21.2跨学科_能源的开发与利用（课件22页）2025-2026学年九年级物理全册沪科版（2024）

(共22张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：21.2 跨学科：能源的开发与利用
副标题：多学科协同的可持续发展之路
姓名：[你的名字]
日期：[具体日期]
幻灯片 2：课程导入
知识衔接：上节课我们学习了能量的转化与守恒定律，了解到能量在转化和转移过程中总量保持不变，但可利用的高品质能源却在不断减少。能源作为人类社会发展的重要物质基础，其开发与利用涉及多个学科的交叉协作。
跨学科视角：能源的开发需要物理学、化学、地质学等学科探索能源来源，利用过程则依赖工程学、材料科学、环境科学等学科提高效率、减少污染。这些学科如何协同作用？又面临哪些挑战？
学习目标：本节课我们将从跨学科角度分析传统能源与新能源的开发利用技术，探讨多学科在能源领域的应用，了解能源可持续发展的路径与未来趋势。
幻灯片 3：能源开发与利用的跨学科基础
物理学的核心作用：物理学为能源开发提供基础理论支撑，如研究太阳能的光电转换原理、风能的流体力学特性、核能的核反应机制等，指导能源转化装置的设计（如光伏电池、风力发电机）。
化学的关键贡献：化学在能源存储（如电池的电极材料研发、燃料电池的催化反应）、化石能源的清洁利用（如脱硫脱硝技术）、生物质能源的转化（如秸秆发酵制沼气）等方面发挥核心作用。
工程学的实践转化：机械工程、电气工程等将基础理论转化为实际设备，如设计高效的火力发电机组、电网传输系统、新能源发电站，实现能源的规模化开发与利用。
环境科学的保障作用：环境科学评估能源开发利用对生态的影响，研究污染治理技术（如碳排放捕捉），确保能源发展与环境保护的平衡，推动绿色能源体系建设。
幻灯片 4：传统能源的清洁化利用 —— 多学科协作案例
煤炭的清洁利用：
物理学与工程学：开发超临界机组提高燃煤效率，利用流体力学优化炉膛设计，减少能源浪费。
化学与材料科学：研发高效脱硫剂、脱硝催化剂，降低燃煤过程中二氧化硫、氮氧化物的排放；利用活性炭吸附技术去除粉尘和有毒气体。
环境科学与计算机科学：通过环境监测技术追踪污染物扩散，利用计算机模拟预测污染范围，制定针对性的减排方案。
石油与天然气的高效利用：
地质学与地球物理学：通过地震勘探技术精准定位油气资源，提高开采效率，减少资源浪费。
化学工程：优化原油炼制工艺，提高轻质油转化率；开发天然气液化技术（LNG），降低运输能耗与成本。
能源经济学：结合市场需求调整能源生产结构，推动天然气替代煤炭，减少碳排放。
幻灯片 5：新能源开发的跨学科突破 —— 太阳能
光伏发电技术：
物理学与材料科学：研究半导体材料（如硅、钙钛矿）的光电效应，开发高效光伏电池；通过纳米材料技术提高光吸收效率，降低材料成本。
电气工程与计算机科学：设计光伏阵列的最大功率跟踪系统（MPPT），通过智能算法优化发电量；开发储能与并网技术，解决太阳能的间歇性问题。
建筑学与工程学：将光伏板与建筑一体化（BIPV），如光伏幕墙、光伏屋顶，实现能源生产与建筑功能的融合。
光热发电技术：
热力学与机械工程：设计聚光镜系统聚焦太阳能，利用传热工质（如熔融盐）储存热量，通过汽轮机发电，实现连续稳定供电。
材料科学：研发耐高温、抗腐蚀的吸热材料和储热材料，提高能量转换与存储效率。
幻灯片 6：新能源开发的跨学科突破 —— 风能与水能
风能开发：
流体力学与机械工程：研究风轮机叶片的空气动力学特性，优化叶片形状（如变桨距设计），提高风能捕获效率；设计抗疲劳的塔架结构，适应复杂气象条件。
气象学与计算机科学：通过气象卫星数据和机器学习预测风速变化，优化风电场选址；开发远程监控系统，实现风电机组的智能化运维。
水能开发：
水文学与土木工程：评估流域水资源总量与径流特性，设计大坝与水轮机的匹配参数，在防洪、灌溉的同时实现水力发电。
生态学与环境科学：研究鱼类洄游通道设计、水库生态修复技术，减少水电站对水生生态系统的影响。
电气工程：开发抽水蓄能电站，利用电网低谷电量抽水储能，高峰时段发电调峰，提高电网稳定性。
幻灯片 7：能源存储技术的跨学科创新
电化学储能（电池技术）：
化学与材料科学：研发高容量电极材料（如锂离子电池的三元材料、磷酸铁锂）、高导电性电解质，提升电池能量密度与循环寿命。
物理学与工程学：研究电池充放电过程中的热效应，设计散热系统；开发电池管理系统（BMS），监控电池状态，防止过充过放。
物理储能技术：
机械工程与物理学：优化飞轮储能的转子结构，减少空气阻力和摩擦损耗；开发压缩空气储能的绝热系统，提高能量转换效率。
材料科学：研发高强度复合材料用于飞轮和储气罐，降低重量并提高安全性。
氢能储能：
化学工程：开发高效电解水制氢技术、氢燃料电池催化剂（如铂基催化剂的替代材料），降低氢生产与利用成本。
材料科学与安全工程：研发氢储存材料（如金属氢化物）和高压储氢罐，解决氢的安全储存与运输问题。
幻灯片 8：智能能源系统的跨学科融合
能源互联网：
计算机科学与信息技术：构建能源大数据平台，实时监测分布式能源（光伏、风电）的出力和用户负荷，通过人工智能算法实现能量优化调度。
电气工程与通信技术：开发智能电表、物联网传感器，实现能源消费的精准计量；利用 5G 通信技术保障能源数据的实时传输与设备远程控制。
需求侧响应：
经济学与社会学：设计分时电价机制，引导用户错峰用电；通过公众教育提升节能意识，推动能源消费行为优化。
自动化与控制工程：开发智能家居控制系统，实现家电设备的自动启停与功率调节，响应电网负荷变化。
幻灯片 9：能源开发利用的挑战与跨学科解决方案
挑战 1：能源结构转型：
解决方案：地质学与环境科学评估新能源资源潜力，经济学制定补贴政策推动可再生能源替代化石能源，材料科学加速储能技术突破以解决新能源间歇性问题。
挑战 2：环境污染与碳排放：
解决方案：化学工程开发碳捕捉与封存（CCS）技术，环境科学建立碳排放监测体系，物理学与工程学研发低碳工业技术（如氢能炼钢）。
挑战 3：能源安全与供应稳定：
解决方案：国际关系与能源战略研究多元化能源进口渠道，计算机科学构建能源网络安全防护系统，跨学科开发多能互补系统（风光储一体化）。
幻灯片 10：未来能源发展趋势 —— 跨学科引领的创新方向
核聚变能源：物理学研究可控核聚变反应（如托卡马克装置），材料科学研发耐高温等离子体约束材料，工程学设计核聚变发电系统，有望提供近乎无限的清洁能源。
人工光合作用：生物学与化学模拟自然光合作用，开发人工光合系统，将太阳能高效转化为燃料或化学品，实现碳循环利用。
纳米能源技术：材料科学与纳米技术开发微型能源收集器（如摩擦纳米发电机），为物联网设备提供自供能，减少电池更换需求。
负碳能源系统：环境科学、化学与工程学协同开发直接空气捕获（DAC）技术，结合生物质能源与碳封存（BECCS），实现能源生产与碳减排的双赢。
幻灯片 11：课堂练习
填空题：
能源开发与利用涉及多个学科，其中_____为能源转化提供理论基础，_____在能源存储和清洁利用中发挥核心作用，_____负责将理论转化为实际设备。
太阳能光伏技术的发展依赖_____对光电效应的研究和_____对高效半导体材料的研发。
智能能源系统中，_____构建能源大数据平台，_____实现设备远程控制和数据传输。
简答题：
举例说明材料科学在新能源开发与储能技术中的具体应用。
为什么说能源的可持续发展需要多学科的协同合作？结合本节课内容分析。
幻灯片 12：课堂小结
知识梳理：本节课从跨学科角度分析了能源开发与利用的基础，探讨了传统能源清洁化、新能源开发（太阳能、风能等）、能源存储技术、智能能源系统中的多学科应用，总结了能源领域的挑战及跨学科解决方案，展望了未来发展趋势。
核心要点：能源的开发与利用是物理学、化学、工程学、材料科学、环境科学等多学科协同的结果；跨学科创新是解决能源结构转型、环境污染、供应安全等问题的关键，推动能源体系向绿色化、智能化、可持续化发展。
幻灯片 13：课后作业
选择一种新能源（如风能、氢能），分析其开发利用过程中涉及的三个主要学科及其具体作用，撰写一篇 200 字左右的分析报告。
查阅资料，了解 “碳达峰、碳中和” 目标下，跨学科技术（如碳捕捉、新能源汽车）如何助力实现双碳目标，举例说明。
结合生活实际，提出一项基于跨学科知识的节能小方案（如家庭能源管理、校园节能改造），说明涉及的学科知识和实施步骤。
幻灯片 14：结束页
总结语：能源的开发与利用不仅是技术问题，更是多学科交叉融合的系统工程。从传统能源的清洁化到新能源的规模化，从能源存储的突破到智能系统的构建，每一步进步都离不开学科间的协同创新。
行动倡议：希望同学们能认识到跨学科学习的重要性，未来在能源领域或其他科技领域中，以开放的视野整合多学科知识，为构建可持续的能源体系、实现人与自然的和谐发展贡献力量！
2024沪科版物理九年级全册
21.2跨学科_能源的开发与利用
第二十一章 能源、材料与社会
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
能源危机日趋严重
怎么办？
面对日趋严重的能源危机，我们既要_____________，又要_______________。
树立节能观
开发新能源
哪些新能源具有广阔的前景？
探索新知
一、太阳能的开发和利用
优点：能量巨大、分布广泛、无污染、安全、经济。
缺点：能量分散、且又间断和不稳定。
太阳能的特点
太阳能的利用
太阳能储热
太阳能直接发电
太阳能储热
太阳能热水器、太阳能灶等
太阳能转变为热能
太阳能直接发电
太阳能电池、太阳能汽车等
太阳能转化为电能
二、核能
开发和利用核能的两种方式：
核裂变
核聚变
核裂变——较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。
原子弹爆炸的情况
不加控制的核裂变反应——原子弹爆炸
核聚变——较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种反应。
氢弹爆炸
核电站
三、地热能
地热
地球内部具有的热能称为地热能，是地球本身蕴藏的能量。
应用形式：地下热水、地热蒸气。
应用范围：发电、洗浴、取暖、灌溉等
西藏羊八井地热电站是我国最大的地热电站
四、潮汐能
潮汐能是由于地球和月球、太阳相互作用产生的能量。
涨潮时
退潮时
潮汐电站工作原理
浙江温岭江厦潮汐电站全国第一、世界第三
五、风能
风具有很大的能量，人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨谷……
风力发电
六、沼气能源
我国农村3/4人口使用草木燃料，造成了土壤肥力的下降，水土流失、土壤沙化等生态平衡遭破坏的现象，而且是对能源的极大浪费。
将人畜排泄物和作物秸秆等混合物投入沼气池内进行微生物发酵。可得到燃烧值高的沼气和有机肥料。
沼气的主要成分是什么？写出该成分在空气中燃烧的化学方程式。
沼气本身无色、无味，但沼气有一股蒜臭味为什么？
利用沼气还有哪些新方法？
6. (新情境题　2024·陕西中考)“玲珑一号”是我国研发的新一代小型核电机组，它利用如图所示的核反应释放的能量来发电。下列说法正确的是(　　)
A．该核反应是核裂变
B．太阳内部发生的也是这种核反应
C．核能属于可再生能源
D．原子核是由中子和电子组成的
A
2
3
4
5
6
7
8
1
9
7．电风扇通电后，扇叶旋转，一段时间后，电动机的外壳温度升高，则下列有关能量转化和守恒的说法正确的是(　　)
A．电能全部转化为机械能，总的能量守恒
B．电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒
C．电能全部转化为内能，总的能量守恒
D．电能转化为机械能和内能，机械能守恒
B
2
3
4
5
6
7
8
1
9
8．[2024·济宁中考]小球在摆动过程中(如图所示)，由于摩擦的存在，一部分机械能会转化为________，这部分能量不可能自动地再转化为机械能，如果没有能量的补充，小球最终会停止运动。研究表明，能量的总量保持不变，能量的转化与转移具有________性。
内能
2
3
4
5
6
7
8
1
9
方向
9．如图所示，小明将A、B两种不同的金属片分别插入柠檬，发光二极管发光。
(1)制作发光二极管的主要材料是________。
A．绝缘体 B．导体 C．半导体 D．超导体
(2)A金属片是柠檬电池的________(填“正”或“负”)极，若将二极管两极对调，它将不会发光，因为发光二极管具有________________。
C
2
3
4
5
6
7
8
1
9
负
单向导电性
谢谢观看！