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1. 通常所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为汽车研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。
混合动力汽车使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池使用的有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等，将来应该还能使用氢燃料电池。某款油电混合动力汽车，具有省油、能量利用率高等特点，其相关信息如表。在某次水平道路测试中，该车以中速匀速行驶170 km，共消耗汽油10 L。测试过程中，内燃机既向车轮提供能量，又向蓄电池充电，同时蓄电池又将部分能量通过电动机向车轮输送，此时，内燃机和电动机共同驱动车辆前进。（忽略蓄电池和电动机的热损失，$\rho_{汽油}$取$0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$，$q_{汽油}=4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}$）
(1)该款混合动力汽车启动时的驱动模式是
(2)在水平道路中速匀速行驶测试中，若平均阻力为1000 N，该车内燃机的效率为53%，此过程最终使蓄电池增加多少焦耳的能量？
(3)（新定义）在交通运输中，常用“客运效率”来反映交通工具的某项效能。“客运效率”表示每消耗单位能量对应的载客数和运送路程的乘积，即$\mathrm{客运效率}=\frac{\mathrm{人数}×\mathrm{路程}}{\mathrm{消耗能量}}$。一个人骑电动自行车，消耗1 MJ($10^6\ \mathrm{J}$)的能量可行驶30 km，一辆载有4人的普通轿车，消耗320 MJ的能量可行驶100 km，则电动自行车与这辆轿车的客运效率之比是多少？
(4)在另一次测试中，测试人员驾驶该车在平直公路上以70 km/h的测试车速匀速行驶24 min，内燃机消耗汽油2 kg，蓄电池的电能增加了最大蓄能的10%，汽车行驶时所受阻力和车速的关系如图所示，则该汽车内燃机的效率是多大？
混合动力汽车使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池使用的有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等，将来应该还能使用氢燃料电池。某款油电混合动力汽车，具有省油、能量利用率高等特点，其相关信息如表。在某次水平道路测试中，该车以中速匀速行驶170 km，共消耗汽油10 L。测试过程中，内燃机既向车轮提供能量，又向蓄电池充电，同时蓄电池又将部分能量通过电动机向车轮输送，此时，内燃机和电动机共同驱动车辆前进。（忽略蓄电池和电动机的热损失，$\rho_{汽油}$取$0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3$，$q_{汽油}=4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}$）
(1)该款混合动力汽车启动时的驱动模式是
纯电动
。(2)在水平道路中速匀速行驶测试中，若平均阻力为1000 N，该车内燃机的效率为53%，此过程最终使蓄电池增加多少焦耳的能量？
(3)（新定义）在交通运输中，常用“客运效率”来反映交通工具的某项效能。“客运效率”表示每消耗单位能量对应的载客数和运送路程的乘积，即$\mathrm{客运效率}=\frac{\mathrm{人数}×\mathrm{路程}}{\mathrm{消耗能量}}$。一个人骑电动自行车，消耗1 MJ($10^6\ \mathrm{J}$)的能量可行驶30 km，一辆载有4人的普通轿车，消耗320 MJ的能量可行驶100 km，则电动自行车与这辆轿车的客运效率之比是多少？
(4)在另一次测试中，测试人员驾驶该车在平直公路上以70 km/h的测试车速匀速行驶24 min，内燃机消耗汽油2 kg，蓄电池的电能增加了最大蓄能的10%，汽车行驶时所受阻力和车速的关系如图所示，则该汽车内燃机的效率是多大？
答案
(1)纯电动
(2)由题可知，汽车做匀速直线运动，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，大小是相等的，则汽车测试时受到的牵引力$F_{牵}=f=1\ 000\ \mathrm{N}$，汽车牵引力做的功$W_{机械}=F_{牵}\ s=1\ 000\ \mathrm{N}×170×10^3\ \mathrm{m}=1.7×10^8\ \mathrm{J}$；由$\rho=\frac{m}{V}$可知，汽车消耗汽油的质量$m_{汽油}=\rho_{汽油}V=0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7\ \mathrm{kg}$，汽油完全燃烧放出的热量$Q_{放}=m_{汽油}q_{汽油}=7\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.22×10^8\ \mathrm{J}$，由$\eta=\frac{W_{有用}}{Q_{放}}×100\%$可得，内燃机输出的有用能量$W_{有用}=Q_{放}\ \eta=3.22×10^8\ \mathrm{J}×53\%=1.706\ 6×10^8\ \mathrm{J}$，最终蓄电池增加的能量$W_{增}=W_{有用}-W_{机械}=1.706\ 6×10^8\ \mathrm{J}-1.7×10^8\ \mathrm{J}=6.6×10^5\ \mathrm{J}$。
(3)根据题意可得，电动自行车的客运效率$\eta_1=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}$，轿车的客运效率$\eta_2=\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}$，则$\eta_1:\eta_2=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}:\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}=24:1$。
(4)汽车测试中内燃机消耗汽油2 kg，汽油放出的热量$Q_{放}\ '=mq_{汽油}=2\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=9.2×10^7\ \mathrm{J}$；由图像可知，汽车以70 km/h的速度做匀速直线运动时受到的阻力为750 N，因为汽车匀速直线运动时，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以汽车受到的牵引力$F=f'=750\ \mathrm{N}$；汽车在平直公路上以70 km/h的速度匀速行驶$24\ \mathrm{min}=0.4\ \mathrm{h}$，距离$s'=vt=70\ \mathrm{km/h}×0.4\ \mathrm{h}=28\ \mathrm{km}=28\ 000\ \mathrm{m}$，该汽车测试中牵引力做的功$W=Fs'=750\ \mathrm{N}×28\ 000\ \mathrm{m}=2.1×10^7\ \mathrm{J}$；蓄电池的电能增加了最大蓄能的10%，则蓄电池增加的电能$W_1=\eta_{增}W_{大}=10\%×1.0×10^8\ \mathrm{J}=1.0×10^7\ \mathrm{J}$；有效利用的能量$W_{有用}\ '=W+W_1=2.1×10^7\ \mathrm{J}+1.0×10^7\ \mathrm{J}=3.1×10^7\ \mathrm{J}$；则内燃机的效率$\eta'=\frac{W_{有用}\ '}{Q_{放}\ '}×100\%=\frac{3.1×10^7\ \mathrm{J}}{9.2×10^7\ \mathrm{J}}×100\%≈33.7\%$。
(2)由题可知，汽车做匀速直线运动，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，大小是相等的，则汽车测试时受到的牵引力$F_{牵}=f=1\ 000\ \mathrm{N}$，汽车牵引力做的功$W_{机械}=F_{牵}\ s=1\ 000\ \mathrm{N}×170×10^3\ \mathrm{m}=1.7×10^8\ \mathrm{J}$；由$\rho=\frac{m}{V}$可知，汽车消耗汽油的质量$m_{汽油}=\rho_{汽油}V=0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7\ \mathrm{kg}$，汽油完全燃烧放出的热量$Q_{放}=m_{汽油}q_{汽油}=7\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.22×10^8\ \mathrm{J}$，由$\eta=\frac{W_{有用}}{Q_{放}}×100\%$可得，内燃机输出的有用能量$W_{有用}=Q_{放}\ \eta=3.22×10^8\ \mathrm{J}×53\%=1.706\ 6×10^8\ \mathrm{J}$，最终蓄电池增加的能量$W_{增}=W_{有用}-W_{机械}=1.706\ 6×10^8\ \mathrm{J}-1.7×10^8\ \mathrm{J}=6.6×10^5\ \mathrm{J}$。
(3)根据题意可得，电动自行车的客运效率$\eta_1=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}$，轿车的客运效率$\eta_2=\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}$，则$\eta_1:\eta_2=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}:\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}=24:1$。
(4)汽车测试中内燃机消耗汽油2 kg，汽油放出的热量$Q_{放}\ '=mq_{汽油}=2\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=9.2×10^7\ \mathrm{J}$；由图像可知，汽车以70 km/h的速度做匀速直线运动时受到的阻力为750 N，因为汽车匀速直线运动时，受到的牵引力和阻力是一对平衡力，所以汽车受到的牵引力$F=f'=750\ \mathrm{N}$；汽车在平直公路上以70 km/h的速度匀速行驶$24\ \mathrm{min}=0.4\ \mathrm{h}$，距离$s'=vt=70\ \mathrm{km/h}×0.4\ \mathrm{h}=28\ \mathrm{km}=28\ 000\ \mathrm{m}$，该汽车测试中牵引力做的功$W=Fs'=750\ \mathrm{N}×28\ 000\ \mathrm{m}=2.1×10^7\ \mathrm{J}$；蓄电池的电能增加了最大蓄能的10%，则蓄电池增加的电能$W_1=\eta_{增}W_{大}=10\%×1.0×10^8\ \mathrm{J}=1.0×10^7\ \mathrm{J}$；有效利用的能量$W_{有用}\ '=W+W_1=2.1×10^7\ \mathrm{J}+1.0×10^7\ \mathrm{J}=3.1×10^7\ \mathrm{J}$；则内燃机的效率$\eta'=\frac{W_{有用}\ '}{Q_{放}\ '}×100\%=\frac{3.1×10^7\ \mathrm{J}}{9.2×10^7\ \mathrm{J}}×100\%≈33.7\%$。
解析
【分析】
本题围绕混合动力汽车的相关物理问题展开，需结合力学、热学的公式及新定义的客运效率进行分析：
1. 第(1)题：混合动力汽车启动时，为降低能耗、减少排放，通常由电动机单独驱动，即纯电动模式；
2. 第(2)题：需先利用二力平衡求牵引力，计算牵引力做的机械功；再通过密度公式算汽油质量，结合热值求汽油完全燃烧释放的总热量；根据内燃机效率得有用能量，最终有用能量减去机械功即为蓄电池增加的能量；
3. 第(3)题：根据题目给出的客运效率定义，分别计算电动自行车和轿车的客运效率，再求两者的比值；
4. 第(4)题：先算汽油完全燃烧释放的总热量，结合图像确定对应车速下的阻力，利用二力平衡得牵引力，计算行驶距离后求牵引力做的功；再算出蓄电池增加的电能，总有用能量为牵引力做功与蓄电池增加电能之和，最后用有用能量除以总热量得内燃机效率。
【解析】
(1) 混合动力汽车启动时，为高效低耗，采用电动机单独驱动，故驱动模式为纯电动；
(2) 汽车匀速行驶，牵引力与阻力平衡，$F_{牵}=f=1000\ \mathrm{N}$，牵引力做功：$W_{机械}=F_{牵}s=1000\ \mathrm{N}×170×10^3\ \mathrm{m}=1.7×10^8\ \mathrm{J}$；
消耗汽油体积$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，汽油质量：$m_{汽油}=\rho_{汽油}V=0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7\ \mathrm{kg}$；
汽油完全燃烧放热：$Q_{放}=m_{汽油}q_{汽油}=7\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.22×10^8\ \mathrm{J}$；
内燃机有用能量：$W_{有用}=Q_{放}\eta=3.22×10^8\ \mathrm{J}×53\%=1.7066×10^8\ \mathrm{J}$；
蓄电池增加能量：$W_{增}=W_{有用}-W_{机械}=1.7066×10^8\ \mathrm{J}-1.7×10^8\ \mathrm{J}=6.6×10^5\ \mathrm{J}$；
(3) 电动自行车客运效率：$\eta_1=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}$，轿车客运效率：$\eta_2=\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}$；
比值：$\eta_1:\eta_2=\frac{1×30}{10^6}:\frac{4×100}{3.2×10^8}=24:1$；
(4) 汽油燃烧放热：$Q_{放}'=mq_{汽油}=2\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=9.2×10^7\ \mathrm{J}$；
由图像得70 km/h时阻力$f'=750\ \mathrm{N}$，牵引力$F=f'=750\ \mathrm{N}$；
行驶时间$t=24\ \mathrm{min}=0.4\ \mathrm{h}$，行驶距离$s'=vt=70\ \mathrm{km/h}×0.4\ \mathrm{h}=28000\ \mathrm{m}$；
牵引力做功：$W=Fs'=750\ \mathrm{N}×28000\ \mathrm{m}=2.1×10^7\ \mathrm{J}$；
蓄电池增加电能：$W_1=10\%×1.0×10^8\ \mathrm{J}=1.0×10^7\ \mathrm{J}$；
总有用能量：$W_{有用}'=W+W_1=3.1×10^7\ \mathrm{J}$；
内燃机效率：$\eta'=\frac{W_{有用}'}{Q_{放}'}×100\%=\frac{3.1×10^7}{9.2×10^7}×100\%≈33.7\%$。
【答案】
(1)纯电动；(2)$6.6×10^5\ \mathrm{J}$；(3)$24:1$；(4)约$33.7\%$
【知识点】
热机效率、功的计算、热量计算
【点评】
本题是结合混合动力汽车的综合应用题，融合力学、热学知识及新定义的客运效率，需学生掌握相关公式的应用，理清能量转化关系，对学生的综合分析能力有一定要求，整体难度适中。
【难度系数】
0.5
本题围绕混合动力汽车的相关物理问题展开，需结合力学、热学的公式及新定义的客运效率进行分析：
1. 第(1)题：混合动力汽车启动时，为降低能耗、减少排放，通常由电动机单独驱动，即纯电动模式；
2. 第(2)题：需先利用二力平衡求牵引力，计算牵引力做的机械功；再通过密度公式算汽油质量，结合热值求汽油完全燃烧释放的总热量；根据内燃机效率得有用能量，最终有用能量减去机械功即为蓄电池增加的能量；
3. 第(3)题：根据题目给出的客运效率定义，分别计算电动自行车和轿车的客运效率，再求两者的比值；
4. 第(4)题：先算汽油完全燃烧释放的总热量，结合图像确定对应车速下的阻力，利用二力平衡得牵引力，计算行驶距离后求牵引力做的功；再算出蓄电池增加的电能，总有用能量为牵引力做功与蓄电池增加电能之和，最后用有用能量除以总热量得内燃机效率。
【解析】
(1) 混合动力汽车启动时，为高效低耗，采用电动机单独驱动，故驱动模式为纯电动；
(2) 汽车匀速行驶，牵引力与阻力平衡，$F_{牵}=f=1000\ \mathrm{N}$，牵引力做功：$W_{机械}=F_{牵}s=1000\ \mathrm{N}×170×10^3\ \mathrm{m}=1.7×10^8\ \mathrm{J}$；
消耗汽油体积$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，汽油质量：$m_{汽油}=\rho_{汽油}V=0.7×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7\ \mathrm{kg}$；
汽油完全燃烧放热：$Q_{放}=m_{汽油}q_{汽油}=7\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.22×10^8\ \mathrm{J}$；
内燃机有用能量：$W_{有用}=Q_{放}\eta=3.22×10^8\ \mathrm{J}×53\%=1.7066×10^8\ \mathrm{J}$；
蓄电池增加能量：$W_{增}=W_{有用}-W_{机械}=1.7066×10^8\ \mathrm{J}-1.7×10^8\ \mathrm{J}=6.6×10^5\ \mathrm{J}$；
(3) 电动自行车客运效率：$\eta_1=\frac{1×30\ \mathrm{km}}{10^6\ \mathrm{J}}$，轿车客运效率：$\eta_2=\frac{4×100\ \mathrm{km}}{3.2×10^8\ \mathrm{J}}$；
比值：$\eta_1:\eta_2=\frac{1×30}{10^6}:\frac{4×100}{3.2×10^8}=24:1$；
(4) 汽油燃烧放热：$Q_{放}'=mq_{汽油}=2\ \mathrm{kg}×4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}=9.2×10^7\ \mathrm{J}$；
由图像得70 km/h时阻力$f'=750\ \mathrm{N}$，牵引力$F=f'=750\ \mathrm{N}$；
行驶时间$t=24\ \mathrm{min}=0.4\ \mathrm{h}$，行驶距离$s'=vt=70\ \mathrm{km/h}×0.4\ \mathrm{h}=28000\ \mathrm{m}$；
牵引力做功：$W=Fs'=750\ \mathrm{N}×28000\ \mathrm{m}=2.1×10^7\ \mathrm{J}$；
蓄电池增加电能：$W_1=10\%×1.0×10^8\ \mathrm{J}=1.0×10^7\ \mathrm{J}$；
总有用能量：$W_{有用}'=W+W_1=3.1×10^7\ \mathrm{J}$；
内燃机效率：$\eta'=\frac{W_{有用}'}{Q_{放}'}×100\%=\frac{3.1×10^7}{9.2×10^7}×100\%≈33.7\%$。
【答案】
(1)纯电动；(2)$6.6×10^5\ \mathrm{J}$；(3)$24:1$；(4)约$33.7\%$
【知识点】
热机效率、功的计算、热量计算
【点评】
本题是结合混合动力汽车的综合应用题，融合力学、热学知识及新定义的客运效率，需学生掌握相关公式的应用，理清能量转化关系，对学生的综合分析能力有一定要求，整体难度适中。
【难度系数】
0.5
