12．4　热机与社会发展 跨学科实践　燃油汽车与电动汽车的对比研究 - 2025-2026学年物理沪粤版（2024）九年级上册

12．4　热机与社会发展 跨学科实践　燃油汽车与电动汽车的对比研究 十二 【学习目标】 1．了解热机的工作过程和在实际中的应用。 2．明确热机效率的定义，掌握其计算方法，能列举提高热机效率的途径。 【自主预习】 请阅读九上教材P38至P44，完成下列知识要点： 1．热机：将燃料的化学能通过燃烧转化为 能，然后通过做功，把内能转化为 能。蒸汽机、汽油机、柴油机、燃气轮机、喷气发动机等都是热机。 2．汽油机的结构：主要由进气门、排气门、 、气缸、活塞、连杆、曲轴等组成。 内 机械 火花塞 3．识别内燃机四冲程的方法 气门开关 有一个气门关闭 两个气门都关闭 活塞运动方向 活塞向下 活塞向上 活塞向上 活塞向下 冲程名称 冲程 冲程 冲程 冲程 吸气 排气 压缩 做功 4.热机效率 (1)概念：热机工作时，用来做 的能量与燃料 放出的能量之比。 (2)公式：η＝ 。 (3)提高热机效率的方法：①尽可能使燃料 燃烧；②尽量减少各种热量 ；③保持良好的润滑，尽量减小因 而消耗的能量。 有用功 完全燃烧 ×100% 充分 损失 克服摩擦 5．保护环境的主要措施： (1)减少热机排放的 物质； (2)控制废气排放的总量； (3)新技术、 、新工艺的应用。如电控燃油喷射、共轨、 0 等技术的应用，混合动力汽车、 、太阳能汽车等新型汽车的研发生产等。 有害 新材料 涡轮 增压 电动汽车 【合作探究】 一、热机工作原理 情境：查看教材P40汽油机工作原理示意图。 问题：(1)在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？(2)哪个冲程使汽车获得动力？ 分析：吸气冲程中，进气门打开，排气门 ，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合物；压缩冲程中，进气门和排气门都 ，活塞向上运动，压缩燃料混合物；做功冲程中，火花塞点火，燃料燃烧，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，对外做功；排气冲程中，进气门 ，排气门打开，活塞向上运动，排出废气。 总结： 冲程使汽车获得动能，其他三个冲程依靠飞轮的 完成。 关闭 关闭 关闭 做功 惯性 二、热机的效率 情境：蒸汽机效率6%～15%，汽油机20%～30%，柴油机30%～45%。 问题：内燃机效率为何比蒸汽机效率高这么多？ 分析总结：内燃机(如汽油机、柴油机)的燃料直接在 燃烧，化学能→热能→机械能的转换一步完成。而蒸汽机需先通过 燃烧加热水生成蒸汽(化学能→热能→蒸汽内能)，再通过蒸汽推动活塞或涡轮(内能→机械能)，多步骤转换导致了更多能量损失(如锅炉散热、蒸汽管道热损失)。 气缸内 外部 【随堂巩固】 1．一台热机消耗了5 kg的煤炭，煤炭的热值为3.0×107 J/kg，若这台热机做的有用功为4.5×107 J，则它的效率为( ) A．15%　　B．20%　　 C．25%　　D．30% D 2．下列措施不能提高热机效率的是( ) A．减少摩擦损耗 B．加装余热回收装置 C．使用高热值燃料 D．使燃料充分燃烧 C 3．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 0(选填“升高”“降低”或“不变”)，燃油的热值 (选填“变大”“变小”或“不变”)。 降低 不变 目 录 CONTENTS 基础掌控 1 能力掌控 2 综合拓展 3 知识点1：热机 1．(新疆中考)下列运载工具中，不需要利用热机的是 ( ) A．喷气式飞机 B．柴油拖拉机 C．纯电动汽车 D．燃油摩托车 C 2．【现代科技】我国航天事业的快速发展，长征系列火箭做出了巨大贡献！火箭的发动机 (选填“属于”或“不属于”)热机。热机工作过程中将燃料燃烧获取的 转化为机械能。 属于 内能 知识点2：汽油机与柴油机 3．【教材情境素材改编】下列汽油机的四个冲程中，将内能转化为机械能的过程是( ) C 4．汽车的最重要部件是发动机，也就是汽油机，下面关于汽油机的说法正确的是( ) A．汽油机的吸气冲程，吸入的只有空气 B．四个冲程的顺序：吸气→做功→压缩→排气 C．汽油机的做功冲程，燃气对外做功，将内能转化为机械能 D．做功冲程，吸气冲程，压缩冲程，排气冲程都是靠飞轮惯性来完成的 C 5．在内燃机中，柴油机在吸气冲程中吸入气缸的物质是 ，汽油机在做功冲程中燃料燃烧的方式为 (选填“点燃式”或“压燃式”)；内燃机常采用循环流动的水进行冷却，是利用水的 大的特性。 6．(龙东中考)汽油机将内能转化为机械能的是 冲程，某单缸四冲程汽油机飞轮转速是2 400 r/min，则此汽油机每秒对外做功 次。 空气 点燃式 比热容 做功 20 知识点3：热机的效率 7．【科学本质观】甲、乙两台汽油机，甲的热机效率比乙高，则( ) A．甲每秒钟做的功比乙每秒钟做的功多 B．甲消耗的汽油比乙消耗的汽油少 C．消耗同样多的汽油，甲做的有用功比乙做的有用功多 D．消耗同样多的汽油，甲做的有用功比乙做的有用功少 C 8．某台柴油机工作过程中消耗了2 kg柴油，这些柴油完全燃烧能放出 J的热量，但是这台柴油机对外做的功为2.4×107 J ，则这台柴油机的效率是 。(已知q柴油＝3×107 J/kg) 6×107 40% 知识点4：热机与环境 9．【教材情境素材改编】减少热机排放的有害物质，控制废气的排放总量，已成为热机发展与环境保护的重要举措。下列措施不能达到此举措的是( ) A．出台严格的汽车尾气排放标准 B．采用先进工艺，使燃料充分燃烧 C．提高汽油、柴油等燃料的品质 D．提高汽车功率，增大尾气排放量 D 10．【物质观念】下列关于热机和环境保护的说法中正确的是( ) A．热机改良后可以消除对环境的污染 B．汽车排除的尾气都是有毒气体 C．热机的大量使用会造成环境污染 D．热机所产生的噪声，可以被热机上的消声器完全消除 C 11．如图所示，以牛角作套筒，木质推杆前端粘附艾绒，取火时，一手握住套筒，另一手猛推推杆，艾绒即燃。该过程( ) A．艾绒的温度越高，含有的热量越多 B．内能转化为机械能 C．艾绒燃烧越充分，其热值越大 D．类似于内燃机的压缩冲程 D 12．(多选)关于内燃机，下列说法正确的是( ) A．汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞 B．汽油机适用于小型汽车，柴油机适用于载重汽车 C．柴油机在吸气冲程中，柴油和空气的混合物进入气缸 D．在做功冲程中，柴油机的燃气温度和压强比汽油机里的高 BD 13．(多选)我国某汽车企业自主研发的涡轮增压发动机的效率超过了40%。燃料在燃烧室燃烧后，产生的高温高压气体推动涡轮转动，输出动力。下列说法正确的是( ) A．燃料燃烧越充分，燃料的热值增大 B．燃料燃烧越充分，发动机效率越高 C．高压气体推动涡轮转动，内能减小 D．通过技术革新，发动机热效率可达100% BC 14．(通辽中考)课外活动中，某同学将刚喝完水的空矿泉水瓶的瓶盖拧上，握住上下两部分，用力拧成如图所示的形状，会看到瓶盖被弹出，并发出爆响声，同时瓶口内出现白雾。拧瓶子过程中瓶盖未弹出前跟汽油机 0冲程类似，瓶盖被弹出时，瓶内气体内能会 而导致温度降低，出现白雾。 压缩 减少 15．完全燃烧0.28 kg的酒精可放出 J的热量，这些热量能使热机效率为25%的汽车输出 J的有用功。[已知酒精的热值为3.0×107 J/(kg•℃)] 8.4×106 2.1×106 16．【现代科技】某款环保能源汽车——氢能重卡，采用氢燃料发动机获得动力。若某次运输过程中，汽车以300 kW的恒定输出功率，在水平公路上匀速直线行驶了20 min，汽车发动机的效率为75%。汽车牵引力做的功为 J；若这次行驶过程中消耗的氢能由柴油来提供，至少需要完全燃烧柴 kg。(q柴油＝4.0×107 J/kg) 3.6×108 12 17．小明家新买了一辆以汽油为燃料的小汽车。细心的小明发现行驶的速度不同时，耗油量不同。当小汽车以25 m/s的速度匀速行驶时最省油，此时发动机的功率为25 kW，发动机的效率为30%。若小汽车以最省油的速度行驶90 min，求在此过程中： (1)汽车发动机做的功； (2)汽车发动机产生的牵引力； (3)消耗汽油的质量(q汽油＝4.5×107 J/kg)。 解：(1)汽车发动机做的功： W＝Pt＝25×103 W×90×60 s＝1.35×108 J； (2)根据P＝＝＝Fv可知，汽车发动机产生的牵引力： F＝＝＝1 000 N； (3)汽油完全燃烧放出的热量： Q放＝＝＝4.5×108 J； 消耗汽油的质量：m＝＝＝10 kg。 18．【物理学与工程实践】上世纪人类制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。它的气室示意图如图，其工作原理是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室，压缩后再推入工作室，然后推动涡轮机带动发电机发电。那么当海水下降时阀门K1 (选填“打开”或“关闭”)、阀门K2 (同上)，海水 (选填“上升”或“下降”)相当于汽油机的压缩冲程。 关闭 打开 上升 【思路点拨】当海水下降时，气室的容积增大，其内部气体压强减小；当海水上升时，气室的容积减小，其内部气体压强增大。 跨学科实践　燃油汽车与电动汽车的对比研究 十二 目 录 CONTENTS 基础掌控 1 能力掌控 2 综合拓展 3 知识点1：热机效率与能量转换 1．现阶段，汽油机的热机效率可达到( ) A．15% B．25% C．55% D．75% B 2．燃油汽车的热机效率普遍较低，下列选项中不是主要原因的是( ) A．燃料燃烧不充分 B．废气带走大量热量 C．机械部件摩擦损耗 D．使用电能驱动 D 3．某燃油汽车的热机效率为25%，若其消耗2 kg汽油(热值4.6×107 J/kg)，求： (1)汽油完全燃烧释放的总能量； (2)该汽车实际转化的有用功。 解：(1)汽油完全燃烧释放的总能量： Q总＝2 kg×4.6×107 J/kg＝9.2×107 J； (2)该汽车实际转化的有用功： W有用＝9.2×107 J×25%＝2.3×107 J。 知识点2：电动汽车与环境保护 4．电动汽车相比燃油汽车的环保优势主要体现在( ) A．完全零污染 B．减少尾气排放中的CO2和颗粒物 C．电池生产无污染 D．充电速度更快 B 5．电动汽车分为纯电动汽车和插电混动汽车，相比纯电动汽车，插电混动汽车的优势可能体现在( ) A．充电时间更短 B．完全依赖电池供电 C．续航里程更长 D．无需燃油 C 6．为减小对环境的影响，“低碳出行”的合理方式是( ) A．短途出行尽量步行或骑自行车 B．购买大排量燃油车 C．频繁更换新能源汽车 D．长时间怠速停车 A 7．为实现国家关于“碳达峰、碳中和”环保目标，国家大力提倡发展新能源汽车，下列关于燃油汽车和纯电动汽车说法正确的是( ) A．燃油在发动机气缸中充分燃烧，排出的废气就不会污染环境 B．燃油汽车行驶时，将燃油的化学能转化为机械能再转化为内能 C．纯电动汽车行驶时，汽车内的电瓶将化学能转化为电能再转化为机械能 D．纯电动汽车行驶时实现了“零排放”，电动机可将其效率提高到100% C 8．氢能源汽车以氢为燃料，氢燃料的主要优点是 。某辆氢能源汽车以 35 kW 的功率在平直的公路上匀速行驶2 h，消耗了4 kg氢燃料，该氢能源汽车发动机的效率是 。(氢气的热值q＝1.4×108 J/kg) 热值大、污染小 45% 9．已知氢燃料汽车可实现CO2的零排放，而柴油动力汽车每燃烧1 kg柴油排放的CO2约3 kg。某柴油动力汽车行驶100 km耗油20 L，这20 L柴油完全燃烧释放热量 J；若改用氢燃料汽车在同一路段行驶相同的距离可减少约 kg的CO2排放。(ρ柴油＝0.8×103 kg/m3，q柴油＝4.3×107 J/kg) 6.88×108 48 $$