太阳能电池板的面积
(4)学习小组计划在房屋屋顶安装太阳能电池板给房屋供电。安装在屋顶的太阳能电池板朝南放置，这样有利于获取　　　　。?
太阳能
解析　电池板朝南光照时间和强度都更理想，更有利于获得太阳能；
(5)深圳某天1 m2的太阳能电池板发电量为0.8 kW·h，若当天家庭用电量为16 kW·h，为了满足用电需求，太阳能电池板的面积至少为　　m2。?
20
解析　需要的电池板的面积至少为
S＝16?kW·h0.8?(kW·h)/m2＝20 m2；
?
(三)研究节能热水器
学习小组了解到有一款空气能热水器，其工作原理如图丙所示。液态工作介质经过蒸发器，吸收室外热空气中的
热量后，蒸发成气态，进入压缩机，经压缩机压缩后，形成高温高压的气体，进入水箱中的冷凝管，释放热量后，变成液态，经过储液罐、过滤器、膨胀阀，再次回到蒸发器，开始下一个循环。
当室外温度低或需要快速制热时，热水器还需要用水箱中辅热器的电阻丝加热，从而缩短加热时间。学习小组把水从冷凝管吸收的热量与工作介质循环所消耗电能(不含辅热器消耗电能)的比值记为D。
(6)压缩机通过　　　(选填“做功”或“热传递”)的方式改变工作介质的内能；高温高压的气体通过冷凝管后内能变 　。?
做功
小
解析　压缩机通过做功的方式改变工作介质的内能，高温高压的气体通过冷凝管后液化，放出热量，温度降低内能变小；
(7)在某一环境温度下，在空气能热水器水箱中装入200 kg初温为20 ℃的水，关闭其他用电器，记录电能表的示数为932.2 kW·h，启动空气能热水器(辅热器不工作)，2 h后，水温达到50 ℃，电能表的示数如图丁所示。此过程中，水吸收的热量为　 　　　 J，空气能热水器的电功率P为　 　 W，则该空气能热水器的D值为　 。[水的比热容取4.2×103 J/(kg·℃)]?
2.52×107
700
5
解析　200 kg水从20 ℃升高到50 ℃吸收的热量
Q吸＝cm(t2－t1)＝4.2×103 J/(kg·℃)×200 kg×(50 ℃－20 ℃)＝2.52×107 J，
期间消耗的电能ΔW＝W1－W0＝933.6 kW·h－932.2 kW·h＝1.4 kW·h＝5.04×106 J，
消耗的电功率P＝Δ????????＝5.04×106J2×3?600?s＝700 W，
该空气热水器的D＝????吸Δ????＝2.52×107J5.04×106J＝5；
?
(8)学习小组为了将题(7)中的加热时间缩短至80 min，需要启动水箱中的辅热器加热。若D值和电功率P(不含辅热器的电功率)均不变，辅热器两端的电压是220 V，加热效率是87.5%，则该辅热器中电阻丝的阻值为
　 　 Ω。?
24.2
解析　循环工作80 min消耗的电能W消耗＝Pt'＝700 W×80×60 s＝3.36×106 J，
太阳能提供的能量W太阳能＝DW消耗＝5×3.36×106 J＝1.68×107 J，
加热电阻提供的能量W电阻＝Q吸－W太阳能＝2.52×107 J－1.68×107 J＝0.84×107 J，
电阻消耗的能量W电阻'＝????电阻????＝0.84×107J87.5%＝9.6×106 J，
电阻的电功率P1＝????电阻′????′＝9.6×106J80×60?s＝2 000 W，
电阻的阻值R＝????2????1＝(220?V)22?000?W＝24.2 Ω；
?
【交流与评价】
(9)学习小组根据上述活动方案完成了“隔热节能房屋”的设计，请根据以下评价量表选择一个维度对该设计进行评价：　　　 。(需说明理由)?
见解析
{7DF18680-E054-41AD-8BC1-D1AEF772440D} 评价维度
合格
不合格
节能情况
能省电
不能省电
稳定性
供能稳定
供能不稳定
解析　节能情况：能省电能，在房屋屋顶安装太阳能电池板，电池板的面积设计合理可以满足家庭用电的需要，安装空气能热水器，也能大大降低电能的消耗。
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

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