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第二十二章 能源与可持续发展
第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
人教版 物理 九年级 下册
　　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？想一想，怎样为节能和环保作出贡献。
1.能通过观察和记录，分析家庭中存在的能源浪费现象并归纳；可以针对家庭能源使用问题，设计具体节能方案。
2.理解个人节能行为对可持续发展的意义，树立节约资源、保护环境的责任感。
1.电视电脑、充电器长期不拔插头；
知识点 1
有关家中能源的节能项目调查
1.减少待机耗电，用带开关的插排，家中用电器停止使用时一键断电；
生活中的能源浪费现象：
2.白天开灯、人走不关灯等过度照明；
3.空调滥用，夏天温度调太低，冬天温度调太高，门窗不关 严。
为节能和环保提出解决方法：
2.优化空调的使用，控制使用温度，同时优化家中保温层维持温度，减少能源损耗。
调查家中能源的用途、类型，估算能源消耗量
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） 200m3 1000kW·h 500L
选取优化对象，确定改进方法
热水器：长期高温运行、管道未保温，可调低热水器温度，
避免反复加热。
天然气优化
采暖（耗气量最大）：改善房间保温效果，加强门窗密封
做饭：燃气燃烧不充分会造成浪费，可以使用节能炉灶调整火
焰至蓝色稳定状态，以充分利用能源
如果使用天然气取暖炉，假设房屋面积为80m2，采暖时间为90天，每天运行10小时，一天将消耗约6m3的天然气，未集中供暖的地区，一个家庭在冬天可能消耗约500m3的天然气。
选取优化对象，确定改进方法
电能优化
空调制冷或制热（耗电量巨大）：温度设置应避免过低或过高，
做好房间保温措施
家电待机耗电：使用带开关插排，在用电器不工作时实行彻底
断电
空调每调高1℃（夏）或调低1℃（冬）可省电6%~8%。
空调通常标有设备能效：一级能效空调比三级省电20%~30%。
选取优化对象，确定改进方法
汽油优化
出行方式：步行、骑行、公共交通等绿色出行方式替代短途开车
注意车辆维护，减少因轮胎气压不足、发动机未保养造成的能源额外损耗
有条件的情况下尝试替换燃油车为新能源汽车，更加环保节能
项目流程：
确定方案
明确思路：减少房间与外界热传递，加装保温层
选取保温材料
知识点 2
为房屋加装保温层
制作模型与测试
效果评估
→
→
→
→
材料的保温性能通常与其厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积以及外界温度等有关，同时，还要考虑材料的环保性、价格、耐火性及是否容易安装等因素。
部分保温材料评估表
材料 热导率（W/m·K） 环保性 价格 耐火性 安装 难度 其他特点
岩棉 0.034~0.040 含可回收材料 中高 A级不燃 中 隔音好，需要防潮
硬泡沫塑料 0.028~0.035 难降解 中 B1级阻燃 易 轻便，易切割，但高温有毒
聚苯乙烯 0.033~0.038 白色污染 低 易燃 易 价格低，需防火处理
锯木屑 0.05~0.07 天然材料 低 易燃 难 需干燥防霉，适合填充缝隙
棉花 0.04~0.06 天然材料 中高 易燃 中 需压缩填充，易虫蛀
铝 200+ 可回收 高 不燃 易 仅反射热辐射，需搭配其他材料
空气层 0.024 天然材料 极低 不燃 难 需密封防对流，常作辅助层
保温材料部分位置安装表
位置 所需材料 安装尺寸 处理方式 备注
外墙 岩棉 厚度50~100mm 外贴或内嵌于墙体，接缝处用铝箔胶带密封 优先选择A级防火材料，施工时注意避免材料受潮
天花板 铝箔+空气 铝箔于屋顶间隙20~50mm 贴于屋顶下方 铝箔需保持平整以减少热辐射
窗户 双层中空玻璃+密封条 玻璃厚5~6mm；中空12~16mm 更换原有单层玻璃，窗框加装密封胶条 冬季可贴临时保温膜
管道 橡塑保温棉 厚度：15~25mm；内径匹配管道尺寸 包裹管道并用铝箔胶带固定 弯头处要加强保温；避免阳光直射（防老化）
知识点 3
为家庭用车提供建议
项目流程：
提出建议
提出问题：新能源汽车能否代替家中燃油车
调查和论证：新能源汽车的种类、能耗、适用场景等
形成报告
→
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→
新能源汽车的种类
种类 动力来源 主要优势
纯电动汽车（BEV） 电池供电 零排放、低噪音、维护简单
混合动力汽车（HEV） 燃油+电池（不自充电） 油耗低、无需充电
插电式混合动力汽车（PHEV） 燃油+电池（可外接充电） 纯电模式经济、无里程焦虑
燃料电池电动汽车（FCEV） 氢气燃料电池 加氢快、续航长、零污染
新能源汽车与传统燃油汽车的比较
1.百公里能耗：纯电动车15~20度电；燃油车6~10升汽油，电动车能耗仅为燃油车的1/3。（1升汽油≈9度电）
2.汽油、电力生产过程中的效率：电力经过发电、输电、充电三个环节，主要浪费源于发电厂废热（50%以上），总效率为40%~50%；汽油经过原油开采、运输、炼油、运输、加油站等环节，主要浪费源于炼油损耗（30%以上）和发动机热损失（60%以上），总效率为15%~20%。
新能源汽车与传统燃油汽车的比较
3.汽车生产阶段的能耗：纯电动车主要耗能点为电池生产过程，如锂、钴、镍等矿物原料的开采，碳排放量为10~
15吨CO2；燃油车主要耗能点为发动机和变速箱的制造，碳排放量为5~8吨CO2。
新能源汽车与日常使用需要
种类 适用场景 主要局限
纯电动汽车（BEV） 30~50公里的城市通勤、短途出行 续航有限、充电时间长，需要固定充电桩，更适合南方气候温暖城市
混合动力汽车（HEV） 经常堵车的城市路段，北方寒冷地区，没法安装充电桩的家庭 纯电续航极短，需要定期加油
插电式混合动力汽车（PHEV） 日常通勤50公里内或偶尔长途旅行，充电桩较少，温差大的中部地区 成本高、自身重大
燃料电池电动汽车（FCEV） 对环保有特殊要求的特定区域、对续航有极高要求的特殊用途 基础设施不足、成本高
促进新能源汽车发展的因素
1.能源因素：减少石油等化石能源的使用，有利于环保；电动车使用的电池可以通过很多方式产生，如煤、水、风、太阳、核能等，来源丰富。
2.产业因素：利于汽车产业实现“弯道超车”，传统燃油车多为外国企业，但国产电动汽车目前在世界范围内愈发受到欢迎。
3.新技术因素：新能源车需要更好的电池、更智能的系统等，可以同步促进其他产业技术的发展。
新能源汽车发展面临的挑战
新能源汽车目前仍然面临一些挑战，如锂钴镍等电池材料的开采和回收、续航能力有待提高和基础设施尚需完善等。
但是随着能源结构向可再生能源转型和电池技术的持续进步，新能源汽车的使用终将成为应对空气污染的重要解决方案。
1.我国大力推广新能源汽车，主要是为了减少（ ）
A.噪声污染 B.大气污染
C.光污染 D.水污染
B
基础巩固题
2.为了实现家庭节能，小明家买了一台太阳能热水
器，如图甲所示。经查阅资料发现，真空管是太阳
能热水器的核心部件，真空管的内玻璃管表面上涂
有吸收涂层，用来吸收太阳辐射。对于太阳能热水
器内水吸收热量的多少与什么因素有关，小明做出了如下猜想：
猜想一：热水器内水吸收的热量多少与环境温度有关。
猜想二：热水器内水吸收的热量多少与光照强度有关。
猜想三：热水器内水吸收的热量多少与真空管的材料有关。
能力提升题
（1）阳光照射装有水的真空管，是通过 方式使水的内能 （选填“增大”或“减小”）的。
（2）小明为了验证猜想一，应取两根完全相同的真空管，分别装入 、 均相同的水，面对太阳光放入光照强度相同但温度不同的环境中，经过相同时间后测量水温，进行比较。
（3）小明联系实际，想到夏天如果阳光很弱，一段时间后，热水器（装满水）内水温度变化较小，而冬天如果阳光很强，相同时间后，热水器（装满水）内水温变化较大。于是他得出结论：热水器内水吸收热量的多少与光照强度 （选填“有关”或“无关”）。
热传递
增大
质量
初温
有关
（4）在探究猜想三的实验中，小明找到了三根外形相同但材料不同的真空管、白炽灯、三支相同的温度计，设计了如
图乙所示的实验装置。给真空管内灌满水，并将温
度计封在各真空管内，在桌面上将真空管均匀摆放
在所画圆的圆周上，白炽灯沿圆的中心轴线悬挂。
每隔相同的时间记录温度计的示数，得到的实验数
据如下表所示。
热传递
增大
材料 初温/℃ 20min后的水温/℃ 40min后的水温/℃ 60min后的水温/℃
普通管 12 14 17 19
三高管 12 16 19 22
紫金管 12 18 23 28
（4）利用该实验装置的好处是_____________________________
。
分析表中数据，为了更好地利用太阳能，你建议小明家选择真空管中的 （填表格中的材料名称）制成的热水器。
紫金管
能保证白炽灯提供给每个真空管
的光照强度相同
解析：根据表中数据可知，在其他条件相同时，紫金管制成的热水器中的水升温更高，根据Q=cm△t可知，紫金管制成的热水器吸热最多。
3.新能源汽车作为一种以清洁能源驱动的交通工具，可以减少传统燃油汽车对化石燃料的使用，提高能源
系统的可持续性和稳定性。为节约能源，
某汽车采用再生制动器，开启时它把汽车
刹车制动时消耗的一部分动能转化为电能
储存在蓄电池中，同时产生汽车所需的制
动力，从而有效减少了汽车的燃油消耗和
制动器摩擦片的磨损。
能力提升题
（1）检修汽车同侧的前后两个转向灯时，司机会拨动转向横杆，该横杆相当于电路中的 ；若拨动横杆后发现其中一个灯损坏，另一个灯正常发光，说明这两个灯是 （选填“串联” 或“并联” ）的。
（2）关闭发动机后，分别测出开启和关闭
再生制动器两种情况下，汽车通过的路程
s与对应的动能E，画出了对应的E-s图像，
如图乙所示，则表示开启再生制动器的图
线是 （选填“①”或“②”）。
开关
并联
②
解析：关闭发动机后，关闭再生制动器，汽车克服摩擦力做功，动能全部转化为内能，开启再生制动器，有部分动能转化为电能，克服摩擦力做功的能量减少，摩擦力大小不变，因此汽车运动的距离减小，所以表示开启再生制动器的图线是②。
（3）据悉该车将采用能量密度为180W·h/kg的刀片电池，若一块刀片电池的质量为3.8kg，这块汽车电池由100块刀片电池组成，该车充电时电压为600V，汽车电池在没电时开始充电，12h可充满电，则充电时的电流为 A。
9.5
（4）传统燃油车需要消耗石油，石油属于不可再生能源，与传统燃油车相比，新能源汽车的优点是 。
节能环保
解析：该电池组充满电时储存的电能W=180W·h/kg×3.8kg×100=68.4kW·h
=2.4624×108J，由公式W=Uit可知，充电时的电流I=。
为节约能源设计方案
调查家中能源
调查家中用车
选择优化对象——为房屋加装保温层
比较新能源汽车与燃油汽车
作业
内容
自主安排
配套练习册练习

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