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燃油汽车与电动汽车的对比研究--初中物理跨学科综合题
（情境来源：2022 年版义务教育物理课程标准 · 跨学科实践栏目；满分 12 分）
【情境材料】
当汽车在路上行驶时，用什么办法可以辨别出它是燃油汽车还是电动汽车？燃油汽车通过热机燃烧汽油或柴油提供动力；电动汽车通过电池供电，驱动电机工作提供动力。某家庭原来开一辆燃油汽车，今年换成了同一级别的纯电动汽车，两次出行的有关数据如下表。
项目 | 燃油汽车 | 纯电动汽车 |
行驶路程 s/km | 100 | 100 |
百公里能耗 | 汽油 6 L | 电能 12 kW·h |
行驶中的平均阻力 f/N | 400 | 400 |
已知：汽油的密度 ρ＝0.7×10³ kg/m³，汽油的热值 q＝4.6×10⁷ J/kg；汽油价格 8.0 元/L，居民用电价格 0.6 元/(kW·h)；1 kW·h＝3.6×10⁶ J。计算结果保留一位小数。
【问题】
(1) 燃油汽车行驶 100 km 消耗汽油的质量是多少？这些汽油完全燃烧放出的热量是多少？（2 分）
(2) 该车行驶 100 km 的过程中，牵引力做的功是多少？汽油机的效率是多少？（3 分）
(3) 纯电动汽车行驶 100 km 消耗的电能是多少焦耳？电动机的效率是多少？从能量转化的角度说明电动机效率远高于汽油机的原因。（3 分）
(4) 若该车每年行驶 1.5×10⁴ km，换用电动汽车后每年可节省能源费用多少元？（2 分）
(5) 该电动汽车电池容量为 60 kW·h，用功率 7 kW 的家用充电桩从剩余 20% 充至 90%，需要多长时间？家用电电压为 220 V，充电时电流约为多大？据此说明家庭充电应注意什么。（2 分）
【拓展设问】（2 分，可作为第 6 问使用）
入冬后，同一辆电动汽车在同样路况下续航明显变短，从满电 500 km 降到约 400 km。请从两个不同的角度解释原因，并各提出一条可行的改进措施。
答题区（写出两个角度的解释和相应的改进措施）：
【参考答案与评分标准】
(1) 2 分
· 汽油体积 V＝6 L＝6×10⁻³ m³，质量 m＝ρV＝0.7×10³ kg/m³×6×10⁻³ m³＝4.2 kg（1 分）
· 完全燃烧放出的热量 Q＝mq＝4.2 kg×4.6×10⁷ J/kg＝1.932×10⁸ J≈1.9×10⁸ J（1 分）
(2) 3 分
· 路程 s＝100 km＝1×10⁵ m，牵引力做功 W＝fs＝400 N×1×10⁵ m＝4×10⁷ J（2 分）
· 汽油机效率 η＝W/Q＝4×10⁷ J÷1.932×10⁸ J≈20.7%（1 分）
(3) 3 分
· 消耗电能 W电＝12 kW·h＝12×3.6×10⁶ J＝4.32×10⁷ J（1 分）
· 电动机效率 η电＝W/W电＝4×10⁷ J÷4.32×10⁷ J≈92.6%（1 分）
· 原因：电动机把电能几乎全部转化为机械能；汽油机属于热机，工作时必须向低温热源放热，大量能量随废气、冷却水和摩擦散失，因此效率低。（答出“热机必须向外放热/能量散失多”即可得分）（1 分）
(4) 2 分
· 每 100 km：油费 6 L×8.0 元/L＝48 元；电费 12 kW·h×0.6 元/(kW·h)＝7.2 元，节约 40.8 元（1 分）
· 每年 1.5×10⁴ km÷100 km＝150 个百公里，节约费用 40.8 元×150＝6120 元（1 分）
(5) 2 分
· 需充入的电能 W′＝60 kW·h×(90%－20%)＝42 kW·h，t＝W′/P＝42 kW·h÷7 kW＝6 h（1 分）
· 电流 I＝P/U＝7000 W÷220 V≈31.8 A。说明：该电流远大于普通插座允许的电流，应使用专用线路和合格充电设备，不得使用普通插座长时间大电流充电。（答出“电流大、需专用线路/不可用普通插座”即可）（1 分）
【拓展设问 · 参考答案】
任答两点即可，每点 1 分（现象解释 0.5 分、改进措施 0.5 分）：
① 低温下电池内部化学反应速率变慢、内阻增大，可放出的电能减少——改进：出行前预热电池、尽量停放在室内或地下车库。
② 冬季开暖风取暖消耗电能（燃油车暖风利用发动机余热，几乎不额外耗能）——改进：优先使用座椅加热、方向盘加热等局部取暖方式，降低空调制热功率。
③ 低温使轮胎橡胶变硬、胎压偏低，滚动阻力增大；空气密度增大，行驶阻力增大——改进：及时检查并补充胎压。
【命题说明】
一、课标依据
本题取材于 2022 年版义务教育物理课程标准“跨学科实践”主题“燃油汽车与电动汽车的对比研究”，落实课标中“能量”主题下热机效率、电功与电功率、能量转化与守恒等核心内容，并把真实问题作为命题情境，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”。
二、考查的核心素养
核心素养 | 本题中的具体表现 |
物理观念 | 能量观念（化学能→内能→机械能；电能→机械能）、效率概念、能量守恒 |
科学思维 | 在两种动力方案之间建立可比较的量化框架（热量—功—效率—费用），进行推理论证 |
科学探究 | 根据表格数据与已知量选择公式、处理数据、得出并检验结论 |
态度责任 | 理解技术选择背后的能量与环境代价，形成理性、负责的科技观与节能意识 |
三、难度与区分度预估
小问 | 主要考点 | 预估难度 | 作用 |
(1) | 密度、热值 Q＝mq | 容易 | 入口题，保证基础分 |
(2) | 功 W＝fs、效率 η＝W/Q | 中等 | 核心计算，区分度主要来源 |
(3) | 电功单位换算、电动机效率、能量转化 | 中等偏难 | 跨“热—电”两个板块，考查迁移 |
(4) | 实际成本计算 | 容易 | 体现物理与生活、数学的结合 |
(5) | 电功率、电流、安全用电 | 中等 | 物理与安全教育的融合点 |
拓展 | 综合解释与提出措施 | 较难 | 开放题，考查高阶思维与表达 |
四、阅卷提示
1. 第 (1) 问须先统一单位（L→m³），未换算而直接代入的按 0 分处理；只写公式无代入过程的，可给一半分。
2. 第 (2) 问保留一位小数即可，20.7%、约 21% 或由 1.9×10⁸ J 反算得 21.1%，均给分。
3. 第 (3) 问“原因”表述不必与答案文字一致，只要体现“热机必须向低温热源放热、能量散失多”即得分。
4. 第 (4) 问列出算式即可得分，结果 6120 元或 6.1×10³ 元均正确。
5. 第 (5) 问电流约 32 A 即可；安全提示只要体现“电流大、需专用线路、不能用普通插座”之一即可得分。
6. 拓展问只写现象不作解释（如“冬天冷”）不给分；两个角度重复只计一次。
五、变式训练（供分层布置）
① 若汽油价格上涨到 9.0 元/L，其他条件不变，每年可节省能源费用多少元？（答案：46.8 元×150＝7020 元）
② 若该电动汽车在制动时能回收 20% 的动能，某次从 20 m/s 减速到停止，回收的电能约为多少焦耳？（设车与乘客总质量 1500 kg，答案：0.2×½×1500×20²＝6×10⁴ J）
③ 比较两车每公里能量消耗（J/km），并说明为何“耗能少”不等于“一定环保”。（开放题）
