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第14章 内能的利用
一、单选题
1．下列机械中不属于热机的是（　　）
A．洗衣机 B．汽油机
C．蒸汽机 D．火箭喷气发动机
2．若让一台正在正常开动的柴油机停止转动，一般应对它进行的操作是（　　）
A．断开它的电路， 停止给它供电 B．关停它的油路， 停止给它供油
C．以上两种方法都可以 D．以上两种方法都不行
3．如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析中正确的是（　　）
A．图甲，厚玻璃内的空气被压缩时，空气的内能减少
B．图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气的内能增大
C．图丙，试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气的内能减少
D．图丁，汽缸内的气体推动活塞向下运动时，气体的内能增大
4．如图所示的是汽车四冲程汽油发动机的一个冲程的示意图，下列说法中正确的是（　　）
A．该冲程是做功冲程 B．该冲程依靠飞轮的惯性完成
C．该冲程将机械能转化为内能 D．该发动机的效率可以达到100%
5．在物理实验室中若把一杯酒精倒掉一半，则剩下的酒精（　　）
A．比热容变小，密度不变，热值不变 B．比热容、密度、热值都不变
C．比热容、密度、热值都变为原来的一半 D．比热容变小，密度不变，热值变为原来的一半
6．如图所示是甲、乙两种燃料完全燃烧时的Q-m图像，请问哪种燃料燃烧时释放热量的本领强（　　）
A．甲燃料燃烧时释放热量的本领强
B．乙燃料燃烧时释放热量的本领强
C．甲、乙燃料燃烧时释放热量的本领一样强
D．条件不足，无法判断
7．2023年5月30日，长征二号F遥十六运载火箭搭载神舟十六号载人飞船成功发射（如图）。火箭使用一种叫作偏二甲肼的液体燃料。下列说法错误的是（　　）
A．火箭选用该液体燃料是由于其具有较大的热值
B．火箭发射过程中能量的总量保持不变
C．火箭与大气层摩擦过程中温度升高，内能增大
D．火箭发射过程中随着液体燃料质量的减小，其热值变小
8．承担发射任务的火箭顶部有一个标志性装置——逃逸塔，逃逸过程如图所示。一旦出现意外，逃逸塔的发动机会按指令点火工作，瞬间产生巨大推力，逃逸塔将带着轨道舱和返回舱加速与火箭分离，再借助于降落伞安全着陆，帮助飞船上的航天员脱离险境。若火箭顺利升空，逃逸塔完成飞船发射阶段的护航使命后，会自行与箭体分离。下列说法正确的是（　　）
A．发动机产生的推力是将燃料的化学能直接转化为机械能
B．逃逸塔带着航天员逃逸过程中动能不断增大
C．逃逸塔与箭体分离时，相对于火箭是静止的
D．逃逸塔弹射后，其表面与空气摩擦，内能增大
9．如图所示，2022年4月16日9时56分，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，三位航天员身体状态良好，标志着神舟十三号载人飞行任务取得圆满成功。下列关于飞船返回舱返回过程的说法正确的是（　　）
A．返回舱进入大气层时宛如一颗“火流星”，是因为内能转化为机械能
B．返回舱进入大气层时舱体表面敷设的特殊材料升华放热，具有降温作用
C．返回舱距地面10千米左右，降落伞依次打开开始减速下降，其机械能保持不变
D．返回舱距地面1.2米，反推发动机点火“刹车”利用力的作用是相互的原理，平稳着陆
二、填空题
10．汽油机是热机的一种，如图甲所示是一台单缸四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出，此冲程的能量转化情况与 （选填“乙”或“丙”）图相同。
11．如图是汽油机工作循环中的一个冲程，则该冲程中的能量转化过程是： 。
12．若某四冲程汽油机1s内对外做功15次，则其曲轴的转速为 。
13．在一个标准大气压下，把质量5kg，初温为的水加热至沸腾，燃烧天然气加热水时的效率为35%[已知天然气的热值为，水的比热容为]，则需要完全燃烧约 的天然气。
14．若可燃冰的热值，完全燃烧的可燃冰放出的热量有60%被水吸收，可以把 kg的水从20℃加热到80℃。
15．可燃冰又称气冰、固体瓦斯，学名叫天然气水合物，燃烧“可燃冰”释放的能量与天然气相当，若“可燃冰”完全燃烧放出的热量全部被水吸收，可使 的水从加热至。[水的比热容为，天然气的热值为]
16．在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热至沸腾，观察到橡胶塞被水蒸气冲出，如图所示则此时水蒸气的内能 （选填“增大”、“不变”或“减小”），该过程与四冲程汽油机的 冲程原理相同。
17．如图是十五世纪意大利著名的科学家、艺术家达芬奇设计的“魔轮”。他利用格板的特殊形状，使右边的重球滚到比左边的重球离轮心更远些的地方，他认为在两边重球不均衡的作用下，会使轮子转动不息。其实根据 定律，无需精确测量就能判定他的这一设想是不能实现的。

18．如图所示，面积较大的水池内水深为H，水面上浮着一边长为a、质量为m的正方体物块，物块的一半体积浸在水中。现用力将物块缓慢地压入水中直到池底，则从物块刚好浸没水中开始到最终压在池底的过程中，池中水的能量增加了 。
三、实验题
19．如图是小丽同学探究不同燃料的热值大小实验。

燃料 加热前的水温/℃ 燃料燃尽后水温/℃
酒精 25 44
汽油 25 34
（1）为了保证实验结论的可靠性和方便性，小丽选择了两套相同的实验装置，在实验中还控制了酒精和汽油的质量相同、水的质量和初温相同；
（2）根据所示实验装置进行实验，记录结果如上表，分析数据，你认为酒精和汽油两种燃料中，热值较大的是 ；
（3）同组小东同学还想计算出汽油的热值，于是根据计算出水吸收的热量，然后利用这个热量计算出汽油的热值，发现计算结果与教材上给出的汽油热值相比偏差较大。结合装置图，分析原因是 （只写出一个即可）。
20．在“比较酒精和碎纸片燃烧时放出的热量”实验中。
（1）如图是小明安装好的实验装置，其中存在的错误是 ；
（2）小华纠正了小明的错误，又组装了一套相同的实验装置，备好秒表。在两燃烧皿中分别加入准备好的酒精和碎纸片，读出水的初温后，进行如下操作：
①先点燃酒精，再点燃碎纸片；
②保证酒精和碎纸片燃烧时间相同，读取温度计的示数；
③待酒精和碎纸片充分燃烧结束，分别读取温度计的示数。
小红认为上述操作中，操作 是错误的；
小明根据正确操作获得的数据，算出了燃料的热值，发现结果小于该燃料的实际热值，原因是 。
21．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量也相同。
（1）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验；
（2）某同学用图丁装置测酒精的热值，加热前酒精灯的质量为m1，加热一段时间后变为m2；烧杯中水的质量为m，水的初温为t1，末温为t2，水的比热容用c表示。用以上符号表示该同学测得的酒精热值的表达式： ；
（3）通过实验得到的燃料热值与实际相比是 （选填“偏大”、“偏小”或“相等”）的，你认为出现这样情况的主要原因是 。
四、综合题
22．“天问一号”火星探测器是中国人民的骄傲，因为它是我国首次登陆火星的探测器，它将祝融号火星车降落到距离地球约3.9亿千米的火星表面。如图所示，已知火星车质量为240kg，六个轮子与火星表面接触的总面积为0.02m2，在火星上的重力是地球的0.4倍，g取10N/kg。求：
（1）火星车从地球到达火星表面的过程中，质量 （选填“增大”“不变”或“减小”）；火箭用液态氢做燃料，是因为液态氢的 较大。
（2）火星车对火星水平表面的压强为多少？( )
（3）若火星车在水平表面上匀速直线行驶36m需要1h，行驶过程中受到的阻力是重力的0.1倍，则牵引力做功的功率为多少？( )

23．汽车在一段平直且限速100km/h的高速公路上匀速行驶15km，消耗汽油1.6kg，发动机实际输出功率为43.2kW，汽油机效率为（假设汽油完全燃烧，）。求：
（1）汽油完全燃烧能放出多少热量？
（2）汽车在这段路面行驶过程中，受到的阻力是多大？
（3）汽车是否在超速驾驶。
五、计算题
24．《天工开物》是我国古代的科学著作，书中记载着大量的古代农业机械，如筒车。筒车是一种以水流作动力，用来取水的机械，如图甲所示。某筒车的接水槽比取水处高4m，水轮上有12个取水筒，一个取水筒每次可取水5kg，该筒车旋转一周所用的时间为60s，如此工作一昼夜，可以灌溉百亩良田。已知g取。
（1）求该筒车旋转一周，一个取水筒对进入接水槽内的水所做的功；
（2）求该筒车工作一昼夜，提升水所做的功；
（3）若采用效率为30%的柴油发动机代替筒车灌溉百亩良田，需要完全燃烧多少克柴油？（计算结果保留整数，柴油的热值）
25．一辆厢式货车正在运送物资，空车质量为，载货量为，满载时每百千米耗油20L，如果该货车满载货物后在平直的公路上匀速行驶100km，货车受到的阻力是车重的，那么在此过程中：（燃油密度为，燃油热值为，g取10N/kg）
（1）该货车发动机牵引力做的有用功是多少？
（2）燃油完全燃烧放出的热量是多少？
26．“运-20”是我国自主研制的大型运输机，它的发动机是一种热机，利用在气缸中燃烧航空煤油，同时从喷口向后高速喷出燃气，使发动机获得向前的推力。如果“运-20”在高空中飞行时所受到的恒定水平推力为F，在推力F作用下，以的速度沿水平方向匀速航行1h、需要燃烧航空煤油，已知飞机发动机提供的机械功率是，航空煤油的热值为。求：
（1）在上述1h内，所完全燃烧的航空煤油释放的热量；
（2）在上述航行过程中，发动机所获得水平推力F大小；
（3）在上述航行过程中，该飞机发动机的热机效率。
27．小明学习热机知识后研究自家小汽车发动机汽油机的情况，查阅资料得知：自家小汽车油箱的容量为50L，汽油机的能量流向如图所示。[ρ汽油=0.8×103 kg/m3，q汽油=4.6×107 J/kg，c水=4.2×103 J/(kg C)]
（1）结合图推导出该汽油机的热机效率；
（2）求满箱汽油完全燃烧放出的热量；
（3）汽油机用循环流动的水冷却汽缸，若流入汽缸周围的冷却水温度是20℃，从汽缸周围流出的冷却水温度是80℃，求满箱汽油使用完的时间内流过汽缸周围的冷却水的质量。（结果保留整数）
28．如图甲所示是同学们乘坐的校车，校车在某段平直公路上以54km/h的速度匀速行驶9km，消耗柴油3kg，校车的牵引力恒为。已知柴油热值为。求：
（1）这段路程内校车行驶时间；
（2）这段路程内校车发动机做的机械功；
（3）柴油燃烧放出的热量；
（4）这段路程内校车工作的效率。
参考答案：
1．A
【详解】A．洗衣机中是利用电动机来驱动的，故A符合题意；
BCD．汽油机、火箭喷气发动机都属于热机，故BCD不符合题意。
故选A。
2．B
【详解】柴油机动力来自于柴油的化学能，若停止供油，则无法产生内能压缩空气，则无法继续工作，故停止供油可以，断开它的电路， 停止给它供电，柴油机也可以工作，不能停止转动，故ACD错误，B正确。
故选B。
3．C
【详解】A．图甲，厚玻璃内的空气被压缩时，活塞对空气做功，瓶内空气温度升高，空气的内能增加；故A错误；
B．图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气对活塞做功，空气的内能减小；故B错误；
C．图丙，试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减少；故C正确；
D．图丁，汽缸内的气体推动活塞向下运动时即做功冲程，内能转化为机械能，气缸内气体的内能减少；故D错误。
故选C。
4．A
【详解】ABC．如图所示，两气门关闭，高温高压气体推动活塞向下运动，对外做功，将内能转化为机械能，属于做功冲程，是四个冲程中唯一不依靠惯性完成的冲程，故A正确，BC错误；
D．任何发动机工作过程都会因机械摩擦做额外功，热机工作时燃料燃烧过程还会出现热损失，发动机的效率远低于100%，故D错误。
故选A。
5．B
【详解】比热容是物质的一种特性，各种物质都有自己的比热容，.某种物质的比热容与质量、体积大小无关；密度是物质的一种特性，它和物体的质量和体积无关；燃料的热值是燃料的一种特性，与燃料的质量和体积无关；质量是物体所含物质的多少，把一杯酒精倒掉一半，则剩下的酒精质量变小，比热容、密度、热值都不变，故B符合题意，ACD不符合题意。
故选B。
6．A
【详解】根据图象可知，相同质量的甲、乙两种燃料完全燃烧放出的热量关系：Q甲>Q乙，即甲燃料燃烧放出热量的本领强，故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
7．D
【详解】A．火箭使用偏二甲肼的液体燃料，该燃料具有较高的热值，完全燃烧相同质量的偏二甲肼和其它燃料相比，偏二甲肼的液体燃料可以释放更多的热量，故A正确，不符合题意；
B．根据能量守恒定律可知，不同能量之间可以相互转化，在转化过程中，能量的总量保持不变，故B正确，不符合题意；
C．火箭与大气层摩擦过程中产生大量的热量，是与大气层发生剧烈摩擦，克服摩擦做功，内能增加，这是通过做功的方式改变物体的内能，故C正确，不符合题意；
D．热值是燃料的特性，与燃料的质量无关，所以燃料燃烧提供火箭升空所需的能量，燃料质量不断减小，但热值不变，故D错误，符合题意。
故选D。
8．D
【详解】A．发动机产生的推力是将燃料的化学转化为内能，内能对外做功，再转化为机械能，故A错误；
B．逃逸塔带着航天员逃逸过程中，质量不变，速度先变大后变小，动能先变大后变小，故B错误；
C．逃逸塔与箭体分离时，相对于火箭，逃逸塔与火箭之间发生了位置的变化，是运动的，故C错误；
D．逃逸塔弹射后，其表面与空气摩擦，一部分机械能转化为内能，内能增大，故D正确。
故选D。
9．D
【详解】A．返回舱进入大气层，返回舱和空气摩擦，机械能化为内能，温度升高，返回舱外层燃烧，返回舱宛如一颗“火流星”，故A错误；
B．升华是物体由固态变成气态的过程，这个过程物体需要吸收热量，所以返回舱体表材料升华吸热，具有降温作用，故B错误；
C．返回舱开始减速下降以后，质量不变，速度变小，动能变小，高度变小，重力势能变小，机械能是动能和势能的总和，故返回舱机械能减小，故C错误；
D．反推发动机点火后，气体向下喷出，力的作用是相互的，气体给发动机一个向上的反作用力，使返回舱速度减小，从而平稳着陆，故D正确。
故选D。
10．乙
【详解】甲图中，两个气门都关闭，活塞向下运动，火花塞点火，因此是做功冲程，即内能转化为机械能。
乙图中，对试管中的水加热，加快水的蒸发，使试管中水的内能增大，体积膨胀，对外做功，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能。
丙图中，用力将活塞下压，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，达到了棉花的着火点，棉花就会燃烧，是通过对物体做功来增大物体内能的，即是将机械能转化为内能的过程。
因此与做功冲程能量转化情况相同的是乙图。
11．内能转化为机械能
【详解】由图可知，内燃机的两个气门都关闭，活塞向下运动，所以是做功冲程；该冲程中燃料燃烧产生高温高压的燃气，燃气推动活塞做功，是将内能转化成机械能。
12．1800
【详解】汽油机的一个工作循环中，活塞往复两次，曲轴转两周，经历四个冲程，对外做功一次。本题中汽油机1s内对外做功15次，所以曲轴1s转30r，1min转1800r，即其曲轴的转速为1800r/min。
13．0.11
【详解】水吸收的热量为
天然气放出热量为
完全燃烧的天然气的体积为
14．200
【详解】2m3可燃冰完全燃烧产生热量为
水吸收的热量为
加热水的质量为
15．20000
【详解】燃烧lm3的可燃冰释放的能量与164m3天然气相当，164m3天然气完全燃烧所放出的热量
Q放=Vq=164m3×4.2×107J/m3=6.888×109J
水吸收的热量
Q吸=Q放=6.888×109J
由Q吸=cmΔt得水的质量
16． 减小 做功
【详解】[1]将水加热一段时间，橡胶塞冲出去，水蒸气的内能转化成橡胶塞的机械能，所以水蒸气的内能减小。
[2]汽油机有四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程；其中吸气冲程和排气冲程无能量变化；压缩冲程是外界对气体做功，机械能转化为内能；做功冲程是气体对外做功，内能转化为机械能。水烧热至沸腾后，橡胶塞被冲出，此过程是水蒸气的内能转化成橡胶塞的机械能，与四冲程汽油机的做功冲程的原理相同。
17．能量守恒
【详解】如果不施加外力，装置在运行过程中会克服摩擦做功，将机械能转化为内能，根据能量守恒定律可知，该装置的机械能会越来越少，装置最终会停下来，不可能永不停歇地运动下去。
18．2mg（H-a）
【详解】当物块的一半体积浸在水中时，根据物体的浮沉条件可知，此时物块所受的浮力等于其自身重力，即为
则有，根据题意可得，。物块完全浸没后所受的浮力为
手对物块的压力为
则从物块刚好浸没水中开始到最终压在池底的过程中，物块下移的距离为
压力F所做的功为
同时物块由水面下降了H-a，因此势能减少了
根据能量守恒可得，压力F对物块做的功和物块下降减少的能量全部用于增加池中的水的能量，则池中水的能量的增加量为
19． 酒精 有热量损失
【详解】（1）[1]由图表数据知道，燃料燃尽后，用酒精加热的那杯水温度升高的多，说明燃烧相同质量的燃料时水吸收的热量多，则酒精燃烧放出的热量多，所以煤油的热值较大。
（2）[2]由于燃料燃烧放出的热会散失到空气中，又或被烧杯等实验装置吸了热，即有热量损失，使得Q吸小于Q放，则依此计算出汽油的热值会比实际要偏小些。
20． 温度计的玻璃泡没有浸没于被测液体中 ② 存在热量散失
【详解】（1）[1]用温度计测量液体的温度时，应该让温度计的玻璃泡与被测液体充分接触，且不能碰到容器的底部和侧壁；由图可知，小明安装好的实验装置，其中存在的错误是温度计的玻璃泡没有浸没于被测液体中。
（2）[2]实验过程中要控制完全燃烧燃料的质量相同，燃烧时间相同并不能保证燃烧燃料的质量相同，所以保证酒精和碎纸片燃烧时间相同，读取温度计的示数的操作是错误，即操作②是错误的。
[3]由于燃料不可能完全燃烧且燃料燃烧放出的热量有一部分会散失到空气中，又被烧杯等实验装置吸收的部分热量，使Q放大于Q吸，依此计算出燃料的热值比实际要偏小些。
21． 甲丙 偏小 见解析
【详解】（1）[1]不同燃料的热值，要控制烧杯中液体种类相同，故应选甲丙两图进行实验。
（2）[2]水吸收的热量
酒精放出的热量等于水吸收的热量，所以
得
（3）[3][4]实验过程中，酒精灯燃烧放出的热量，有一部分因为热传递散失到了空气中，还有部分热量被烧杯等实验器材吸收，所以实验数据计算所得的热值与理论值相比会偏小。
22． 不变 热值 4.8×104 Pa 0.96W
【详解】（1）[1]质量不会因为位置的变化而改变，火星车从地球到达火星后质量不变。
[2]火箭用液态氢做燃料是因为液态氢具有较大的热值，完全燃烧相同质量的液态氢和其他燃料相比，液氢放出的内能较多。
（2）[3]火星车在火星上的重力
火星车对火星水平表面的压力
火星车对火星表面的压强
（3）[4]火星车在水平路面上匀速行驶时，处于平衡状态，所受的牵引力
火星车行驶36m牵引力做的功
牵引力做功的功率
23．（1）；（2）1440N；（3）超速
【详解】解：（1）1.6kg汽油完全燃烧能放出的热量为
（2）根据热机效率定义可得，发动机所做的功为
由可得发动机的牵引力为
因为汽车做匀速直线运动，所以阻力和牵引力是一对平衡力，大小相等，则汽车受到的阻力
（3）发动机实际输出功率为，由可得汽车的速度为
汽车在超速驾驶。
答：（1）1.6kg汽油完全燃烧能放出；
（2）汽车在这段路面行驶过程中，受到的阻力是1440N；
（3）汽车在超速驾驶。
24．（1）200J；（2）；（3）268g
【详解】解：（1）一个取水筒对进入接水槽内的水所做的功为
（2）24小时转的圈数为
由于每圈有12个取水筒做功，故24小时所做的总功为
（3）柴油完全燃烧释放的热量为
需要柴油的质量为
答：（1）一个取水筒对进入接水槽内的水所做的功为200J；
（2）该简车工作一昼夜，提升水所做的功；
（3）需要完全燃烧大约268克柴油。
25．（1）；（2）
【详解】解：（1）该货车满载时总重为
货车做匀速直线运动，牵引力和阻力是一对平衡力，所以牵引力大小为
该货车发动机牵引力做的有用功是
（2）燃油的质量为
燃油完全燃烧放出的热量是
答：（1）该货车发动机牵引力做的有用功是；
（2）燃油完全燃烧放出的热量是。
26．（1）；（2）；（3）60%
【详解】解：（1）航空煤油完全燃烧放出的热量为
（2）飞机发动机提供的机械功率是，飞机的速度
飞机的水平推力F为
（3）飞机发动机做的有用功为
该飞机发动机的热机效率为
答：（1）在上述1h内，所完全燃烧的航空煤油释放的热量为；
（2）在上述航行过程中，发动机所获得水平推力F大小为；
（3）在上述航行过程中，该飞机发动机的热机效率为60%。
27．（1）31%；（2）；（3）
【详解】（1）结合图推导出该汽油机的热机效率为
（2）根据题意可知，满箱油的质量为
满箱汽油完全燃烧放出的热量为
（3）这段时间内冷却水吸收的热量为
则冷却水的质量为
答：（1）结合图推导出该汽油机的热机效率为31%；
（2）满箱汽油完全燃烧放出的热量为；
（3）满箱汽油使用完的时间内流过汽缸周围的冷却水的质量为。
28．（1）10min；（2）；（3）；（4）30%
【详解】解：（1）这段路程内校车行驶时间为
（2）这段路程内校车发动机做的机械功为
（3）柴油燃烧放出的热量为
（4）这段路程内校车工作的效率
答：（1）这段路程内校车行驶时间为10min；
（2）这段路程内校车发动机做的机械功为；
（3）柴油燃烧放出的热量为；
（4）这段路程内校车工作的效率为30%。

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