21.2 跨学科：能源的开发与利用教学设计--物理沪科版9全册

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《21.2跨学科：能源的开发与利用》教学设计
课题 1.跨学科：能源的开发与利用 单元 21 学科 物理 年级 九
教材分析 沪科版九年级物理第21章第二节《跨学科能源的开发与利用》作为单元应用拓展模块，紧扣2022新课标跨学科与STSE教育理念，以下从多维度展开教材分析：1.内容结构：教材按“传统能源—新能源”的梯度组织内容，先讲化石能源的能量转化及环境影响，再介绍太阳能、风能等可再生能源的开发原理，最后讲解核能、氢能等新型能源的应用。且每个知识点都融合多学科知识，比如结合地理讲能源分布，结合化学讲化石燃料燃烧反应，结合物理原理讲太阳能光电转化、核裂变等，形成完整的“能源属性—开发技术—社会价值”知识链。2.教材地位：该节承接了八年级机械能、内能的知识，又为高中“能源与可持续发展”内容铺垫，是“能量规律—能源利用—材料支撑”认知进阶的关键环节。同时它关联第一章能量转化与守恒的理论基础，也为第三节材料利用提供了“能源依赖材料创新”的前置认知，让整个单元知识衔接紧密。3.教学重难点：重点是区分可再生与不可再生能源，掌握太阳能、核能等核心能源的开发利用原理，以及认识能源利用与环境的关系。难点在于引导学生整合物理、化学、地理等多学科知识分析能源开发中的复杂问题，比如核废料处理的技术难点、新能源布局的地理条件限制等，同时培养学生提出节能或新能源利用创新方案的能力。4.呈现特点：教材多结合生活与现实案例展开，比如太阳能热水器、秦山核电站等，降低抽象概念理解难度。同时预留较多实践空间，像可围绕“能源利用与环保”组织讨论，或设计不同能源转化效率对比实验，契合新课标对实践探究的重视，也让跨学科知识从理论落地到实际应用中。
2022新课标要求 下面是对2022新课标下初中物理“能源的开发和利用”的简单解读：1.知识要求更贴实际：要求学生能区分可再生能源和不可再生能源。2.同时要了解核能等新能源的特点及潜在问题，结合生活实例理解能源利用的原理。3.能从能源开发与利用的视角体会可持续发展的重要性。引导学生在生活中践行节能行为，同时了解我国新能源发展成就，增强为能源可持续发展做贡献的使命感。
学习目标与核心素养 1.物理观念（1）能列举常见的不可再生能源和可再生能源，知道核能的特点和核能利用可能带来的问题；（2）能从能源开发与利用的视角体会可持续发展的重要性。2.科学思维通过分析能源利用与环境问题，培养逻辑分析能力；能从能源开发利用实例中理解物理与社会发展的联系。3. 科学探究经历对不同新能源利用方式的资料收集，提升信息收集与整理能力；通过了解核能利用，学会思考安全与发展的关系。4. 科学态度与责任认识能源开发利用的重要性，增强节约能源和保护环境的意识；树立严谨科学态度，关注新能源发展，培养社会责任感。
学情分析 1.知识基础：掌握八年级机械能、内能，理解能量转化与守恒规律，具备基础物理探究能力；同时在化学、地理课中接触过化石燃料燃烧、能源分布等知识，为跨学科整合奠定基础。2.生活经验：对太阳能热水器、风能发电、加油站等能源应用场景有直观认知，关注新能源汽车、核能等热点话题，有探究兴趣。3.能力特点：九年级学生抽象思维初步形成，能进行简单的分析、归纳，但跨学科整合能力较弱，难以自主关联物理、化学、地理知识解读能源问题。
重点 通过实例分析，区分可再生能源与不可再生能源的概念及特点。 结合能源利用历史，理解核裂变与核聚变的基本原理及其应用。
难点 准确理解核裂变与核聚变的反应过程及能量释放原理。 辩证分析能源开发与环境保护之间的矛盾及解决措施。引导学生整合物理、化学、地理等多学科知识分析能源开发中的复杂问题，同时培养学生提出节能或新能源利用创新方案的能力。
材料准备 视频，ppt课件
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入我们生活离不开能源，传统的化石燃料的使用带来了哪些问题呢？”化石燃料燃烧导致空气污染、冰川融化，资源枯竭。那么人类有哪些解决能源危机的办法？怎样去发展新能源呢？下面我们学习与此有关的内容。 在老师的引导下思考人类有哪些解决能源危机的办法？怎样去发展新能源呢？ 本节课从跨学科视角探究 “能源的开发与利用”从环境问题与清洁解决方案的对比切入，引发认知冲突与社会责任感，自然引出课题。
讲授新课 一、人类对能源的利用1.能源:凡是能够提供能量的物质资源都可以称为能源。自然界中的部分能源2.能源的分类（1）可再生能源水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。（2）不可再生能源石油和煤炭是古代植物和动物的遗体在地层中经过一系列生物化学变化而生成的，与古生物化石有些相似，所以叫作化石能源。 煤炭 石油化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。知识拓展分类 概念实例 按照获 取方式 一次能源 可直接从自然界获得的能源 水能、化石能源、风能、太阳能、 地热能、核能、潮汐能等二次能源无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到的能源电、酒精、木炭、煤气、柴油、 液化气、沼气、氢气、汽油等 按照对环境的影 清洁能源 使用时对环境没有污染或污染较轻的能源 太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能污染能源使用时对环境污染较重的能源 煤、石油、柴薪等 按照人类 开发早晚常规能源人类已经利用多年的能源 煤、石油、天然气及水能等 新能源人类新近才开始利用的能源 核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等3.人类利用能源的历程（1）我国古代对能源的利用钻木取火是人类利用能源的历史上的第一次能源革命。火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。从利用自然火到利用人工火的转变，开启了以柴薪作为主要能源的时代。如图是我国古代对水能的利用，这是卧轮式水排，是中国古代将水能转化为机械能用于冶铁鼓风的核心装置，比欧洲同类水力鼓风技术早一千多年。人类对木材、水力、风力、畜力等自然能源的利用促进了人类文明的发展。（2）化石能源时代大约在 200 多年前，由于对煤的大量开采，人类利用能源的历史进入了一个崭新的时期。如图，18 世纪，用煤作燃料的蒸汽机的发明，带来了人类历史上的第一次工业革命，由此人类进入大工业生产的时代。（3）电气时代灯火辉煌的城市夜景19世纪，通过对电和磁的研究，人类找到了开发和利用能源的新途径，从此进入了电气时代。4. 能源的利用与环境污染能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏。（1）温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升、两极的冰雪融化、海平面上升、淹没沿海地区等不良影响。(2)酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，腐蚀建筑物，酸化土壤。（3）火力发电厂发电时所产生的“余热”会引起热污染。泄漏的石油污染海洋；工业和交通工具的废气笼罩在城市的上空也污染空气。 清理漂浮的石油 废气笼罩的城市视频：人类对能源的开发与利用二、开发核能与重视核安全1.核能的开发和利用的两种方式一种是利用核裂变释放能量；另一种是利用核聚变释放能量。 核裂变 核聚变（1）核裂变①定义：是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。铀原子核在中子的轰击下产生裂变的过程，每一个铀原子核的裂变会产生大量能量。②链式反应用中子轰击铀 235 原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系列铀核持续裂变, 并释放出大量核能，这就是裂变中的链式反应。1964 年我国第一颗原子弹爆炸原子弹就是利用核裂变的链式反应不加控制制成的。（2）核聚变较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种核反应，是产生核能的另一种方式。如图是氘核和氚核结合成为氦核的聚变过程，这种核反应会释放巨大的能量。利用核聚变也能制造核武器。氢弹就是利用核聚变原理制造的一种威力比原子弹还要大得多的核武器。1967年6月17日，中国第一颗氢弹爆炸成功，成为世界上第四个掌握氢弹技术的国家。2.核能发电以及优越点核能发电可缓解能源危机，是人们和平利用核能的一个重要方面。（1）核裂变发电现在核裂变发电技术已经成熟，秦山核电站是中国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核电站。广东大亚湾核电站大亚湾核电站，位于中国广东省深圳市龙岗区大鹏半岛，是中国大陆建成的第二座核电站，也是大陆首座使用国外技术和资金建设的核电站视频：可控核聚变的研究进展。思考讨论：利用核电站发电的优点和缺点有哪些？ （1）核电站发电的优点①少量核燃料即可释放巨大能量，燃料运输和储存成本远低于化石能源。②运行过程中几乎不排放二氧化碳、二氧化硫等温室气体和污染物，有助于缓解气候变化和空气污染。③不受季节、天气等自然因素影响，可24小时连续供电。④燃料储量相对充足：地球上铀、钍等核燃料储量，按现有核电发展速度可支撑使用上百年。（2）核电站的缺点 ①安全风险突出：一旦发生核泄漏（如切尔诺贝利、福岛事故），放射性物质会对生态和人体健康造成长期、严重危害。②产生的高放射性核废料半衰期极长，需特殊、永久的封存处理，技术要求高且存在潜在环境风险。③核电站对技术、材料、安全标准要求严苛，前期投资巨大，建设周期通常长达5-10年。④需远离人口密集区，且对地质、水文条件要求高，避免地震、洪水等自然灾害影响。三、开发新能源由于煤、石油、天然气等不可再生能源日渐枯竭， 而能源的需求量不断增加，现在人们不仅努力开发核能，而且不断探索对太阳能、风能、地热能、潮，汐能等新能源的开发。因此，寻找新能源成为人类可持续发展的重大课题。1.（1）光转化为电：太阳能电池太阳能是一种既相对清洁，又取之不尽的能源。目前，人们主要采用光转化为电、光转化为热的方式来开发、利用太阳能。 硅太阳能电池 砷化镓太阳能（2）采用光转化为热的方式可发电一种家庭常用的太阳能热水器采用光转化为热的方式可发电，也可供家庭用来取暖、加热生活用水。它工作的原理是: 太阳光的照射使加热管内水的温度上升， 由于热水的密度比冷水的小，管内热水不断上升并储存在储水箱上部； 同时，储水箱内温度较低的水下降到加热管， 通过水的不断对流，最终使得储水箱内水的温度升高。2.风能风能行船(1)风具有很大的能量这种能量可能会带来极大破坏, 也可利用风能为人类服务。例如：利用风能行船、抽水、磨谷等。新疆达坂城的风力发电场风能还可以用来发电，把风的动能转化为电能就是风力发电，风能是一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。3.地热能热能发电场地球内部蕴藏着大量的热，在有地热资源的 地方可开发和利用地热来发电。4. 潮汐能月球、太阳对地球的引力作用产生了潮汐。涨潮与落潮蕴藏着巨大的能量，这种能量可用来发电。涨潮时，海水汹涌而来，潮水从导流孔流入水库的同时推动水轮机转动，水轮机带动发电机发电。随着潮水的不断涌入，水库水位逐渐上涨，储存能量。落潮时，海水奔腾而去，水位陆续下降，水库的水流从导流孔流向大海，推动水轮机再次转动，水轮机又一次带动发电机发电。潮汐发电成本低、污染少，是一种很有发展潜力的新能源。5.氢能源更多的新能源在不断开发中。氢能源是人们关注的一种新能源, 氢燃烧的产物是水，没有任何污染，是目前公认的最清洁能源。氢燃料在航空航天、汽车中已有广泛应用。 学生知道能源分类。会列举可再生能源和不可再生能源了解能源的其它分类方法阅读课文聆听讲解了解人类利用能源的历程及各类能源特点阅读课文查阅资料，了解能源的利用与环境污染学生阅读课文聆听讲解知道核能开发方式、核电站原理及新能源种类。阅读课文了解核聚变观看视频可控核聚变的研究进展学生思考讨论：利用核电站发电的优点和缺点有哪些？并进行回答知道核能开发方式、新能源种类。阅读课文了解太阳能、风能、地热能、潮汐能、氢能源， 能区分可再生能源与不可再生能源；拓展学生知识面锻炼学上的归纳总结能力以及自主学习能力通过分析能源利用与环境问题，培养逻辑分析能力；能从能源开发利用实例中理解物理与社会发展的联系。掌握核能的开发和利用的两种方式，对链式反应的过程要基本知道核聚变核反应会释放巨大的能量比原子弹还要大得多的核武器。拓展学生的知识面拓展学生的思路锻炼学生的归纳总结能力关注新能源发展，培养社会责任感锻炼学生的自主学习能力以及归纳总结能力，让学生能够关注新能源发展，培养社会责任感
课堂练习 1．中国梦·小康梦，我国新农村建设如火如荼。许多村庄道路两侧安装了如图所示的太阳能路灯。下列与太阳能路灯有关的叙述中不正确的是（ ）A．太阳能是可再生能源B．硅电池板中的硅是半导体C．给金属灯柱涂漆是为了防止灯柱锈蚀D．硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的金属元素【答案】D【详解】A．太阳能可以源源不断的重复获取，属于可再生能源，故A正确，不符合题意；B．硅是常见的半导体材料，所以硅电池板中的硅是半导体，故B正确，不符合题意；C．给金属灯柱涂漆，隔绝了金属与空气中的氧气和水分接触，可以防止灯柱锈蚀，故C正确，不符合题意；D．硅是非金属材料，所以硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的非金属元素，故D错误，符合题意。故选D。2.关于能量和能源，下列说法正确的是（ ）A．煤、石油、天然气都是可再生能源B．电能是二次能源C．水力发电是将水的机械能转化为电能D．能量是守恒的，节约能源是没有意义的【答案】BC【详解】A．煤、石油、天然气等化学能源使用后短期内不可再生，因此都是不可再生能源，故A错误；B．电能通常由其他形式的能转化而来，是二次能源，故B正确；C．水力发电是将水的机械能转化为电能，即消耗机械能，得到电能，故C正确；D．能量是守恒的，但能量的转移和转化是有方向性的，节约能源意义重大，故D错误。故选BC。3.如图是郑州市周边新建道路两旁使用的太阳能LED照明路灯，太阳能是________（选填“可再生”或“不可再生”）能源，它是太阳内部氢原子核发生________（选填“裂变”或“聚变”）时释放出的能量。【答案】可再生 聚变【详解】[1][2]太阳能可以从自然界源源不断获取，因此属于可再生能源。核能的应用包括轻核聚变和重核裂变，太阳能是太阳内部氢原子核发生不可控的聚变时释放出的能量。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 跨学科：能源的开发与利用一、人类对能源的利用1.能源分类 （1）可再生能源：可再生能源：太阳能、风能等（2）不可再生能源：煤、石油、天然气等2.人类利用能源的历程（1）我国古代对能源的利用（2）化石能源时代（3）电气时代3.能源的利用与环境污染二、开发核能与重视核安全1. 核裂变①较重的原子核裂变为较轻的原子核。②链式反应2.核聚变：较轻的原子核结合成为较重的原子核3.核能发电以及优缺点三、开发新能源1.太阳能：光→电/热（热水器原理）2.风能：动能→电能（风力发电）3.地热能：地球内部热→发电4.潮汐能：涨落潮→水轮机发电5.氢能源：最清洁燃料（燃烧产物为水） 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解
1.能源分类
（1）可再生能源：太阳能、风能、水能、生物质能
（2）不可再生能源：煤、石油、天然气、
2.人类利用能源的历程（1）我国古代对能源的利用（2）化石能源时代（3）电气时代3.能源的利用与环境污染能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏。二、开发核能与重视核安全1. 核裂变①较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。②链式反应2.核聚变较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种核反应3.核能发电以及优缺点三、开发新能源1.太阳能：光→电/热（热水器原理）2.风能：动能→电能（风力发电）3.地热能：地球内部热→发电4.潮汐能：涨落潮→水轮机发电5.氢能源：最清洁燃料（燃烧产物为水） 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 推荐《蓝鹦鹉格鲁比科普故事：能源危机》，以卡通角色探险故事串联能源知识，把石油形成、核能应用等知识点融入情节，适配九年级学生的兴趣点，能轻松化解能源概念的抽象感。还有《探寻能源宝藏系列》，借“小油宝”卡通形象讲解石油开采、天然气利用等内容，还关联西气东输等现实工程，兼顾趣味性与实用性。
特色资源分析和技术手段说明 特色资源可查询网络视频例如：科普短视频：央视财经、科技日报等官方账号推出的能源主题短视频，比如讲解“华龙一号”核电站原理、光伏电站发电过程的内容。权威纪录片：《能源宇宙》《大国重器》相关篇章，前者梳理人类能源开发史，后者呈现我国新能源工程成就。这类纪录片既有科学原理讲解，又有家国情怀素材，既能深化学生对能源与社会关系的认知，还能契合课程的素养培养目标。
教学反思 本节课的核心是“跨学科”与“能源利用”，既要让学生掌握基础的能源知识，也要引导学生树立跨学科思维、节能意识。通过本节课教学，我深刻认识到，九年级物理教学需更贴合新课标素养要求，更关注学情差异，既要落实知识目标，也要兼顾能力与价值观的培养。后续教学中，需进一步优化跨学科教学设计，平衡“知识传授”与“能力培养”，兼顾不同层次学生的需求，让抽象的物理知识更贴近生活、更具实用性；同时，多挖掘生活中的教学素材，让学生真正体会“物理源于生活、用于生活”，激发学生学习物理的兴趣，落实核心素养的培养目标。
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