14章实践：调研我国新能源汽车的发展（讲义）物理新教材沪科版九年级全一册

14章 实践：调研我国新能源汽车的发展 课标要点 1. 物理观念 - 能说出内能的概念，辨析温度、内能、热量三个概念；能判断改变内能的两种方式（做功与热传递）。 - 能说出比热容的物理意义，用水的比热容大解释冷却液、供暖等现象，会用 Q=cmΔt 进行简单计算。 - 能描述热机四个冲程的能量转化，理解热值 Q=mq 和热机效率 η=W有用/Q放，并进行计算。 2. 科学思维 - 建立“燃油车：化学能→内能→机械能”与“电动车：电能→化学能→电能→机械能”的能量转化链模型，通过链条长短比较能量利用率。 3. 科学探究与态度责任 - 经历“查阅资料—实地考察—对比分析—报告交流—科学辩论”的调研全过程，体会物理与能源、环境的关系，形成低碳出行意识。 学习重难点 重点：内能概念的建立；做功与热传递的辨析；热机冲程与能量转化；热值与热机效率的计算。 难点：温度、内能、热量三者的辨析；理解电动车“更节能”的物理本质——能量转化路径短、无燃烧环节。 易错点：认为“温度高内能一定大”（忽略质量与状态）；把“热量”当“内能”用（热量是过程量）；认为热值与是否燃烧、质量多少有关。 一、情境处理 1. 故事线： 你家准备换一辆车，爸爸在燃油车和纯电动车之间犹豫。爸爸说：“油车加满一箱油5分钟就能跑600公里，电车充电半小时才跑400多公里，电池用几年还会衰减——国家为什么还大力推广电车？”周末你随爸爸去充电站实地考察，看到成排的充电桩和“电池温度监控”提示屏。你决定用刚学完的“内能与热机”知识，帮爸爸算清这笔账。 （教材第十四章实践配图：新能源汽车充电） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）电车真的“省能”吗？→ 关键不是“补能快慢”，而是“能量转化链条的长短与损耗”。 （2）燃油车的能量从哪里来、到哪里去？→ 汽油燃烧：化学能→内能→机械能，每一步都有损失（废气带走、散热、摩擦）。 （3）电动车的能量从哪里来、到哪里去？→ 电能→化学能（充电存入电池）→电能→机械能，全程没有燃烧环节。 （4）电池为什么会发热？→ 充放电时电流通过电池内部电阻做功，一部分电能转化为内能（电流的热效应）。 （5）怎样给电池“退烧”？→ 用比热容大的冷却液循环带走热量——水及其混合液的比热容大，升高相同温度吸热多。 2. 燃油汽车与纯电动汽车能量路径对比 项目 燃油汽车 纯电动汽车 能量源头 汽油（化学能，不可再生） 电网电能（可来自风、光等清洁能源） 核心装置 内燃机（热机） 动力电池＋电动机 能量转化链 化学能→内能→机械能 电能→化学能→电能→机械能 能量利用率 热机效率约30%～40% 电能→机械能效率约80%～90% 排放 尾气含CO、氮氧化物等污染物 行驶阶段基本零排放 其他损耗 怠速油耗、离合换挡损耗 电池充放电发热损耗 3. 课堂活动设计 环节一：资料汇总（8分钟） - 各小组汇报课前调研成果：我国新能源汽车的分类（纯电动、插电式混合动力、氢燃料电池）、产量数据与政策支持。 环节二：能量“账本”（12分钟） - 用能量流向框图分别画出两类汽车从“输入”到“车轮”的能量路径，标注每个损耗环节； - 算一算：燃油车行驶100 km耗油约8 kg（q汽油=4.6×10⁷ J/kg），输入能量多少？电动车行驶100 km耗电15 kW·h，输入能量多少？ 环节三：微型辩论（10分钟） - 正方“低碳出行首选电动车”，反方“电池的生产与废旧处理同样有污染”；要求辩词中至少使用两个物理概念（热值、效率、内能、比热容、能量守恒）。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：选车的“物理账”＝能量转化效率×能量来源的清洁度×全生命周期排放；效率的物理本质是减少能量转化环节中的损失。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 新能源汽车调研（内能与热机） ├── 内能 │ ├── 定义：物体内部所有分子热运动动能与分子势能的总和；一切物体都有内能 │ ├── 影响因素：质量、温度、状态（温度相同时气体>液体>固体） │ └── 改变方式：做功（能量的转化）与热传递（能量的转移），两者等效 ├── 比热容 │ ├── 定义：单位质量的某种物质温度升高1℃所吸收的热量；水最大，4.2×10³ J/(kg·℃) │ ├── 应用：电池热管理用“水-乙二醇”冷却液；热水供暖 │ └── 计算：Q吸=cmΔt；电池发热 Q=I²Rt（电流的热效应） ├── 热机（燃油车的核心） │ ├── 四个冲程：吸气→压缩→做功→排气，活塞往复2次、曲轴转2圈、对外做功1次 │ ├── 能量转化：压缩冲程 机械能→内能；做功冲程 内能→机械能 │ └── 热值：Q放=mq；热值是燃料的特性，与是否燃烧、质量无关 ├── 热机效率 │ ├── η=W有用/Q放×100%；燃油车热机效率仅30%～40% │ ├── 损失去向：废气带走、散热、机械摩擦 │ └── 对比：电动机效率约80%～90%，能量转化路径短、损耗少 └── 能量守恒定律 ├── 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，只会转化或转移 └── 转化有方向性：内能不可能自发地全部转化为机械能，效率必小于100% 学生必须能说出的“三句话” 1.“燃油车靠烧油，能量走‘化学能→内能→机械能’的长链，热机效率只有30%～40%。” 2.“电动车靠电池和电动机，能量转化不经过燃烧环节，效率可达80%～90%，行驶时几乎零排放。” 3.“电池发热是电流的热效应，给电池降温要选比热容大的冷却液——水的比热容最大。” 三、考题落点 落点1：内能与改变内能的方式 【考点】内能的概念；做功与热传递的辨析（能量的转化 vs 能量的转移）。 1．下列事例中，属于内能转化为机械能的过程是（　　） A．用电炉加热水　　B．衣服在阳光下暴晒升温　　C．火箭升空　　D．双手摩擦生热 答案：C 【详解】A、B是通过热传递改变内能（能量的转移）；D是克服摩擦做功，机械能转化为内能；C中燃气膨胀推动火箭，内能转化为机械能。故选C。 2．电动汽车充电时，电池会轻微发热。从能量转化角度看，充电时输入的电能主要转化为＿＿＿＿能储存起来，同时有一部分电能通过电流的＿＿＿＿效应转化为内能，使电池温度升高；停止充电后电池慢慢回凉，这是通过＿＿＿＿＿＿的方式改变电池内能的。 答案：化学；热；热传递 【详解】电池充电是把电能转化为化学能储存；电流通过电池内阻产生热量（Q=I²Rt）；回凉时热量从高温电池传向低温空气，属于热传递。 落点2：比热容与电池热管理 【考点】水的比热容大；Q=cmΔt 的计算；冷却液的选材依据。 3．新能源汽车电池热管理系统常用“水-乙二醇”混合液作冷却液循环散热，这主要是利用了水的＿＿＿＿较大的特性——相同质量、升高相同温度时能吸收更多的热量。若3 kg该冷却液温度从20℃升高到50℃，共吸收热量＿＿＿＿J。[c液=3.6×10³ J/(kg·℃)] 答案：比热容；3.24×10⁵ 【详解】Q吸=cmΔt=3.6×10³ J/(kg·℃)×3 kg×(50℃−20℃)=3.24×10⁵ J。 4．北方冬天用热水供暖，电动汽车用含水冷却液给电池散热，两者共同利用的物理属性是（　　） A．较大的热值　　B．较大的比热容　　C．较低的沸点　　D．较好的导电性 答案：B 【详解】水的比热容大，相同质量、降低相同温度时放出的热量多（供暖），升高相同温度时吸收的热量多（散热），故选B。热值是燃料的属性，与供暖散热无关。 落点3：热值与燃料燃烧放热 【考点】Q放=mq 的计算；热值是燃料本身的特性。 5．关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，热值等于零　　B．燃料完全燃烧时，它的热值最大 C．燃料的热值与燃料的质量和燃烧状态无关　　D．燃料燃烧时温度越高，释放的热量越多 答案：C 【详解】热值等于单位质量燃料完全燃烧放出的热量，是燃料本身的一种特性，只与燃料种类有关，与是否燃烧、质量多少、燃烧快慢均无关，故C正确；A、B错误；D中释放热量的多少由质量和热值共同决定，与燃烧温度无关。 6．一辆燃油汽车以100 km/h匀速行驶100 km，消耗汽油8 L。已知ρ汽油=0.7×10³ kg/m³，q汽油=4.6×10⁷ J/kg，求这些汽油完全燃烧释放的热量。 答案：2.576×10⁸ J 【详解】m=ρV=0.7×10³ kg/m³×8×10⁻³ m³=5.6 kg；Q放=mq=5.6 kg×4.6×10⁷ J/kg=2.576×10⁸ J。 落点4：热机冲程与热机效率 【考点】四冲程的能量转化；η=W有用/Q放 的计算。 7．如图所示，在试管里注入少量水，用软木塞塞紧管口，用酒精灯加热。水沸腾后，水蒸气把软木塞斜向上冲出去。 （1）软木塞被冲出的过程中，水蒸气的＿＿＿＿能转化为软木塞的＿＿＿＿能，这与汽油机的＿＿＿＿冲程中的能量转化相同； （2）水蒸气对软木塞做功后，其内能＿＿＿＿（选填“增大”“减小”或“不变”），温度＿＿＿＿； （3）试管口冒出的“白气”是＿＿＿＿（填物态变化名称）形成的。 答案：（1）内；机械；做功　（2）减小；降低　（3）液化 【详解】水蒸气膨胀对软木塞做功，内能转化为机械能，与汽油机做功冲程相同；对外做功后水蒸气内能减小、温度降低；“白气”是水蒸气遇冷液化成的小水滴，不是水汽化形成的水蒸气。 8．某汽车发动机的效率为30%，汽车以90 km/h匀速行驶1 h，共消耗汽油6 kg（q汽油=4.6×10⁷ J/kg）。求发动机做的有用功。 答案：8.28×10⁷ J 【详解】Q放=mq=6 kg×4.6×10⁷ J/kg=2.76×10⁸ J；W有用=ηQ放=30%×2.76×10⁸ J=8.28×10⁷ J。 落点5：两类汽车综合对比计算（中考压轴风格） 【考点】热值、热机效率、电功率与电能的综合计算；用数据支撑“电动车更节能”的结论。 9．某燃油车与某纯电动车均以72 km/h匀速行驶100 km。已知：燃油车耗油8 kg，发动机效率为30%；电动车耗电15 kW·h，电能转化为机械能的效率为80%。（q汽油=4.6×10⁷ J/kg，1 kW·h=3.6×10⁶ J） （1）燃油车获得的机械能是多少？ （2）电动车获得的机械能是多少？ （3）通过计算说明为什么说电动车“更节能”。 答案：（1）1.104×10⁸ J　（2）4.32×10⁷ J　（3）见详解 【详解】（1）Q放=mq=8 kg×4.6×10⁷ J/kg=3.68×10⁸ J；W1=ηQ放=30%×3.68×10⁸ J=1.104×10⁸ J。 （2）W电=15 kW·h=5.4×10⁷ J；W2=ηW电=80%×5.4×10⁷ J=4.32×10⁷ J。 （3）燃油车输入能量3.68×10⁸ J，只得到1.104×10⁸ J的机械能，约70%的能量以废气、散热等形式损失；电动车输入5.4×10⁷ J，得到4.32×10⁷ J的机械能，损耗很小。燃油车能量转化链条长、损失大，电动车转化路径短、效率高，所以更节能。 落点6：跨学科开放简答 【考点】结合能量转化效率与能源来源，论证“低碳出行”；辩证看待新能源的环境问题。 10．结合本次调研，从物理角度写出两条支持“低碳出行、推广电动车”的理由，并指出目前电动汽车仍存在的环境问题。 答案：示例：①电能可由风能、太阳能等清洁能源转化而来，且行驶阶段几乎零尾气排放；②电动机能量转化效率高（80%～90%），远高于热机，减少了能量浪费。 存在的问题：电池生产环节耗能较大，废旧电池若回收处理不当会污染土壤和水体；目前我国部分电能仍来自火力发电。 四、总结 1. 燃油车：化学能→内能→机械能，热机效率仅30%～40%，大量能量随废气、散热损失。 2. 电动车：电能→化学能→电能→机械能，效率可达80%～90%，行驶阶段零排放。 3. 电池发热是电流的热效应，冷却靠比热容大的液体；“节能”的物理本质＝缩短能量转化链条、减少每一环的能量损失。 课后任务（二选一）： - A：完成《我国新能源汽车发展现状及前景》调查报告，须含“燃油车—电动车”能量转化对比框图。 - B：以“践行低碳生活，实现可持续发展”为主题，给家里写一份《电动车选购建议书》，至少使用3个物理概念并说清理由。 学科网（北京）股份有限公司 $ 14章 实践：调研我国新能源汽车的发展 课标要点 1. 物理观念 - 能说出内能的概念，辨析温度、内能、热量三个概念；能判断改变内能的两种方式（做功与热传递）。 - 能说出比热容的物理意义，用水的比热容大解释冷却液、供暖等现象，会用 Q=cmΔt 进行简单计算。 - 能描述热机四个冲程的能量转化，理解热值 Q=mq 和热机效率 η=W有用/Q放，并进行计算。 2. 科学思维 - 建立“燃油车：化学能→内能→机械能”与“电动车：电能→化学能→电能→机械能”的能量转化链模型，通过链条长短比较能量利用率。 3. 科学探究与态度责任 - 经历“查阅资料—实地考察—对比分析—报告交流—科学辩论”的调研全过程，体会物理与能源、环境的关系，形成低碳出行意识。 学习重难点 重点：内能概念的建立；做功与热传递的辨析；热机冲程与能量转化；热值与热机效率的计算。 难点：温度、内能、热量三者的辨析；理解电动车“更节能”的物理本质——能量转化路径短、无燃烧环节。 易错点：认为“温度高内能一定大”（忽略质量与状态）；把“热量”当“内能”用（热量是过程量）；认为热值与是否燃烧、质量多少有关。 一、情境处理 1. 故事线： 你家准备换一辆车，爸爸在燃油车和纯电动车之间犹豫。爸爸说：“油车加满一箱油5分钟就能跑600公里，电车充电半小时才跑400多公里，电池用几年还会衰减——国家为什么还大力推广电车？”周末你随爸爸去充电站实地考察，看到成排的充电桩和“电池温度监控”提示屏。你决定用刚学完的“内能与热机”知识，帮爸爸算清这笔账。 （教材第十四章实践配图：新能源汽车充电） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）电车真的“省能”吗？→ 关键不是“补能快慢”，而是“能量转化链条的长短与损耗”。 （2）燃油车的能量从哪里来、到哪里去？→ 汽油燃烧：化学能→内能→机械能，每一步都有损失（废气带走、散热、摩擦）。 （3）电动车的能量从哪里来、到哪里去？→ 电能→化学能（充电存入电池）→电能→机械能，全程没有燃烧环节。 （4）电池为什么会发热？→ 充放电时电流通过电池内部电阻做功，一部分电能转化为内能（电流的热效应）。 （5）怎样给电池“退烧”？→ 用比热容大的冷却液循环带走热量——水及其混合液的比热容大，升高相同温度吸热多。 2. 燃油汽车与纯电动汽车能量路径对比 项目 燃油汽车 纯电动汽车 能量源头 汽油（化学能，不可再生） 电网电能（可来自风、光等清洁能源） 核心装置 内燃机（热机） 动力电池＋电动机 能量转化链 化学能→内能→机械能 电能→化学能→电能→机械能 能量利用率 热机效率约30%～40% 电能→机械能效率约80%～90% 排放 尾气含CO、氮氧化物等污染物 行驶阶段基本零排放 其他损耗 怠速油耗、离合换挡损耗 电池充放电发热损耗 3. 课堂活动设计 环节一：资料汇总（8分钟） - 各小组汇报课前调研成果：我国新能源汽车的分类（纯电动、插电式混合动力、氢燃料电池）、产量数据与政策支持。 环节二：能量“账本”（12分钟） - 用能量流向框图分别画出两类汽车从“输入”到“车轮”的能量路径，标注每个损耗环节； - 算一算：燃油车行驶100 km耗油约8 kg（q汽油=4.6×10⁷ J/kg），输入能量多少？电动车行驶100 km耗电15 kW·h，输入能量多少？ 环节三：微型辩论（10分钟） - 正方“低碳出行首选电动车”，反方“电池的生产与废旧处理同样有污染”；要求辩词中至少使用两个物理概念（热值、效率、内能、比热容、能量守恒）。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：选车的“物理账”＝能量转化效率×能量来源的清洁度×全生命周期排放；效率的物理本质是减少能量转化环节中的损失。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 新能源汽车调研（内能与热机） ├── 内能 │ ├── 定义：物体内部所有分子热运动动能与分子势能的总和；一切物体都有内能 │ ├── 影响因素：质量、温度、状态（温度相同时气体>液体>固体） │ └── 改变方式：做功（能量的转化）与热传递（能量的转移），两者等效 ├── 比热容 │ ├── 定义：单位质量的某种物质温度升高1℃所吸收的热量；水最大，4.2×10³ J/(kg·℃) │ ├── 应用：电池热管理用“水-乙二醇”冷却液；热水供暖 │ └── 计算：Q吸=cmΔt；电池发热 Q=I²Rt（电流的热效应） ├── 热机（燃油车的核心） │ ├── 四个冲程：吸气→压缩→做功→排气，活塞往复2次、曲轴转2圈、对外做功1次 │ ├── 能量转化：压缩冲程 机械能→内能；做功冲程 内能→机械能 │ └── 热值：Q放=mq；热值是燃料的特性，与是否燃烧、质量无关 ├── 热机效率 │ ├── η=W有用/Q放×100%；燃油车热机效率仅30%～40% │ ├── 损失去向：废气带走、散热、机械摩擦 │ └── 对比：电动机效率约80%～90%，能量转化路径短、损耗少 └── 能量守恒定律 ├── 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，只会转化或转移 └── 转化有方向性：内能不可能自发地全部转化为机械能，效率必小于100% 学生必须能说出的“三句话” 1.“燃油车靠烧油，能量走‘化学能→内能→机械能’的长链，热机效率只有30%～40%。” 2.“电动车靠电池和电动机，能量转化不经过燃烧环节，效率可达80%～90%，行驶时几乎零排放。” 3.“电池发热是电流的热效应，给电池降温要选比热容大的冷却液——水的比热容最大。” 三、考题落点 落点1：内能与改变内能的方式 【考点】内能的概念；做功与热传递的辨析（能量的转化 vs 能量的转移）。 1．下列事例中，属于内能转化为机械能的过程是（　　） A．用电炉加热水　　B．衣服在阳光下暴晒升温　　C．火箭升空　　D．双手摩擦生热 2．电动汽车充电时，电池会轻微发热。从能量转化角度看，充电时输入的电能主要转化为＿＿＿＿能储存起来，同时有一部分电能通过电流的＿＿＿＿效应转化为内能，使电池温度升高；停止充电后电池慢慢回凉，这是通过＿＿＿＿＿＿的方式改变电池内能的。 落点2：比热容与电池热管理 【考点】水的比热容大；Q=cmΔt 的计算；冷却液的选材依据。 3．新能源汽车电池热管理系统常用“水-乙二醇”混合液作冷却液循环散热，这主要是利用了水的＿＿＿＿较大的特性——相同质量、升高相同温度时能吸收更多的热量。若3 kg该冷却液温度从20℃升高到50℃，共吸收热量＿＿＿＿J。[c液=3.6×10³ J/(kg·℃)] 4．北方冬天用热水供暖，电动汽车用含水冷却液给电池散热，两者共同利用的物理属性是（　　） A．较大的热值　　B．较大的比热容　　C．较低的沸点　　D．较好的导电性 落点3：热值与燃料燃烧放热 【考点】Q放=mq 的计算；热值是燃料本身的特性。 5．关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，热值等于零　　B．燃料完全燃烧时，它的热值最大 C．燃料的热值与燃料的质量和燃烧状态无关　　D．燃料燃烧时温度越高，释放的热量越多 6．一辆燃油汽车以100 km/h匀速行驶100 km，消耗汽油8 L。已知ρ汽油=0.7×10³ kg/m³，q汽油=4.6×10⁷ J/kg，求这些汽油完全燃烧释放的热量。 落点4：热机冲程与热机效率 【考点】四冲程的能量转化；η=W有用/Q放 的计算。 7．如图所示，在试管里注入少量水，用软木塞塞紧管口，用酒精灯加热。水沸腾后，水蒸气把软木塞斜向上冲出去。 （1）软木塞被冲出的过程中，水蒸气的＿＿＿＿能转化为软木塞的＿＿＿＿能，这与汽油机的＿＿＿＿冲程中的能量转化相同； （2）水蒸气对软木塞做功后，其内能＿＿＿＿（选填“增大”“减小”或“不变”），温度＿＿＿＿； （3）试管口冒出的“白气”是＿＿＿＿（填物态变化名称）形成的。 8．某汽车发动机的效率为30%，汽车以90 km/h匀速行驶1 h，共消耗汽油6 kg（q汽油=4.6×10⁷ J/kg）。求发动机做的有用功。 落点5：两类汽车综合对比计算（中考压轴风格） 【考点】热值、热机效率、电功率与电能的综合计算；用数据支撑“电动车更节能”的结论。 9．某燃油车与某纯电动车均以72 km/h匀速行驶100 km。已知：燃油车耗油8 kg，发动机效率为30%；电动车耗电15 kW·h，电能转化为机械能的效率为80%。（q汽油=4.6×10⁷ J/kg，1 kW·h=3.6×10⁶ J） （1）燃油车获得的机械能是多少？ （2）电动车获得的机械能是多少？ （3）通过计算说明为什么说电动车“更节能”。 落点6：跨学科开放简答 【考点】结合能量转化效率与能源来源，论证“低碳出行”；辩证看待新能源的环境问题。 10．结合本次调研，从物理角度写出两条支持“低碳出行、推广电动车”的理由，并指出目前电动汽车仍存在的环境问题。 四、总结 1. 燃油车：化学能→内能→机械能，热机效率仅30%～40%，大量能量随废气、散热损失。 2. 电动车：电能→化学能→电能→机械能，效率可达80%～90%，行驶阶段零排放。 3. 电池发热是电流的热效应，冷却靠比热容大的液体；“节能”的物理本质＝缩短能量转化链条、减少每一环的能量损失。 课后任务（二选一）： - A：完成《我国新能源汽车发展现状及前景》调查报告，须含“燃油车—电动车”能量转化对比框图。 - B：以“践行低碳生活，实现可持续发展”为主题，给家里写一份《电动车选购建议书》，至少使用3个物理概念并说清理由。 学科网（北京）股份有限公司 $