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12.近年来,宜昌市积极响应国家绿色出行的号召,街头巷尾越来越多的公交车、出租车以及私家车纷纷换成了电动汽车。结合这一现象,请回答:
(1)与传统燃油车相比,电动汽车具有哪些优势?(写出两点)
(2)作为中学生,我们可以采取哪些措施来践行绿色出行?(写出一个)
(1)与传统燃油车相比,电动汽车具有哪些优势?(写出两点)
(2)作为中学生,我们可以采取哪些措施来践行绿色出行?(写出一个)
答案
12.(1)电动汽车对比传统燃油车的优势：
①环保节能。电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，相比传统燃油车燃烧汽油、柴油等化石燃料产生大量二氧化碳、氮氧化物等有害气体和污染物，能有效减少空气污染和温室气体排放，对环境更加友好。
②使用成本低。电动汽车的充电成本普遍低于燃油车的加油成本，通常电动汽车每公里用电成本在0.2元左右，而燃油车每公里的燃油成本在0.7元左右。
(2)中学生践行绿色出行的措施：尽量选择步行或骑自行车上下学。
①环保节能。电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，相比传统燃油车燃烧汽油、柴油等化石燃料产生大量二氧化碳、氮氧化物等有害气体和污染物，能有效减少空气污染和温室气体排放，对环境更加友好。
②使用成本低。电动汽车的充电成本普遍低于燃油车的加油成本，通常电动汽车每公里用电成本在0.2元左右，而燃油车每公里的燃油成本在0.7元左右。
(2)中学生践行绿色出行的措施：尽量选择步行或骑自行车上下学。
解析
【分析】
本题分为两小问，第(1)问需对比传统燃油车的特点，从环保、使用成本等维度分析电动汽车的优势，需结合燃油车的弊端对应推导电动汽车的优点；第(2)问需结合中学生的身份，选取自身可践行的绿色出行方式，要贴合实际且符合中学生的行为能力。
【解析】
(1) 传统燃油车以化石燃料为动力，会排放大量有害气体，且燃油成本较高；电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，能减少空气污染，且充电成本低于燃油车，因此优势为环保节能、使用成本低。
(2) 作为中学生，可选择适合自身的绿色出行方式，如步行、骑自行车、乘坐公共交通工具等，选取其中一项即可，例如步行或骑自行车上下学。
【答案】
12.(1)①环保节能，电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，能减少空气污染和温室气体排放；②使用成本低，电动汽车每公里用电成本低于燃油车每公里的燃油成本。
(2)尽量选择步行或骑自行车上下学。
【知识点】
环境保护、能源利用、绿色出行
【点评】
本题结合生活实际，考查学生对绿色出行、能源环保的理解，引导学生树立环保意识，难度适中，贴近学生生活。
【难度系数】
0.8
本题分为两小问，第(1)问需对比传统燃油车的特点，从环保、使用成本等维度分析电动汽车的优势，需结合燃油车的弊端对应推导电动汽车的优点；第(2)问需结合中学生的身份，选取自身可践行的绿色出行方式，要贴合实际且符合中学生的行为能力。
【解析】
(1) 传统燃油车以化石燃料为动力，会排放大量有害气体，且燃油成本较高；电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，能减少空气污染，且充电成本低于燃油车，因此优势为环保节能、使用成本低。
(2) 作为中学生，可选择适合自身的绿色出行方式，如步行、骑自行车、乘坐公共交通工具等，选取其中一项即可，例如步行或骑自行车上下学。
【答案】
12.(1)①环保节能，电动汽车以电能为驱动，不会排放废气，能减少空气污染和温室气体排放；②使用成本低，电动汽车每公里用电成本低于燃油车每公里的燃油成本。
(2)尽量选择步行或骑自行车上下学。
【知识点】
环境保护、能源利用、绿色出行
【点评】
本题结合生活实际，考查学生对绿色出行、能源环保的理解，引导学生树立环保意识，难度适中，贴近学生生活。
【难度系数】
0.8
13.随着绿色环保、低碳生活等理念的普及，课堂上小组同学通过讨论设想出了一种完全以太阳能电池为能源的汽车(外观如图22.1-6所示)，其太阳能电池板可直接将太阳能转化为电能，再将电能提供给车内的驱动电机，从而使汽车获得向前行驶的动力。
通过在网络上对太阳能电池板和驱动电机的了解，小组设计的太阳能汽车的相关数据如下：汽车的质量约为750 kg，可达到的最高时速为72 km/h，车辆行驶过程中的平均阻力约为车重的2%，车身铺设的太阳能电池板面积约为9 m²，太阳能电池板的能量转换效率为15%，驱动电机能够将输入能量的80%转化为牵引汽车前进的机械能。
(1)小组设计的太阳能汽车以最高时速匀速行驶时，牵引力的功率为多少？(g取10 N/kg)
(2)小组设计的汽车太阳能电池板每秒需要获得至少多少焦耳的太阳能才能满足其最高时速行驶的需求？
(3)小组为了验证自己的设计数据是否可行，在网上查到以下相关数据，太阳自身每秒对外辐射的光能约为$4×10^{26}\ \mathrm{J}$，将太阳看成点光源，因为太阳光向四周辐射，并不是所有方向发出的光都可以到达地球，已知其中$\frac{3}{10^{23}}$的光朝向汽车的太阳能电池板照射，且这些太阳光穿过太空和地球周围的大气层到达太阳能电池板的过程中还有51%的能量损耗，请结合以上数据通过计算说明小组的数据设想是否可行？
(4)请你针对太阳能汽车提出一条优化建议。
图22.1-6
通过在网络上对太阳能电池板和驱动电机的了解，小组设计的太阳能汽车的相关数据如下：汽车的质量约为750 kg，可达到的最高时速为72 km/h，车辆行驶过程中的平均阻力约为车重的2%，车身铺设的太阳能电池板面积约为9 m²，太阳能电池板的能量转换效率为15%，驱动电机能够将输入能量的80%转化为牵引汽车前进的机械能。
(1)小组设计的太阳能汽车以最高时速匀速行驶时，牵引力的功率为多少？(g取10 N/kg)
(2)小组设计的汽车太阳能电池板每秒需要获得至少多少焦耳的太阳能才能满足其最高时速行驶的需求？
(3)小组为了验证自己的设计数据是否可行，在网上查到以下相关数据，太阳自身每秒对外辐射的光能约为$4×10^{26}\ \mathrm{J}$，将太阳看成点光源，因为太阳光向四周辐射，并不是所有方向发出的光都可以到达地球，已知其中$\frac{3}{10^{23}}$的光朝向汽车的太阳能电池板照射，且这些太阳光穿过太空和地球周围的大气层到达太阳能电池板的过程中还有51%的能量损耗，请结合以上数据通过计算说明小组的数据设想是否可行？
(4)请你针对太阳能汽车提出一条优化建议。
图22.1-6
答案
13.(1)汽车受到的阻力$f=2\%G=0.02mg=0.02×750\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=150\ \mathrm{N}$
因为汽车匀速行驶，所以牵引力$F=f=150\ \mathrm{N}$
汽车的最高时速$v=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$
根据功率公式可得牵引力的功率$P=Fv=150\ \mathrm{N}×20\ \mathrm{m/s}=3\ 000\ \mathrm{W}$
(2)已知驱动电机将输入能量的80%转化为机械能，要产生3 000 W的机械功率，则电机输入功率$P_电=\frac{P}{\eta_1}=\frac{3\ 000\ \mathrm{W}}{80\%}=3\ 750\ \mathrm{W}$，而太阳能电池板的能量转换效率为15%，设太阳能电池板每秒需要获得的太阳能为E，则$E=\frac{P_电}{\eta_2}=\frac{3\ 750\ \mathrm{W}}{15\%}=25\ 000\ \mathrm{J}$。
(3)太阳每秒对外辐射光能$E_0=4×10^{26}\ \mathrm{J}$，太阳光到达地球能照射到汽车电池板的光占比为$k=\frac{3}{10^{23}}$，到达电池板前能量损耗51%，则实际到达电池板的能量$E_实=E_0×k×(1-51\%)$。
每秒获得的能量$E_实'=E_0×k×(1-51\%)=4×10^{26}\ \mathrm{J}×\frac{3}{10^{23}}×0.49=5\ 880\ \mathrm{J}$，
$E_实'＜25\ 000\ \mathrm{J}$，则小组的设想不可行。
(4)可以优化太阳能电池板的材料和结构，提高其光电转换效率，这样可以在相同的光照条件下获得更多的电能，从而提高汽车的性能或续航里程。例如，研发新型的半导体材料，或者改进电池板的表面纹理和涂层，以增加对太阳光的吸收和利用。
因为汽车匀速行驶，所以牵引力$F=f=150\ \mathrm{N}$
汽车的最高时速$v=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$
根据功率公式可得牵引力的功率$P=Fv=150\ \mathrm{N}×20\ \mathrm{m/s}=3\ 000\ \mathrm{W}$
(2)已知驱动电机将输入能量的80%转化为机械能，要产生3 000 W的机械功率，则电机输入功率$P_电=\frac{P}{\eta_1}=\frac{3\ 000\ \mathrm{W}}{80\%}=3\ 750\ \mathrm{W}$，而太阳能电池板的能量转换效率为15%，设太阳能电池板每秒需要获得的太阳能为E，则$E=\frac{P_电}{\eta_2}=\frac{3\ 750\ \mathrm{W}}{15\%}=25\ 000\ \mathrm{J}$。
(3)太阳每秒对外辐射光能$E_0=4×10^{26}\ \mathrm{J}$，太阳光到达地球能照射到汽车电池板的光占比为$k=\frac{3}{10^{23}}$，到达电池板前能量损耗51%，则实际到达电池板的能量$E_实=E_0×k×(1-51\%)$。
每秒获得的能量$E_实'=E_0×k×(1-51\%)=4×10^{26}\ \mathrm{J}×\frac{3}{10^{23}}×0.49=5\ 880\ \mathrm{J}$，
$E_实'＜25\ 000\ \mathrm{J}$，则小组的设想不可行。
(4)可以优化太阳能电池板的材料和结构，提高其光电转换效率，这样可以在相同的光照条件下获得更多的电能，从而提高汽车的性能或续航里程。例如，研发新型的半导体材料，或者改进电池板的表面纹理和涂层，以增加对太阳光的吸收和利用。
解析
【分析】
本题围绕太阳能汽车的力学与能量转化问题展开，需逐步梳理各物理量的关系：
（1）匀速行驶时牵引力与阻力平衡，先计算车重得到阻力，转换速度单位后用功率公式计算牵引力功率；
（2）根据驱动电机的能量转换效率，由机械功率推导电机输入功率，再结合太阳能电池板的效率，计算每秒需获得的太阳能；
（3）计算太阳辐射的光能中，到达太阳能电池板且扣除损耗后的实际能量，与所需能量对比判断可行性；
（4）结合能量利用的不足，提出合理优化建议。
【解析】
（1）计算汽车重力：$G=mg=750\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=7500\ \mathrm{N}$，
匀速行驶时牵引力等于阻力：$F=f=2\%G=0.02×7500\ \mathrm{N}=150\ \mathrm{N}$，
最高时速单位转换：$v=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$，
牵引力的功率：$P=Fv=150\ \mathrm{N}×20\ \mathrm{m/s}=3000\ \mathrm{W}$。
（2）驱动电机输入功率需满足输出机械功率，故电机输入功率：$P_电=\frac{P}{\eta_1}=\frac{3000\ \mathrm{W}}{80\%}=3750\ \mathrm{W}$，
设太阳能电池板每秒需获得的太阳能为$E$，则$E=\frac{P_电}{\eta_2}=\frac{3750\ \mathrm{W}}{15\%}=25000\ \mathrm{J}$。
（3）太阳每秒辐射的光能中，到达电池板且扣除损耗后的能量：
$E_实=E_0×\frac{3}{10^{23}}×(1-51\%)=4×10^{26}\ \mathrm{J}×\frac{3}{10^{23}}×0.49=5880\ \mathrm{J}$，
因为$5880\ \mathrm{J}＜25000\ \mathrm{J}$，所以小组的数据设想不可行。
（4）优化建议：提高太阳能电池板的光电转换效率（或增大太阳能电池板面积、减轻汽车自重减小阻力等，合理即可）。
【答案】
(1) 3000 W；(2) 25000 J；(3) 不可行；(4) 提高太阳能电池板的光电转换效率（合理即可）
【知识点】
功率计算、能量转换效率、二力平衡
【点评】
本题以太阳能汽车为背景，综合考查力学与能量相关知识，要求学生掌握二力平衡、功率、效率的计算，能结合实际数据进行分析判断，体现了物理知识在生活中的应用，培养学生的综合应用能力。
【难度系数】
0.5
本题围绕太阳能汽车的力学与能量转化问题展开，需逐步梳理各物理量的关系：
（1）匀速行驶时牵引力与阻力平衡，先计算车重得到阻力，转换速度单位后用功率公式计算牵引力功率；
（2）根据驱动电机的能量转换效率，由机械功率推导电机输入功率，再结合太阳能电池板的效率，计算每秒需获得的太阳能；
（3）计算太阳辐射的光能中，到达太阳能电池板且扣除损耗后的实际能量，与所需能量对比判断可行性；
（4）结合能量利用的不足，提出合理优化建议。
【解析】
（1）计算汽车重力：$G=mg=750\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=7500\ \mathrm{N}$，
匀速行驶时牵引力等于阻力：$F=f=2\%G=0.02×7500\ \mathrm{N}=150\ \mathrm{N}$，
最高时速单位转换：$v=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$，
牵引力的功率：$P=Fv=150\ \mathrm{N}×20\ \mathrm{m/s}=3000\ \mathrm{W}$。
（2）驱动电机输入功率需满足输出机械功率，故电机输入功率：$P_电=\frac{P}{\eta_1}=\frac{3000\ \mathrm{W}}{80\%}=3750\ \mathrm{W}$，
设太阳能电池板每秒需获得的太阳能为$E$，则$E=\frac{P_电}{\eta_2}=\frac{3750\ \mathrm{W}}{15\%}=25000\ \mathrm{J}$。
（3）太阳每秒辐射的光能中，到达电池板且扣除损耗后的能量：
$E_实=E_0×\frac{3}{10^{23}}×(1-51\%)=4×10^{26}\ \mathrm{J}×\frac{3}{10^{23}}×0.49=5880\ \mathrm{J}$，
因为$5880\ \mathrm{J}＜25000\ \mathrm{J}$，所以小组的数据设想不可行。
（4）优化建议：提高太阳能电池板的光电转换效率（或增大太阳能电池板面积、减轻汽车自重减小阻力等，合理即可）。
【答案】
(1) 3000 W；(2) 25000 J；(3) 不可行；(4) 提高太阳能电池板的光电转换效率（合理即可）
【知识点】
功率计算、能量转换效率、二力平衡
【点评】
本题以太阳能汽车为背景，综合考查力学与能量相关知识，要求学生掌握二力平衡、功率、效率的计算，能结合实际数据进行分析判断，体现了物理知识在生活中的应用，培养学生的综合应用能力。
【难度系数】
0.5
