第22章 第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案-【优化设计】2025-2026学年新教材九年级全一册物理同步测控全优设计(人教版2024)

第3节 跨学科实践： 昼|知识清单 1.人们是在能量的 或 的过程中利用能量的，由于在能量的使用 过程是有 性、 的，所 以能量的利用是有条件的，我们所能利用 的能源是有限的。因此，要注意节约能源。 2.我们生活中使用的能源主要有天然气、液 化石油气、电能、煤等，在这些能源中，其 中， 属于一次能源， 属于二次能源； 属于不 可再生能源。电能是我们经常使用的能 源，现代社会离不开电能，是因为电 能 3.太阳能属于 (选填“不可再生能 源”或“可再生能源”)。目前直接利用太阳 能的方式主要有两种：一种是用 把水加热：另一种是用 把太阳能转化为电能。 恩练基础 千里之行始于足下 知识点)节约能源 1,为节约能源，某型号汽车在关闭发动机后，通过 小型发电机将减速运动时的部分动能转化为电 能储存在蓄电池中。表中是该型号汽车的部分 技术参数，其中储能效率是指汽车正常行驶时， 关闭发动机直至汽车停止的过程中，通过发电 机将动能转化为电能的效率。耗油量是指汽车 正常行驶100km消耗汽油的体积。(0*繃= 0.7×103kg/m,9%油=4.6×10J/kg) 总质量/kg 1200 储能效率 50% 耗油量/儿L·(100km)-1] 9 第3节黔学科实践：为节约能源设计方案O物理 为节约能源设计方案 (1)发电机是根据 原理发电的； 发电过程中，动能除了转化为电能外， 由于线圈有电阻，还有部分能量转化为 能：行驶过程中，给汽车提 供动力的是四冲程汽油机的 冲程。 (2)汽车轮胎表面有凹凸不平的花纹，从物 理角度看，这样做是为了 (3)该汽车油箱加满汽油时，汽油的深度为 40cm,则加满汽油时油箱底部受到汽油 的压强为 Pa。(g取10N/kg) (4)若汽车在平直路面上匀速直线行驶时的动 能E-4.6×10J。某时刻关闭发动机，同 时发电机开始工作，动能转化为电能，这部 分电能相当于 g汽油完全燃烧 释放的热量。 2.据公安部2024年7月8日发布的统计数 据，成都以超600万辆的汽车保有量位居全 国第一。小成家里新购置了一台新能源汽 车，元旦节全家自驾游玩。 16km·h/100km 甲 -36km·h/100km ) (1)汽车在平直的公路上匀速行驶时，小成 看到仪表盘显示“16kW·h/100km” (如图甲所示)。小成爸爸踩刹车减速， 小成惊讶地发现仪表盘显示 “-36kW·h/100km”(如图乙所示)。 汽车的电耗为什么会显示为负数？这 是新能源汽车的动能回收功能，电动机 可以将车辆减速时的机械能转化为电 能并储存于蓄电池中。下列与新能源 汽车有关的说法，错误的是 (选填字母)。 153 物理/第二十二章能源与可持续发展 A.汽车充电时，电能转化为蓄电池的化 学能 B.“16kW·h/100km”说明汽车每行 驶100km消耗电能16kW·h C.汽车在加速和刹车过程中，电动机工 作情况相同 (2)小成家新能源汽车的电池容量是 66kW·h,他们利用直流快速充电桩 以恒定功率进行充电，将电池电量从 22%充至80%，用时30min,则快速充 电时的功率为 W。 (3)新能源车需要充电，我国每年发电量中 大部分来自火力发电，同样会排放二氧 化碳等温室气体。在二氧化碳排放方 面，新能源车和燃油车谁相对较为环保 呢？跨学科实践小组查询到，国家电网 数据显示我国由火力发电获取电能的二氧 化碳排放系数约为0.6kg/(kW·h),即每 消耗1kW·h电能相当于排放0.6kg 的二氧化碳。燃油车行驶时的二氧化 碳排放系数约为0.4kg/km,即每行驶 1km相当于排放0.4kg的二氧化碳。 小成以自家新能源汽车的电耗 “16kW·h/100km”计算，每行驶 10km,新能源汽车相当于排放 kg的二氧化碳。因此，在二氧化 碳排放方面，新能源车与燃油车相对较 为环保的是 车。 3.在新能源汽车能量回收中，制动能量回收 是最常见的，它主要是回收车辆在制动或 惯性减速时释放出的多余能量并通过发电 机将其转化为电能，再转存至蓄电池中用 于汽车的动力行驶。 XX型汽车 总质量(kg) 1600 储能效率(%) 60 耗油量(L/100km】 2 154 某型号的新能源汽车是通过小型发电机将 诚速运动时的部分动能转化为电能储存在 蓄电池中。表中所示是该型号汽车的部分 技术参数，其中储能效率是指汽车正常行 驶时关闭发动机，直至汽车停止的过程中， 通过发电机将动能转化为电能的效率。耗 油量是指汽车正常行驶100km消耗燃油 的体积。测试中，先让汽车正常行驶，然后 关闭发动机，分别测出开启和关闭发电机 两种情况下，汽车通过的路程s与对应的速 度大小，计算出动能Ek,作出Ek-s图像， 如图所示。 ↑E, E ② 回答下列问题： (1)汽车正常行驶100km,消耗燃油的质量 为 kg,完全燃烧这些燃油产 生的热量为 J。(燃油的密度 p=0.7×103kg/m3,热值q=4.6× 10J/kg) (2)由Ek-s图像可知，表示开启发电机进 行测试的图线是 (选填“①” 或“②”)。 (3)测试时，汽车在大小为800N的牵引力 作用下，以20m/s的速度正常行驶 1000m。此过程中，汽车牵引力的功率 是 kW。 (4)若汽车正常行驶时的动能Eo=4.5× 105J,某时刻关闭发动机，同时发电机 开始工作，最终有 J的动能 转化为内能。 4.某高校科研人员根据西藏地区太阳辐射 强、供暖周期长等特点，为藏区某县设计了 太阳能供暖蓄热系统。该系统由集热、蓄 热和供暖三部分组成，其基本工作过程如 图1所示。集热板白天接收太阳辐射时，其 内部水温升高，然后通过热交换器，使蓄水 箱内水温升高，再通过水泵将热水送入用 户。集热板无法供热时，蓄水箱与热交换 器之间阀门关闭。晴天时，集热板获得的 内能不仅能满足县城用户全天24小时的取 暖需求，同时富余的内能可储存在蓄水箱 中，用以解决阴雨天集热板无法供热的 问题。 集热 蓄热 供暖 太阳能集热板热交换器 供暖管道 蓄水箱 用户 图1太阳能供暖蓄热系统 图2太阳能集热板 外玻璃管 内玻璃管 真空 (涂有黑色吸热材料) 图3双层玻璃吸热管 如图2所示，太阳能集热板中有许多玻璃吸热 管并列排布，每根玻璃吸热管由双层玻璃管组 成。双层玻璃管之间是真空，真空不利于热量 的传递，如图3所示是双层玻璃吸热管的内部 结构，其与保温瓶的玻璃内胆相似，只是在玻 璃吸热管的内表面涂了一层黑色的吸热材料， 能更有效地吸收太阳能。 同学们用所学知识对该县太阳能供暖蓄热 系统某一天的数据进行了简单的分析，为 便于计算，工作过程和相关数值均做了简 第3节黔学科实践：为节约能源设计方案口物理 化处理，如表所示。不计集热板到蓄水箱 之间的管道、热交换器的热损失。[水的比 热容为4.2×10J/(kg·℃)] 蓄水箱全天持续 集热板每小 供暖输出能量（含 时、每平方米 集热板面积 用户得到的内能、 接收的太阳辐 蓄水箱和供暖管 射能量 道的热损失) 3×10°J 4×10m2 1.74×10"J (1)太阳光照射到集热板中黑色吸热材料 上，使管内的水变热，这是通过 的方式改变内能。 (2)图3中，能否将黑色的吸热材料涂在外 玻璃管的表面上？请判断并说明理由： (3)若这一天光照时长为10h,集热板的光 热转化效率为60%，则集热板中的水获 得的内能是 J:这些内能，一 方面通过蓄水箱对用户全天持续供暖， 另一方面使得蓄水箱内水的温度最终 升高了10℃。请分析计算该蓄水箱中 水的质量至少是 kg。 (4)假设该县城用户均采用地暖供热。根 据地暖供热标准，用户的进水温度不低 于40℃。若上述系统这一天持续供暖 结束后，蓄水箱水温为50℃，接下来为 连续阴雨天气，该蓄水箱储存的内能是 否还能为县城用户按标准持续供暖 3天？请判断并说明理由： 5.根据材料回答问题。 石墨烯—改变世界的神奇新材料 石墨烯(Graphene)是碳的同素异形 体，堆叠在一起的石墨烯层（大于10层）即 形成石墨，层间通过分子间的作用力保持 在一起，晶面间距0.335鈉米。石墨烯具有 155 物理/第二十二章能源与可持续发展 优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微 纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面 具有重要的应用前景，被认为是一种未来 革命性的材料。 最常见的石墨烯取暖壁画就是石墨烯 的应用，其原理很简单，将近乎透明的石墨 烯发热膜加入其中，通电后能使壁画表面 温度快速达到90℃，使所在空间迅速温暖 起来，且加热无死角。具有使用寿命长、保 温持久等优势并且安全系数高，具有独特 防爆免烫和温控保护装置（温度达到设定 温度可自动切断电源或保温)。 (1)从材料的导电性能说，这种石墨烯属于 (2)石墨烯取暖壁画在工作的过程中，将电 能转化为 (3)石墨烯取暖壁画中的温控保护装置，在 电路中的作用相当于电路中的一 个 (4)石墨烯取暖壁画相比传统采暖方式更 节能、环保，除此之外，请在文中再找出 一个它的优势： ②|练提能 百尺竿头更进一步 阅读下文，回答问题： 空气能热水器 我们把温度较高的物体具有的能量称 为内能，空气能热水器（图甲）是吸收空气 的内能来制造热水的装置，其耗能约为电 热水器的四分之一。空气能属于可再生的 新能源，拥有先天的节能环保的优势。 156 压缩机 空气 ↓储水箱 +出水 蒸发器 冷凝器 吸热 +进水 制冷剂 毛细管 乙 图乙是空气能热水器的工作原理示意图， 它主要由储水箱、毛细管、蒸发器、压缩机、 冷凝器等部件组成，制冷剂在毛细管、蒸发 器、压缩机、冷凝器之间的循环过程与我们 所熟悉的电冰箱的制冷循环过程相同，其 工作过程如下： A,液态制冷剂经过一段很细的毛细管缓慢地 进入蒸发器，在蒸发器迅速① 并从空气中吸收热能： B.制冷剂经过蒸发器生成的蒸气被压缩机 压缩后变成高温高压的蒸气进入 冷凝器； C.在冷凝器中，高温高压的蒸气将内能传 递给冷水后蒸气发生② 。制 冷剂依此不断循环流动，使水的温度不 断上升。 请你根据上述材料，回答下列问题： (1)给短文中的①、②两处补写上适当的物 态变化。 (2)在循环过程中，制冷剂流经部件 (选填字母)时从空气中吸 收热量。 A.毛细管 B.冷凝器 C.压缩机 D.蒸发器 (3)在循环过程中，高温高压的蒸气在冷凝 器中通过 方法使气体液化。 (4)制冷剂在工作循环过程中，将 中的内能不断地“搬运”至 中。 (5)由空气能热水器的工作原理，管中的 “制冷剂”应具有沸点较 (选 填“高”或“低”)的物理性质。 三引练素养 探究创新发展素养 主题四：能的交响一跨学科中的物理 电能，现代生活的无形力量，贯穿于各个学 科领域，让我们揭开它在跨学科应用中的 神秘面纱吧。 (1)冬天，小明的外婆总是手冷，他想为外 婆做一个“暖宝宝”。 【驱动任务】制作一个暖宝宝。 【方案设计】小明选择了5节串联的镍氢 电池（每节电池充满电时电压为1.2V, 一个电阻、开关和导线等材料，并绘制 了电路图，如图甲所示。 ①小明了解到，为了使暖宝宝发热温度 适宜，应控制发热功率不高于12W,他 应选用最小阻值R= n的电阻。 ②小明希望暖宝宝通电后，能较快变 热，他选择水作为介质，你认为可行吗？ 请说明理由： ③小明了解到，某款暖宝宝的广告词中提 到“使用天然鹅绒代替塑胶，保暖性能提升 6倍”。请推测，导热性能更好的是 (选填“天鹅绒”或“塑胶”)。 ④暖宝宝刚通电时，温度没有明显的变 化，外婆以为暖宝宝坏了。但过了一段 时间，暖宝宝温度有明显升高。为了让 电路接通后能立即判断暖宝宝是否正 常工作，请在以上电路中增加一个电学 第3节黔学科实践：为节约能源设计方案。物理 元件： ⑤外婆觉得暖宝宝温度偏低，请你对产 品的电路设计提出改进建议： (2)小明家预购置一部新能源汽车。他了 解到，某品牌汽车将搭载先进的“刀2” 技术，有望帮助纯电车型的续航顺利突 破1000km。于是小明查阅了关于第 二代刀片电池的相关信息： “刀片电池是一种新型的磷酸铁锂 电池，第二代刀片电池在技术上进行了 多项优化和升级。采用了新型风液混 合均温散热系统，以更好地控制电池包 的温度，降低发热概率。能量密度从第 一代的140W·h/kg增至第二代的 190W·h/kg,提升幅度高达35%，这 一提升有望显著提高纯电动车的续航 水平…” 什么是电池能量密度？它的提升对汽 车续航有多大影响？小明展开了项目 式学习。 【项目任务】提高电池能量密度对续航 的影响。 【子任务一】了解电池能量密度。 “电池能量密度是衡量电池性能的一个 重要指标，指电池充满电时储存的电能 与其质量的比值。高质量能量密度的 电池在相同重量下能提供更多的电能。 不同类型的电池具有不同的能量密度。 电池能量密度还受到其材料体系的影 响。此外，材料压实密度、碳含量和活 性物质百分比、电解液、电池制造工艺、 温度和压力等环境因素，都会影响电池 能量密度。” ①阅读上文，写出电池能量密度的文字 表达式： 157 物理/第二十二章能源与可持续发展 ②小明联想到，寒假时，家里的电动汽 车在北方老家时的续航里程比在深圳 时低，请你据此提出一个影响电池能量 密度大小的猜想： 【子任务二】比较电池的能量密度。 小明发现他的遥控车有两种不同的充 电电池：镍氢电池（充满电时电压为 1.2V)和锂离子电池（充满电时电压为 3.7V),他设计了以下方案比较两者的 能量密度： ③将两种电池充满电，分别与相同规格 的小灯泡、开关、导线连接，如图乙 所示。 ④用秒表记录小灯泡工作的时间t。 ⑤根据W=Ut可知，小灯泡工作的时 间t与消耗的电能W成正比，求出时间 t和电池质量m之比，即可比较几种电 池密度。 ⑥小明有额定电压为2.5V和3.8V 这两个规格的小灯泡，他应选择 V的小灯泡做实验。 ⑦请你写出小明的实验方案存在的不 合理之处： 小红在此基础上，添加了电压表和电流 表。实验中收集到的数据如下： 电池 电压表 电流表 灯泡工 电池总 种类 示数 示数 作时间 质量 锂离子 3.7V 0.3A 200 min 38g 电池 镍氢 2.4V 0.24A 500 min 50g 电池 158 通过计算，能量密度较大的是 【子任务三】电池能量密度的提升对续 航的影响。 ⑧小明查阅到一款电车的相关参数如 下表，还了解到汽车在行驶时，除了受 到地面的摩擦力，还会受空气阻力，该 款汽车在常温常压下，在车速大于 5m/s时，空气阻力的大小与汽车行驶 速度的平方成正比，如图丙所示。请结 合以上信息，计算在满电状态下，该汽 车用第二代刀片电池比起第一代刀片 电池，在水平沥青道路（摩擦力约为总重力 的0.015)上，以最高时速匀速行驶，理论 上最多能增加续航 km。(结果 保留一位小数，不计零件之间的摩擦) 总质量 1.5t 电池能量密度 140W·h/kg 电池质量 300kg 最高续航 600km 最大功率 160kW 最大时速 160 km/h FIN 34.3 30/(m·s） ⑨实际上，汽车在满电状态下，也达不 到预期续航公里数。请你提出一条除 了提高电池能量密度以外的提升续航 的策略：2.1西像声看()电视名(3》接枚天线 人篇被器制4反射 生蓄能 1,C1BD量3B4电世半导格 味格益 1.C1D5,G4B5,C6,8 客，电精霞多×1射网 味蜜养 受24静止32)仍然a)ǜ.48 章末复习 知该随理 1)电藏的远逸受化(2)3X砂m/:(3)将青候电值 号细能到高解电流上的装置《4)从天授接散州的备 阵电刚波中透由周要的补定解率(5)卫星 〔6蓝光 药暴男 1.C1C天B 高国考点提升练 I.C1A美D 4簧化电 多，(1》VC(2)清通玻填石奏盘第 ,月声足位电赋使 象增如电展 来.电幅被3×1 10电蓝陵减少能球（坡到） 第二十二章能藏与可持续发展 第1、2节能源利用的现状和面面的机战 新能源的发展 妇镜清单 1.(厘石镇天格气〔》直楼(3动直接 1左性 案气3)不化石核 水阳 橙小 小相高 D 28 3- 改4A 5.习 不可 太阳核变 12D支B4C5DsC,B 生 不司 热肌 第3节需学科实提：为节钩能源设计方案 天松气.流化石气。 再生留家热落太阳电池 .1C2)76560B0.96新 44×1g(2 4,热传通不，因为坡璃是热的不良体，势 管中又有真空层，不制于将桃量低通输管内的水 2.机内保 3,2×1110)，由：水箱中水低 不同，竖直向上露身更高，隔相同力崖装出同一 ,3×1减×(0-0C)-66×10」.可以t量 点时，酷球的速度为，动能为零，球的时能全 5.46×10 转化成了重力势：斜向上达%量高点时。 有刻常飞行的使度药川有成佳意力势能更小，上升 的高度更小 三导体2内3)并关 4可以使所在空群 14.1期等《2)自下霄上质量(3》座编(4)热数 15.1)第袖吸收的热量为8×10的J (2)D(3)降低温度 )这按纳量用天然气来是侯，需要完全题毯 空气5 0.015的天气 解析们》某油项夜的离量为Q A520 10j/kE,e)×2krX(17mC-20℃)■6×1WJi [)围为天飘气完会病是释教时病量全每故素海项 会服响电的能量榜 量密度接小 小灯不雀正工作， 但两端的电乐与通过的电的积不 10x-4,15m 周三)电克与电路151一153) 摩末夏习 LA ZA 3.D 4.C 5.B 6.D T.D 8.A :读植理 电子的转路负 门》一次能顿和二次能图(3)核数变(3)做酸变 1山，电电能转为其形式的能通雨 再生和不可再生 1并发光 13.白不 1,D2A表D4CB 高国事或每开缩 .不国再生 4.用电可再生.一石可再生 .CAA0B 11变 14.如图辉录 绿 1生核聚变汽化 14A15.D16.D17.A18.D 置测（一）内能(13,1-13.3) 1.D1.A1C4.B5B6B 7.广酸力系磁请比热容 10.A46×10无关 1L冰决的痒程验果更好：明为冰比铁（不铸解）的比外容 15.D造松异种 w5可知，相同赁量的不绣解扶如米块， 2帝电物体可以吸引其他经小物体不都网 升高相同圆度时，冰块暖收的热限多，同时，球典够乾 (3)角得到《4)距离 自会吸收坞量，所以相司质量的不精铜块和冰块相 16.们断开2)L与灯座接制不良(3)问 比，米块磨围效果更好 固调（四）电流与电流规律 11(1)分子在水不停息地酸无规则运请 (15.4-15,5) (2)分手之间存在图夏作用的引力 LB1.B及4A&A6BTD (3)分子之间有 .分度值正+)（一 (3)9421×10 (4)延拍水末 ()保证相同时可水有耀的景枚的热量例 (6)减少水和型液的通量 14(1)水吸位的热量为22×旷J: (2)金风旋的比热容为03×世1/(g·C): 解析(1)未竖收的热量，Q■c4,《一，)=2× 10/Ca·℃3X1w×9七-0℃=252×10 (2)素计满量湖失，到平衡看，水、金属块岭木盛相网，为 0口，金品块蓝由的热量等于水吸收特热童，即Q。 13.(1)不解2)如所京 热家：一 03X10J/ 周满（二）肉的利用(141一4.4) 6.A 7.C 机械使转化为内1,0, 3断开44)灯新醉 [)只通一次实晚，结论具有属挡性 14.1)过灯L的电流为.4A 2)过打卷1的电流0,3A 解省开美S用时，行和并，电流表A。 千落电流，千电流7A,(1)电选A 测通1老流，射过女七，的电流1=04A 图测（五） 电压与甩压规 (16.116.2) 1.B1C支A4ACB 1.23 ，36 4.54.5 10.74 1L.349 12.《1)素开(2)不同 《)并电压表的正、角接线柱接反了 4 13,1)阿灯醛不爱光如丽所示 ■ 《2)2,83不学《40= 14.1)龟电灰为9V: 2)灯端的电压为4V 43)灯L 编的电压为5V 表测老薄起属，形电源电压=BV:()音开美接 压等于养分电阻高的压之和，所灯L高的 电压U,=U-U,=gV-4V=V, 周测（六）电阻及电阻器 （16.316.5) 1.C1D3.B4,A5.D6B 长 5×10 1n.305 10 1L,AP空 12.在图清 13.<能岭电随度的升增大 测K七)）欧明定17.1-17.2) 1.D2,DD48 &105000 1.250,14 k11111 18t.2L6 0.《山开最大阳值 (2电阳及新周