6.4 跨学科实践_半导体与光伏发电--2025-2026学年2024教科版物理九年级全册教学同步课件（22页PPT）

(共22张PPT)
6.4 跨学科实践_半导体与光伏发电
第6章 电功率
教科2024版物理九年级全册【精做课件】
授课教师：********
班 级：********
时 间：********
6.4 跨学科实践_半导体与光伏发电教案
一、教学目标
（一）知识与技能目标
学生能够清晰阐述半导体的基本特性，理解半导体材料在导电性能上区别于导体和绝缘体的原因，掌握常见半导体材料的种类及其应用领域。
深入理解光伏发电的原理，熟悉太阳能电池板的基本结构和工作流程，能够准确解释光子激发电子产生电流的过程，以及直流电转化为交流电的方法。
学会运用物理、化学、数学等学科知识，分析半导体与光伏发电过程中的能量转化、材料特性、效率计算等问题，具备初步的跨学科知识应用能力。
（二）过程与方法目标
通过跨学科知识的整合与应用，培养学生综合运用多学科知识解决实际问题的能力，提高学生分析问题和逻辑推理的能力。
在实践探究活动中，引导学生经历提出问题、设计方案、动手操作、收集数据、分析结论的科学探究过程，培养学生的实践操作能力和创新思维能力。
通过小组合作学习，锻炼学生的团队协作能力和沟通交流能力，让学生学会在团队中发挥各自优势，共同完成实践任务。
（三）情感态度与价值观目标
激发学生对半导体与光伏发电技术的探究兴趣，让学生感受跨学科知识在解决能源问题中的重要作用，增强学生学习科学知识的积极性和主动性。
在实践过程中，培养学生严谨的科学态度和实事求是的科学精神，使学生养成认真观察、仔细记录、规范操作的良好习惯。
通过了解光伏发电对可持续发展的意义，引导学生树立环保意识和社会责任感，激发学生利用科学技术改善生活、保护环境的使命感。
二、教学重难点
（一）教学重点
半导体的特性及其在光伏发电中的作用。
光伏发电的原理和基本流程。
开展跨学科实践活动，运用多学科知识分析和解决与半导体、光伏发电相关的实际问题。
（二）教学难点
理解半导体材料的微观结构与导电特性之间的关系，以及光子激发电子产生电流的微观过程。
综合运用物理、化学、数学等多学科知识，解决半导体与光伏发电实践中的复杂问题，如计算光伏发电效率、分析材料性能对发电效果的影响等。
设计并实施具有创新性和可行性的跨学科实践方案，培养学生的创新思维和实践能力。
三、教学方法
讲授法：系统讲解半导体和光伏发电的基本概念、原理和知识，为学生的实践探究奠定理论基础。
讨论法：组织学生分组讨论跨学科问题，如半导体材料的选择依据、提高光伏发电效率的方法等，促进学生之间的思想交流和知识碰撞。
实践探究法：安排学生进行实践操作，如组装简易太阳能发电装置、测试不同条件下的发电效果等，让学生在实践中深化对知识的理解和应用。
多媒体演示法：利用图片、视频、动画等多媒体资源，直观展示半导体的微观结构、光伏发电的过程等抽象内容，增强教学的直观性和趣味性。
案例分析法：引入实际生活中的半导体和光伏发电应用案例，如太阳能路灯、太阳能汽车等，引导学生运用所学知识进行分析和评价。
四、教学过程
（一）情境导入（5 分钟）
视频展示：播放一段关于全球能源危机以及太阳能作为清洁能源广泛应用的视频，视频中展示太阳能电站、太阳能热水器、太阳能计算器等应用场景。
问题引导：教师提问：“在能源需求日益增长的今天，太阳能为什么能成为备受关注的清洁能源？它是如何转化为我们日常生活中使用的电能的？这其中又涉及哪些神奇的材料和技术呢？” 引发学生的思考和好奇心，从而导入本节课的主题 —— 半导体与光伏发电（板书课题：6.4 跨学科实践_半导体与光伏发电）。
（二）知识讲解（20 分钟）
1. 半导体的特性与应用（10 分钟）
概念讲解：教师讲解半导体的概念，指出半导体是一种其导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。通过与导体（如铜、铝）和绝缘体（如橡胶、塑料）对比，说明半导体在不同条件下（如温度、光照、掺杂等）导电性能会发生显著变化的特性。
微观结构分析：利用多媒体动画展示半导体材料（如硅、锗）的原子结构，讲解晶体结构中电子的分布和运动情况，解释本征半导体和掺杂半导体的区别，以及掺杂如何改变半导体的导电性能。
应用实例介绍：展示半导体在日常生活和科技领域的广泛应用，如集成电路（芯片）、二极管、三极管等电子元件，以及半导体传感器在温度、湿度、光线检测中的应用，让学生了解半导体材料的重要性。
2. 光伏发电的原理与流程（10 分钟）
原理讲解：通过动画演示和示意图，详细讲解光伏发电的原理。当太阳光照射到太阳能电池板上时，光子撞击半导体材料中的原子，使电子获得能量而逸出，形成电子 - 空穴对。在电池板内建电场的作用下，电子和空穴分别向电池板的两端移动，从而产生直流电。
结构与流程介绍：展示太阳能电池板的结构组成，包括硅片、透明导电膜、电极等部分，讲解各部分的作用。介绍光伏发电系统的基本组成，包括太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器等设备，以及直流电通过逆变器转化为交流电供用户使用的流程。
能量转化分析：引导学生运用物理知识分析光伏发电过程中的能量转化，从太阳能转化为电能，再到电能的存储和使用，帮助学生理解能量守恒定律在其中的应用。
（三）跨学科实践探究（30 分钟）
实践任务布置：教师提出实践任务，如 “设计并组装一个简易太阳能发电装置，测试其在不同光照条件下的发电效果，并分析影响发电效率的因素”。将学生分成小组，每组 4 - 5 人，明确小组成员的分工，如组长负责组织协调，材料员负责领取和管理实验材料，操作员负责组装和操作装置，记录员负责记录实验数据，观察员负责监督实验过程和检查数据准确性。
方案设计讨论：各小组根据实践任务，结合所学的物理、化学、数学等知识，讨论并设计实验方案。例如，在选择半导体材料时，考虑材料的光电转换效率和成本；在计算发电效率时，运用数学公式进行能量的计算和分析。教师巡视各小组，参与讨论并给予适当的指导和建议，帮助学生完善实验方案。
实践操作与数据收集：学生按照实验方案进行实践操作，组装简易太阳能发电装置。在操作过程中，教师提醒学生注意安全，规范使用实验器材。学生在不同光照条件下（如室内灯光、室外阳光、不同时间段的阳光等）测试装置的发电效果，记录电压、电流等数据。
数据分析与结论总结：实验结束后，各小组对收集的数据进行分析处理，绘制图表展示光照强度与发电电压、电流之间的关系。通过数据分析，讨论影响光伏发电效率的因素，如光照强度、半导体材料性能、电池板角度等。各小组派代表汇报实验结果和结论，分享实验过程中的收获和遇到的问题及解决方法。
（四）拓展延伸（10 分钟）
案例分析讨论：教师展示一些实际的半导体与光伏发电应用案例，如大型太阳能电站的建设与运营、太阳能汽车的研发等，引导学生从跨学科的角度分析案例中的技术问题、经济成本、环境效益等。组织学生进行小组讨论，鼓励学生提出自己的观点和建议，培养学生综合分析问题的能力。
未来展望引导：引导学生思考半导体与光伏发电技术的未来发展趋势，如新型半导体材料的研发、提高光电转换效率的新技术、光伏发电与其他能源的结合应用等。鼓励学生发挥想象力，提出自己对未来能源发展的设想和创新想法，激发学生的创新思维和对科学技术的探索热情。
（五）课堂小结（5 分钟）
知识回顾：与学生一起回顾本节课的主要内容，包括半导体的特性与应用、光伏发电的原理与流程，以及跨学科实践探究中获得的知识和结论，强化学生对重点知识的记忆。
方法总结：总结跨学科实践活动中运用的科学探究方法、多学科知识整合的思路和方法，帮助学生掌握跨学科学习和解决问题的策略。
情感升华：强调半导体与光伏发电技术对解决能源问题和环境保护的重要意义，鼓励学生在今后的学习和生活中，关注能源问题，积极探索科学知识，为可持续发展贡献自己的力量。
（六）作业布置（5 分钟）
书面作业：布置一些与半导体和光伏发电相关的跨学科作业题，如让学生运用物理知识计算特定条件下太阳能电池板的发电功率，运用化学知识分析不同半导体材料的化学稳定性对发电效果的影响等，加深学生对知识的理解和应用。
实践作业：让学生利用课余时间观察生活中的光伏发电应用实例，如小区的太阳能路灯、太阳能充电器等，记录其工作情况和特点，思考如何进一步改进和优化这些应用，下节课进行分享和交流。
五、教学反思
在本节课的教学过程中，密切关注学生在跨学科知识学习和实践探究中的表现，通过课堂讨论、实践操作、作业完成等情况及时了解学生的学习效果。对于学生在理解半导体微观结构、运用多学科知识解决问题等方面存在的困难，深入分析原因，调整教学方法和策略。例如，针对半导体微观结构抽象难懂的问题，增加更多的动画演示和类比讲解；对于跨学科知识应用不熟练的情况，设计更多的综合性练习题和实践任务进行强化训练。同时，根据学生的反馈和教学效果评估教学目标的达成度，总结教学经验，为今后的跨学科教学改进提供依据，不断提高教学质量和学生的跨学科素养。
5
课堂检测
4
新知讲解
6
变式训练
7
中考考法
8
小结梳理
学习目录
1
复习引入
2
新知讲解
3
典例讲解
1.能区分用电器的额定功率与实际功率，能从说明书或铭牌上了解家用电器的额定功率。
2.会比较小灯泡的亮度，会用伏安法测小灯泡的电功率。
不同的灯泡为什么亮度不同？每个灯泡上都有铭牌，铭牌上的数字都有什么物理意义？
【实验】取一个标有“3.8 V 1.5 W”的电灯泡。把它接在3.8 V的电路中，它正常发光。再分别把它接在2 V和4 V的电路中，观察并比较它们的亮度。
【现象】
在低于3.8 V 时，灯泡发光暗淡；
在高于3.8 V 时，灯泡强烈发光，甚至灯泡烧坏。
【结论】
用电器消耗电功率随着它两端电压的改变而改变。
【额定电压 U实】实际加在用电器两端的电压。
【额定功率 P实】用电器在实际电压下工作时的功率。
【额定电压 U额】用电器正常工作时的电压。
【额定功率 P额】用电器在额定电压下工作时的功率。
正
常
工
作
实
际
工
作
【特别注意】
用电器的额定功率只有一个，而实际功率有很多个。
U实 = U额，则 P实 = P额：用电器正常工作。
U实 > U额，则 P实 > P额：可能烧毁用电器。
U实 < U额，则 P实 < P额：用电器不能正常工作。
【观察用电器的铭牌，理解其中的含义】
PZ表示普通照明；
220 V是它的______电压；
100 W是_______功率，是该灯泡在_______V工作时的电功率。
额定
额定
220
【观察用电器的铭牌，理解其中的含义】
1. 电流在灯丝中无论沿什么
方向流动都能使其发光，但是由_______
（填“半导体”或“超导体”）材料做成
的发光二极管（简称 灯），只能让
电
半导体
单向导电
流从一个方向流过，也就是发光二极管具有__________性。
如图所示的电路中灯泡发光，可据此推断出导线中电流方向
为 ___（填“”或“ ”）。
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2. 阅读材料，回答问题。
光伏发电
光伏发电在我国能源领域占据重
要地位。光伏发电简易原理如图，电池板上具有大量的不稳
定电子，当太阳光照射到电池板上时，这些电子获得能量会
定向移动形成电流，电流通过控制器和逆变器就可以供我们
生产生活所用。但光伏发电受环境影响较大，阴影遮挡是最
常见的环境影响之一。
（1）电池板中有两层纯硅掺杂形成的
材料（如图），其中电极1相当于电源
的____极（在电源内部电流的方向是
负
C
从电源的负极流向正极）；电池板的外壳材料选择也有较高
要求，其中下列性质不是外壳材料所需具备的是___
（填字母）。
A.良好的导热性B.良好的透光性
C.良好的导电性D.良好的耐磨性
（2）若电池板每小时输出的电能是 ，则每小时
输出的电能相当于节省了______ 的煤。（假设煤完全燃烧，
煤的热值取 ）
0.072
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3. 阅读短文，回答问题。
光伏发电
光伏发电是利用半导体界面的
光生伏特效应，将光能转化为电能
的一种技术。通常其工作系统主要
由太阳能电池、控制器（未画出）和蓄电池等部分组成，简
化电路如图所示。
当太阳光照射太阳能电池发电
时，控制器发射控制信号将开关
闭合、 断开，太阳能电池向蓄电
池充电；当控制信号将开关 断
开、 闭合时，蓄电池向外供电。
“光—电转化效率”是太阳能电
池的一个关键参数指标，所谓“光—
电转化效率”，简单理解就是指太阳
能电池将辐射到它表面的光能转化
成电能的效率，可以用太阳能电池
产生的电能除以太阳能电池接收到
的太阳能来计算。目前实际应用中，
单晶硅太阳能电池转化效率较高，
投入使用时的效率可达到 。
近年来我国光伏发电累计装机
容量不断增长，到2020年装机容量
已达到 ，未来太阳能
光伏发电技术将会持续突破，拥有
广阔的发展前景。
（1）光伏发电是将光能转化为____
能。
电
（2）控制信号将图中开关 闭合、
断开时，电路中的电源是 ______
_______。
太阳能电池
（3）如果在太阳照射条件较好的天
气里，用 表示一段时间内太阳能
电池产生的电能，用 表示在这段
时间内太阳能电池接收到的太阳能，
则该太阳能电池的“光——电转化效
率”的表达式为 ___。
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定义 说明
额定电压 用电器正常工作时的电压 用电器铭牌上标定的电压值就是额定电压，常用 表示
额定电流 用电器正常工作时的电流 用电器铭牌上标定的电流值就是额定电压，常用 表示
额定功率 用电器正常工作时的电功率 用电器铭牌上标定的电功率就是额定功率，常用 表示
实际电压 用电器实际工作环境下的电压 可能与额定电压相同，也可能不相等，常用 表示
实际功率 用电器实际工作中的电功率 可能与额定功率相同，也可能不相等，常用 表示
谢谢观看！