Модуль 23. Методика преподавания и лабораторный практикум по физическим основам энергоэффективности и энергосбережения (стр. 1 )

Модуль 23. Методика преподавания и лабораторный практикум по физическим основам энергоэффективности и энергосбережения

Данная работа представляет собой описание лабораторных работ по курсу «Естественнонаучные, мировоззренческие основы и методическое обеспечение преподавания энергосбережения в общеобразовательных учреждениях». Цель практикума - дать наглядное представление о возможностях эффективного использования энергии возобновляемых источников энергии в различных областях деятельности человека.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с учебным планом и программой курса.

ПРАКТИКУМ

(16 часов)

Введение для учителей

Занятие проводятся в лаборатории, оснащенной оборудованием, необходимым для проведения лабораторного практикума.

Задание на лабораторное занятие:

1. Ознакомиться с приведенным ниже описанием.

2. Выполнить самостоятельно лабораторную работу.

3. Подготовить отчет о выполнении лабораторной работы, включающий расчеты и выводы.

Выполнение лабораторных работ может быть индивидуальным или одинаковым для подгруппы (нескольких человек).

Лабораторная работа № 1. Изучение парникового эффекта (2часа)

Краткая теория

Невозобновляемые энергоисточники, находящиеся в земле (нефть, газ, уголь), содержат большое количество углерода. Когда мы сжигаем невозобновляемое топливо, углерод выбрасывается в атмосферу в виде углекислого газа. Это влечет за собой увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере.

Если же рост запасов биотоплива будет равен его потреблению, то увеличения содержания углекислого газа в атмосфере не произойдет, потому что в процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ.

Таким образом, увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере вызвано только сгоранием невозобновляемого топлива.

Возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает так называемый “парниковый эффект”, который, как полагают многие ученые, является серьезной угрозой человечеству.

В солнечных лучах, доходящих до нас, есть короткие и длинные электромагнитные волны. Короткие – это свет, длинные – это тепловое излучение. Стекло легко пропускает короткие волны (свет), но плохо пропускает длинноволновое (тепловое) излучение. В банке с алюминиевой фольгой лучи отражаются от металла. Длина волн остается неизменной, и они покидают банку так же легко, как и вошли в нее. В банке с черной картонкой лучи поглощаются самой картонкой. Солнечная энергия нагревает картонку, её температура повышается. Нагретая черная картонка сама излучает энергию, но длина волны у этих лучей больше, чем у солнечных лучей и они не могут выйти наружу через стекло. Энергия теплового излучения остается в банке, увеличивая температуру воздуха в ней.

Таким же образом действует атмосфера Земли. Она хорошо пропускает солнечную энергию, которая приходит к нам в основном в виде света. Эта энергия используется на Земле и превращается в другие виды энергии. Земля же излучает тепловую энергию, которая задерживается атмосферой и не покидает Землю.

Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления: не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу?

Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов. Деятельность человека столь грандиозна по размаху, что уже приобрела глобальный природообразующий масштаб. До сих пор мы по преимуществу искали, как можно больше взять у природы. И поиск в этом направлении будет продолжаться. Но наступает пора столь же целеустремленно поработать и над тем, как отдать природе то, что мы у нее забираем. Нет сомнения, что гений человечества способен решить и эту грандиозную задачу.

Прогнозы. Ближайшие десятилетия, по-видимому, сохранится общая тенденция потепления климата, которое в последнее десятилетие составило примерно 0,2 градуса за десятилетие. А вообще за последние 100 лет средняя глобальная температура повысилась на 0,74 градуса. Это достаточно большая величина. При этом можно говорить о том, что потепление ускоряется, и к концу XXI века, в зависимости от сценариев развития человечества, от того, как человечество будет развиваться экономически, демографически и так далее, существует некий разброс оценок - от сравнительно небольшого 1,8 градуса Цельсия, это такой мягкий сценарий развития человечества, до в среднем 4,6 градуса, это уже очень серьезно. Цифра 4,6 - это верхняя граница разброса, это уж совсем пессимистический прогноз, ну и соответственно чрезвычайно опасная ситуация [1].

Описание лабораторной установки

Для моделирования парникового эффекта используются два сосуда в виде банки с закручивающейся крышкой и два термометра с одинаковой шкалой, таких, чтобы они могли уместиться в банке.

В первой банке устанавливается кусочек черного матового картона, который закроет примерно половину банки внутри. Термометр в банке должен находиться в затемненной стороне от картонки.

Рис. 1.1. Описание лабораторной установки

В другой банке находится алюминиевая фольга точно так же, как черную картонку в первой банке. Термометр также должен находиться в затемненной стороне от фольги.

Поставьте банки друг возле друга на открытом солнце. Поместите их на что-нибудь, что может служить в качестве теплоизоляционного материала, например, на книгу. Термометры должны стоять на затемненных сторонах банок.

Порядок выполнения работы

1.1. Записывайте температуру в банках через равные промежутки времени, например, через одну минуту в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

Изменение температуры

Температура, оС
№ измерения	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Банка 1
Банка 2

1.2. Убедитесь, что температура поднимается быстрее в банке с черной картонкой.

1.3. Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое “парниковый эффект”?

2. Можно ли однозначно утверждать, что парниковый эффект вреден?

3. Чем опасен парниковый эффект на земле?

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа № 2. Получение электроэнергии из лимона (2часа)

Краткая теория

Способ получения электричества из лимона на сегодня известен в широких кругах. Его неоспоримым преимуществом является простота, доступность материалов, относительная компактность.

Описание лабораторной установки

Базовые элементы мини-электростанции таковы: лимон, медная проволока (2 куска, длинной 10 см, толщиной 0,2-0,5 мм) или медная монета, стальная скрепка или оцинкованный гвоздь.

Простейший аккумулятор можно получить, воткнув в лимон оцинкованный гвоздь и медную монету. В этом аккумуляторе оцинкованный гвоздь и медная монета будут электродами, а лимонный сок – электролитом. Измеренное напряжение равно примерно 1 вольту или меньше.

Что же происходит в лимоне? Дело в том, что в лимоне присутствует кислота, которая заставляют электроны от оцинкованного гвоздя отрываться и нейтрализовать ионы меди в лимоне. В результате возникает электрический ток.

Порядок выполнения работы

2.1. Возьмите лимон, лучше свежий, большой и сочный. А также медную монету, оцинкованный гвоздь, вольтметр для измерения напряжения и короткие соединительные провода.

2.2. Вставьте в лимон оцинкованный гвоздь. Сантиметров в трех сделайте прорезь ножом и вставьте туда медную монету. Монета и гвоздь не должны касаться, чтобы не произошло короткого замыкания (рис. 2.1). Получился аккумулятор.

2.3. Подключите вольтметр к лимону и запишите его показание (рис.2.2).

2.4. Подключите амперметр к лимону и запишите его показание.

2.5. Рассчитайте мощность такого аккумулятора по формуле:

Мощность = сила тока* напряжение

2.6. Подключите лампочку или светодиод разной мощности. К сожалению, этого не достаточно, для того чтобы зажечь лампочку.

2.7. Если лампочка не загорается, добавляйте в цепь еще лимоны до зажигания лампочки как на рис. 2.3.

Рис. 2.1	Рис. 2.2	Рис. 2.3

2.8. Полученные результаты внесите в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Количество лимонов	Напряжение, В	Сила тока, А	Мощность, Вт	Загорается лампа какой мощности

2.9. Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1. Объясните действие лимонного аккумулятора.

2. Можно ли использовать другие фрукты для получения таких аккумуляторов?

3. Как продлить срок службы таких фруктовых батареек?

4. Что такое мощность?

5. Как рассчитать мощность аккумулятора?

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа № 3. Использование энергии дома (2часа)

Краткая теория

Каждый день все мы используем энергию различными способами. Она идет на обогрев наших домов, освещение, расходуется в машинах и на транспорте.

Порядок выполнения работы

Задание 1.

3.1. Напишите список, на что вы потратили энергию за последние 24 часа и заполните таблицу

Таблица 3.1.

Мое использование энергии	Как я могу сократить мое использование энергии

3.2. В правом столбике объясните, как вы можете сократить потребление энергии на следующий день.

3.3. Обсудите результаты.

Задание 2.

3.4. Приведите примеры нерационального, на ваш взгляд, расходования энергии.

3.5. Заполните таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

Действие	Да	Нет	Иногда	Я могу это изменить
Выключаю воду, когда намыливаюсь в душе
Плотно закрываю водопроводный кран, чтобы из него не капала вода
Не выключаю воду, когда чищу зубы
Всегда пишу на обеих сторонах бумажного листа
Выключаю свет, когда выхожу из комнаты
Выключаю обогреватели, когда надобности в них нет
Выключаю плиту после приготовления еды

3.6.Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит энергосбережение?

2. Только ли экономическими причинами (меньше расходуешь энергии - меньше платишь) вызвана необходимость энергосбережения?

3. Перечислите способы экономии энергии.

4. Приведите примеры нерационального расходования электроэнергии дома.

5. Приведите примеры нерационального расходования электроэнергиив школе.

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа № 4. Определение расхода бензина транспортом и количества углекислого газа, выделившегося при этом в окружающую среду

Краткая теория

Автомобиль – детище 20 века. В 1900 году было всего несколько тысяч автомобилей во всем мире, а сегодня только в США 150.000.000 автомобилей. Увеличение количества автомобилей было подобно взрыву. Так как большинство автомобилей использует двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине или дизельном топливе, загрязнение окружающей среды выросло в большую проблему. Если бы в каждой стране было столько автомобилей, сколько в США, в мире было бы больше трех миллиардов автомобилей. Это была бы катастрофа для окружающей среды. Это означает, что мы должны научиться благоразумно использовать автомобили.

В этом задании мы рассматриваем использование автомобилей с критической точки зрения. Достаточно ли рационально мы используем автомобили, или можно усовершенствовать их использование самим и помогать в этом другим.

Порядок выполнения работы

4.1. Выберите несколько точек недалеко от школы, где вы будете регистрировать дорожное движение. Разделитесь на группы по два или три человека. Эти группы затем могут сравнить результаты и таким образом лучше справиться с заданием.

4.2. Интенсивность дорожного движения различается в течение дня. Будет разумно регистрировать движение 1 час рано утром, 1 час в середине дня и 1 час вечером.

Так как интенсивность дорожного движения может изменяться день ото дня, мы советуем вам следить за дорожным движением два дня в неделю.

4.3. Группируем все виды средств передвижения и записываем их число в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Виды средств передвижения	Количество, шт.
рано утром	в середине дня	час вечером	Количество бензина, израсходованого за 1 час наблюдений	Количество углекислого газа, выделившееся при этом в атмосферу
Поезд/трамвай
Автобусы
Грузовики
Легковые автомобили
Мотоциклы
Велосипедисты

4.4. Известно, что на 100 км автомобиль в городе в среднем использует 10 литров бензина. При этом средняя скорость движения автотранспорта в городе 40 км/ч. Рассчитайте, сколько примерно бензина было израсходовано за 1 час наблюдений автомобилями каждого вида.

4.5. Рассчитайте, сколько углекислого газа при этом выделилось в атмосферу, если при сгорании 1 м3 бензина выделяется 1,5 м3углекислого газа.

4.6. Запишите полученные результаты в таблицу.

4.7. Запишите выводы.

Контрольные вопросы

1. Как рассчитать расход топлива автомобилем?

2. Как рассчитать количество углекислого газа, выделившегося при этом в атмосферу?

3. Какой автомобиль экономичнее?

4. В чем состоит рациональное использование автомобилей?

5. Почему автомобили вредят окружающей среде?

Литература

1. Энергосбережение. ШПИРЭ. Школьная программа использования ресурсов и энергии: учебное пособие для средней школы: Санкт - Петербург. 2004. URL:  http://esco-ecosys. *****/2007_8/art179-end. htm.

2. , Щелоков проблемы использования топлива. Екатеринбург; Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 г. -109 с.

3. , Щелоков для начинающих. Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

4. , Щелоков для всех. Екатеринбург: Энерго-Пресс. 2003 гс

5. , , Лисиенко энергоэффективных технологий и техники (введение в хрестоматию энергосбережения для юношества) - Екатеринбург: Уралэнерго-Пресс. 2004 гс.

6. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / , , .2-е изд., стереотип. – Мн.: БГЭУ, 2002. – 198 с.

7. , . Энергосбережение.: Издательство Ассоциации строительных вузов. 2005 г. – 157 с.

Лабораторная работа № 5. Составление «энергетического паспорта» квартиры или дома(2часа)

Краткая теория

Энергетический паспорт объекта разрабатывается в соответствии с требованиями приказа Министерства энергетики Российской Федерации № 182 от  19 апреля 2010 года «Об утверждении требований к энергетическому паспорту котельной или производственного цеха, составленному по езультатам обязательного энергетического обследования, иэнергетическому паспорту жилого дома, составленному наосновании проектной документации».

Энергетический паспорт отражает баланс потребления и содержит показатели эффективности использования ТЭР в процессе хозяйственной деятельности объектами производственного назначения, а также содержащий план мероприятий по повышению эффективности использования энергоресурсов.

Энергетический паспорт учреждения включает в себя:

основные сведения об энергохозяйстве потребителя ТЭР и его топливно-энергетическом балансе;

сведения о приборном учете;

информацию о характеристиках различных систем энергоснабжения, удельных величинах энергопотребления оборудования;

сведения об основном оборудовании, включая год выпуска, время работы в году, КПД и т. д.

типовые мероприятия по энергосбережению ТЭР.

В данной работе мы составим упрощенный энергетический паспорт дома.

Порядок выполнения работы

5.1. В вашем доме используются различные виды энергии. Уточните их и внесите в таблицу 5.1 [1].

Таблица 5.1.

Вид энергии	Возможные источники	Источники дома
Тепловая энергия (для отопления)	Центральное отопление, собственный источник тепловой энергии (газовый котел, печь, собственная котельная)
Тепловая энергия (для приготовления пищи)	Электрические плиты, газовые плиты
Электрическая	Электрическая сеть, другой источник

5.2. Заполните таблицу 5.2.

Для заполнения этой таблицы