22.3 跨学科实践：为节约能源设计方案（学案）

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【学习目标】
1. 了解家中的能源消耗
2. 选取家中某一个（或几个）物件进行能源消耗优化
3. 了解新能源汽车的发展
【自主学习】
一、项目提出
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？想为节能和环保作出贡献，可以先从优化自己家中能源的使用入手，制订出一个优化家庭能源使用的具体方案。
二、项目分析
要调查该项目涉及的能源使用情况，如家庭用电情况、天然气使用情况、汽车燃油使用情况等。这些数据可分别通过电力公司、燃气公司等的官网查询，或者通过缴费记录进行估算得出。收集数据进行分析，为后续的方案设计提供依据。
1. 调查家中能源的使用情况：调查家中能源的用途、类型，估算这些能源的消耗量。表1是某同学以自己的家庭为例，列出的能源使用的主要情况。
根据调查情况，可以了解家庭在一段时间内消耗能源的情况，估算每种用途的能源消耗量，确定哪些用途的能源消耗比较多。例如，现在家庭中的采暖、制冷、生活热水、交通等，都可能是家庭消费能源的主要方面。
2. 选取优化对象与确定改进方法：根据上面的调查结果，结合以下问题，思考如何选取优化对象，确定改进方法。
（1）根据实际的调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的。
（2）优化能源使用的方法不止一种。例如，可以在家中使用太阳能等新能源，也可以利用技术手段来提高现有能源的使用效率，还可以从自身做起，通过优化家庭用车等行为来节约能源、减少浪费。
3. 制订与检验设计方案：
方案一：为房屋加装保温层。
有一组同学在调查各自家中能源的使用情况后，认为除了可以在夏季制冷时适当调高空调温度、冬季采暖时调低暖气温度来节约能源，还可以对房屋进行改造来节约能源。这组同学制订方案的过程是：明确思路；选取材料；查阅资料。
方案二：为家庭用车提供建议。
另一组同学认为自己家中的燃油汽车消耗的能源较多，而且排放的尾气还污染环境。为此，他们想要调查新能源汽车能否替代自己家中的燃油汽车，以减少能源消耗，并对环境更加有益。
新能源汽车的分类：纯电动汽车（BEV）；插电式混合动力汽车（PHEV）；增程式电动汽车（EREV/REEV）
与传统燃油汽车相比：
纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等。推断当前纯电动汽车能否满足大部分需求，或能够满足哪些地域、场景的需求。
从能源安全的角度看，发展新能源汽车有助于减少对进口石油的依赖，保障国家能源供应稳定。例如，中国石油对外依存度较高，交通运输领域消耗的原油比例大，推广新能源汽车能优化能源结构，降低因国际局势波动带来的能源风险。 同时，新能源汽车与可再生能源结合，可提升能源利用效率，推动能源多元化发展。
【例1】随着我国人民生活水平的不断提高，汽车已进入寻常百姓家。汽车发动机的主要部分是汽油机，是把汽油燃烧放出的_________转化为机械能的装置。汽油机工作时，克服摩擦消耗的能量、机械传热损失的能量以及废气排出带走的能量，都不能再自动地用来驱动汽车，这是由于能量转化具有_________，而我们所能利用的能源是有限的，所以需要节约能源。
【例2】下列关于合理利用资源与节约能源的行为中，都正确的是（ ）
①手机充电完毕后，不及时拔下充电器 ②将废书报、饮料瓶等送到废品回收站 ③尽量使用一次性杯子
④夏天使用空调时，不要把温度设置得过低 ⑤用洗衣服的水冲厕所
A．①③⑤ B．②③④ C．②④⑤ D．①④⑤
【例3】小明进行了“节能房屋设计”跨学科实践活动。
(1)选取三种不同材料制成的房屋模型，除材料不同外，房屋模型其他条件相同。用白炽灯模拟太阳光，房屋模型与灯泡间距相等（如图甲），将温度传感器置于模型内相同位置，记录不同时间的温度并绘制出图像，如图乙所示。你会选择______做房屋的隔热材料，理由：___________________________________________。
(2)小明在屋顶铺设了面积为的太阳能电池板，其光电转化效率（将太阳能转换成电能的指标）为20%。按佛山市全年平均情况，电池板接收太阳辐射的等效平均功率密度约为，日均日照时间为4.7小时，则该电池板平均一天能接收太阳能______J，输出______J的电能。
(3)太阳能电池板和良好的房屋隔热设计，分别从“______”和“______”两个层面共同实现建筑节能降耗的理念。（以上两空选填“开源”或者“节流”）
【课后巩固】
1．气凝胶是一种多孔类似海绵结构的固体，如图所示，其具有高效吸音效果，对油渍有超快、超高的吸附能力，这种新材料的密度最小为，看似脆弱不堪，其实非常坚固，能承受高达1400℃的温度，且具有隔热性好、弹性好等特点。这种新材料不适合制造（ ）
A．消防服 B．厨房吸污毛巾 C．冰箱散热片 D．会场吸音板
2．21世纪人类社会正面临“能源危机”。节约能源，从我做起，下列说法正确的是（　　）
A．煤、石油、天然气属于可再生能源 B．电视机在待机状态下不消耗电能
C．用超导材料制造输电线可大大降低电能损耗 D．太阳的惊人能量来自核裂变
3．为了节约能源，我们应该养成随手关闭家里不必要使用的家用电器，每关闭一个家用电器，家庭电路里变小的物理量是（　　）
A．总电阻 B．总电压 C．总功率 D．总电功
4．开发新能源是21世纪人类关注的热点之一．除了开发新能源，我们还应该从节约身边的能源做起，图中符合节约能源且安全的做法是(　　)
A． B． C． D．
5．“低碳生活”是我们国家一直提倡的绿色发展理念，生活中常用的煤、石油、天然气、太阳能中，符合这一理念的能源是_____________________；请你提出一种为了节约能源的绿色出行方式：_________________________________。
6．随着生活水平的不断提高，家用电器种类越来越多，电能的消耗也逐渐增大。实践小组对家庭用电情况产生了研究兴趣，并进行了调查研究。
任务一：小组成员对各自家庭2022年下半年的用电情况进行了调研，并制作了所调查家庭下半年每月平均电费统计表，表格如下。（电费价格不变）
任务二：根据表中数据在图中绘制出“电费﹣月份”图像。分析图像可以获取的信息是 ______________（写出一条即可）；任务三：节约能源应从点滴做起，请你提出一条节约用电的措施 _______________________________（合理即可），并说明理由 __________________________________。
月份 7 8 9 10 11 12
电费/元 90 80 50 76 68 86
7．阅读短文，回答问题。
汽车的刹车系统
目前大多数汽车刹车采用油压制动，其原理是驾驶员踩下刹车踏板，向刹车总泵中的刹车油施加压力，通过管路传递到每个车轮刹车卡钳的活塞上，卡钳夹紧刹车盘从而产生巨大摩擦力令车辆减速。从时速100公里到静止可能只需要几秒而已，可见刹车系统承受着巨大的负荷。油压制动刹车时滑耗的动能最终被释放掉，形成了能源的浪费，为节约能源，现在的混合动力汽车采用再生制动器，它能把汽车刹车制动时消耗的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。储能效率是指汽车正常行驶时关闭发动机，直至汽车停止的过程中，通过发电机将动能转化为电能的效率。
（1）油压制动刹车在刹车过程中，将动能转化为 ___________，而再生制动器将动能转化为电能进行储存，此时蓄电池相当于电路中的 ___________；
（2）汽车在行驶过程中，很多部位会发热，如：①发动机外壳发烫；②轮胎发热；③刹车片发热；④水箱中的水变热，其中属于通过做功改变内能的是 ___________；
A．①②③④ B．②④ C．①③ D．②③
（3）测试时，汽车在大小为1000N的牵引力作用下，以25m/s的速度正常行驶100m。此过程中，汽车牵引力的功率为 ___________W。如果汽车在制动时产生恒定的刹车阻力为1.0×104N，该制动过程中汽车行驶的路程与时间的关系如图甲所示，则在0~0.5s内汽车克服刹车阻力所做的功为 ___________J；
（4）某次测试中，先让汽车正常行驶，然后关闭发动机，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与对应的速度大小v，计算出动能Ek，画出Ek随s变化的图像如图乙所示，则图中表示开启再生制动器的图线是 ___________，你的判断依据是 ___________；
（5）若汽车正常行驶时的动能为3.75×105J，某时刻关闭发动机，并同时开启再生制动器，由图像可知最终有 ___________的动能转化为内能。
（6）由图像可以求出此次测试中的储能效率为 ___________。
A．40% B．60% C．66.7% D．90%
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。试卷第1页，共3页
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【参考答案】
【例1】内能 方向性
【例2】C
【例3】(1) 泡沫板 相同时间内模型内温度上升越慢，隔热效果越好
(2) 2.0304×108 4.0608×108；(3) 开源 节流
课后巩固
基础过关
1．C
2．C
3．C
4．B
5．太阳能 见解析
6．9月份的用电量最低 用电器不用时不要处于待机状态 待机状态下用电器也会消耗电能
7．内能 用电器 D 2.5×104 1.0×105 ② 动能减少的速度加快 2.25×105 J A
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