实践 调研我国新能源汽车的发展
跨学科实践
答案P17
项目主题 调研我国新能源汽车的发展
项目背景 近年来，我国新能源汽车得到普及，搜集整理相关信息，了解新能源汽车的发展
活动任务一 调查交通工具燃料结构的变化
1 查阅资料，完成表格。

活动任务二 了解我国新能源汽车的分类及特点
2 查阅资料，完成表格。
|类型|纯电动(BEV,只能充电)|串联式插电混动(增程、REEV)|并联式插电混动、混联式混合动力汽车|燃料电池汽车|
|特点|没有发动机，只能充电，不能加油||||
活动任务三 对比燃油汽车和新能源汽车的差异，了解汽车的尾气排放情况
3 物理小组的同学在社会实践活动中，绘制了一辆某种型号汽车在额定功率下行驶时单位时间内的能量流向图，请你参与讨论下列有关问题。
(1)当汽油在发动机内燃烧不充分时会冒“黑烟”，这时发动机的效率将（填“升高”“不变”或“降低”），汽油在不充分燃烧时其热值（填“增大”“不变”或“减小”）。
(2)若将机器转化为有用功的能量与输入发动机的能量的比值定义为“能量转化效率”，由图中提供的数据可得，该汽车的能量转化效率为。
4 据统计，每燃烧1 kg燃油约排放3.3 kg的二氧化碳，为实现碳达峰、碳中和的目标，氢能作为一种绿色低碳的清洁能源在我国交通领域的应用场景不断扩大，使用氢燃料电池的交通工具不断丰富，其应用流程如下：
(1)以氢燃料电池卡车为例，若卡车在水平路面上匀速行驶72 km用时1 h，功率为172 kW。
①卡车的行驶速度为 m/s。
②卡车所受牵引力为 N。
③与燃油卡车相比，氢燃料电池卡车行驶72 km可减排二氧化碳的质量为 kg。（燃油机的效率取36%，燃油的热值$q=4.3×10^7$ J/kg）
(2)用氢气作燃料除绿色低碳外，还有什么优点？。

1 【答案】 如表所示。
|时间|阶段|交通工具|所用燃料(或所用能源)|
|19世纪|蒸汽阶段|蒸汽火车、蒸汽轮船|煤炭|
|20世纪初|内燃机阶段|汽车、摩托车、拖拉机、飞机|汽油、柴油|
|20世纪后期|电气阶段|电动汽车、电动车、高铁|电能|
|21世纪|自动化阶段和新能源|无人汽车、氢能源汽车、太阳能汽车等|电能、氢能、太阳能等|
2 【答案】 如表所示。(开放性答案,仅供参考)
|类型|纯电动(BEV,只能充电)|串联式插电混动(增程、REEV)|并联式插电混动、混联式混合动力汽车|燃料电池汽车|
|特点|没有发动机，只能充电，不能加油|油箱和发动机是不能提供动力驱动汽车行驶的，发动机只能用来发电|电池配的电动机可以驱动汽车，油箱配的发动机也可以驱动汽车|通常以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电能驱动电机进行工作|
3 【答案】 (1)降低 不变 (2)12.5%
【解析】 (1)汽油在发动机内燃烧不充分时消耗燃料质量增加,由$Q_{放}=mq$可知,消耗的能量将会增加,又根据$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$可知,有用功的占比下降,故热机的机械效率降低。热值是燃料的一种性质,与燃料是否完全燃烧无关,故汽油在发动机内燃烧不充分会冒“黑烟”,但汽油的热值不变。
(2)由题意知,汽车的能量转化效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{输入}}×100\% =\frac{1×10^4\ \mathrm{J}}{8×10^4\ \mathrm{J}}×100\% =12.5\%$。
4 【答案】 (1)①20 ②$8.6×10^3$ ③132 (2)热值高
【解析】 (1)①卡车的行驶速度$v=\frac{s}{t}=\frac{72\ \mathrm{km}}{1\ \mathrm{h}}=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$。
②根据$P=\frac{W}{t}$可得,卡车输出的能量$W=Pt=172\ \mathrm{kW}×1\ \mathrm{h}=172\ \mathrm{kW·h}=6.192×10^8\ \mathrm{J}$,由$W=Fs$可得,卡车所受牵引力$F=\frac{W}{s}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{72×10^3\ \mathrm{m}}=8.6×10^3\ \mathrm{N}$。
③由$\eta=\frac{W}{Q}×100\%$可得,燃油完全燃烧释放的热量$Q=\frac{W}{\eta}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{36\%}=1.72×10^9\ \mathrm{J}$,由$Q=m_{燃油}q$可得,需要消耗燃油的质量$m_{燃油}=\frac{Q}{q}=\frac{1.72×10^9\ \mathrm{J}}{4.3×10^7\ \mathrm{J/kg}}=40\ \mathrm{kg}$,减排二氧化碳的质量$m_{二氧化碳}=3.3m_{燃油}=3.3 × 40\ \mathrm{kg} = 132\ \mathrm{kg}$。
(2)氢气是一种可燃性气体,相同质量的氢气与其他物质相比,氢气在氧气中完全燃烧放出的热量多,即热值高。

【分析】
本题是关于交通工具燃料结构变化及新能源汽车的跨学科实践题，解题思路如下：
1. 任务1：结合不同历史阶段交通工具的动力来源，确定对应所用燃料/能源；
2. 任务2：根据各类新能源汽车的动力结构，总结不同类型的特点；
3. 任务3：利用热机效率、热值的概念，以及能量转化效率的定义解决效率问题；
4. 任务4：运用速度公式、功率公式、热值公式计算相关物理量，结合氢气的性质回答其优点。
【解析】
任务1：不同阶段交通工具的能源对应：19世纪蒸汽阶段用煤炭；20世纪初内燃机阶段用汽油、柴油；20世纪后期电气阶段用电能；21世纪用新能源（电能、氢能、太阳能等），完成表格填写。
任务2：各类新能源汽车特点：串联式插电混动（增程）的发动机仅用于发电，不直接驱动车辆；并联式插电混动、混联式混合动力汽车的电机和发动机均可驱动车辆；燃料电池汽车以氢气等为燃料，通过化学反应发电驱动电机。
任务3：(1) 汽油燃烧不充分时，消耗更多燃料，有用功占比下降，发动机效率降低；热值是燃料的固有属性，与燃烧是否充分无关，故热值不变。(2) 能量转化效率为有用功与输入能量的比值，即$\eta=\frac{1×10^4\ \mathrm{J}}{8×10^4\ \mathrm{J}}×100\%=12.5\%$。
任务4：(1) ①速度：$v=\frac{s}{t}=\frac{72\ \mathrm{km}}{1\ \mathrm{h}}=72\ \mathrm{km/h}=20\ \mathrm{m/s}$；②卡车输出能量$W=Pt=172\ \mathrm{kW}×1\ \mathrm{h}=6.192×10^8\ \mathrm{J}$，牵引力$F=\frac{W}{s}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{72×10^3\ \mathrm{m}}=8.6×10^3\ \mathrm{N}$；③燃油需释放热量$Q=\frac{W}{\eta}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{36\%}=1.72×10^9\ \mathrm{J}$，燃油质量$m_{燃油}=\frac{Q}{q}=\frac{1.72×10^9\ \mathrm{J}}{4.3×10^7\ \mathrm{J/kg}}=40\ \mathrm{kg}$，减排二氧化碳质量$3.3×40\ \mathrm{kg}=132\ \mathrm{kg}$；(2) 氢气的优点是热值高，相同质量下燃烧放出热量多。
【答案】
1 表格内容：
|时间|阶段|交通工具|所用燃料(或所用能源)|
|19世纪|蒸汽阶段|蒸汽火车、蒸汽轮船|煤炭|
|20世纪初|内燃机阶段|汽车、摩托车、拖拉机、飞机|汽油、柴油|
|20世纪后期|电气阶段|电动汽车、电动车、高铁|电能|
|21世纪|自动化阶段和新能源|无人汽车、氢能源汽车、太阳能汽车等|电能、氢能、太阳能等|
2 表格内容：
|类型|纯电动(BEV,只能充电)|串联式插电混动(增程、REEV)|并联式插电混动、混联式混合动力汽车|燃料电池汽车|
|特点|没有发动机，只能充电，不能加油|油箱和发动机是不能提供动力驱动汽车行驶的，发动机只能用来发电|电池配的电动机可以驱动汽车，油箱配的发动机也可以驱动汽车|通常以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电能驱动电机进行工作|
3 (1)降低；不变 (2)12.5%
4 (1)①20 ②$8.6×10^3$ ③132 (2)热值高
【知识点】
热机效率、热值、新能源汽车
【点评】
本题为跨学科实践题，融合历史、物理知识，既考察学生对能源发展脉络的了解，又涉及热学、力学的基础概念与计算，联系实际生活，实用性较强。
【难度系数】
0.5