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人教版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第十四章 内能的利用
专题11 《内能的利用》单元复习五步曲
1. 了解能量及其存在的不同形式。描述不同形式的能量和生产生活的联系。
2. 通过实验，认识能量可以从一个物体转移到其他物体，不同形式的能量可以相互转化。
3. 从能量转化的角度认识燃料的热值。
4. 了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
5. 知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
6. 从能量转化和转移的角度认识效率。
注意：学生在学习过程中，要达到课标要求，必须完成下列学习目标
1. 知道热机的概念，初步了解热机的工作原理，体会内能的利用对人类发展的重要作用。
2. 了解汽油机的构造及工作过程。
3. 了解柴油机的构造及工作过程。
4. 从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。
5. 能简单计算燃料燃烧放出的热量。
6. 能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。
7. 了解能量及其存在的多种形式。
8. 知道能量的转移和转化，能解释一些常见现象中的能量转化过程。
9. 理解能量守恒定律，有用能量守恒定律的观点分析物理现象的意识，体会能量守恒定律的普适性。
温馨提醒：单元重点和难点
本单元教学重点
1. 四冲程汽油机的基本工作原理。
2. 燃料的热值和热机的效率
3. 理解能量守恒定律。
本单元教学难点
1. 四冲程汽油机的基本工作原理。
2. 热机效率的理解。
3. 理解能量守恒定律。
知识点一、能量的转化和守恒
1．能量的转化和转移
（1）能量的转化
在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。
（2）能量的转移：能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。
2．能量守恒定律
（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。
（2）对能量守恒定律的理解
①能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。
②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。
③能量的转化和转移具有方向性。
（3）能量守恒定律使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能制造出永动机。
知识点二、热机
1．热机
（1）热机：利用内能做功的机械叫热机。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃烧燃料释放的内能做功的装置，都是热机。
（2）热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。
（3）内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。内燃机的能量转化：化学能转化为内能，内能再转化为机械能。
2．汽油机
（1）构造
（2）冲程：活塞在气缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
（3）多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
（4）汽油机的工作过程
冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
工作示意图
特点 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。 火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。 进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
能量转化（转移） 机械能转化为内能 （燃料化学能转化为内能）内能转化为机械能 废气带走大部分内能
（5）在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性带动活塞完成，周而复始，使汽油机连续转动下去。
3．柴油机
（1）柴油机的构造：与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。
（2）柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。
（3）柴油机和汽油机构造及工作过程的不同点：
汽油机 柴油机
不同点 结构图
吸气冲程 吸入的是空气和汽油的混合物 吸入的只有空气
压缩冲程 压缩程度较柴油机低 压缩程度高
做功冲程 火花塞点火（点燃式） 喷油嘴喷出柴油（压燃式）
相同点 排气冲程 把废气排出气缸
知识点三、热机的效率
1．燃料
（1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。
（2）燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
2．燃料的热值
（1）由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
（2）我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值（q）。（比值定义法）。热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
（3）单位：焦每千克，符号：J/kg。有些气体的热值单位为：J/m3。热值大的物质常用作航空航天燃料。
（4）燃料燃烧放出的热量计算公式：或 （用哪个公式计算取决于热值的单位）。
（5）常见燃料的热值表
6）特点：热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃料燃烧放出热量的多少以及燃料是否完全燃烧无关。
3．热机的效率
（1）燃料的有效利用：燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。例如用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量。高温的烟气带走了相当一部分热量还有一部分热量直接散失掉了。
（2）锅炉的效率：锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。
（3）提高锅炉燃料利用率的途径：①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
（4）热机能量流向图
（5）热机的效率（η）：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。（比值定义法）
（6）计算公式：
（7）物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。
（8）因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。
（9）提高热机效率的方法
①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种热量损失；③利用废气的能量；（废气带走的能量最多）④注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
一、对燃料热值理解的思维方法：
1．热值是燃料本身的一种性质，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积以及是否完全燃烧无关。不能错误地认为q与Q放成正比，与m（或V）成反比。
2．燃料只有完全燃烧时放出的热量才等于根据热值计算出的热量如果没有完全燃烧，放出的热量比按热值计算出的热量要小，但这时不能说燃料的热值变小，在实际生产生活中，完全燃烧是很难达到的一种状态。
3．热值反映了不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小。
二、热机效率计算思维方法
热机效率是衡量热机将燃料燃烧产生的内能转化为有用机械功的能力。
（1）核心公式：
其中，W有 表示热机对外做的有用功（单位：焦耳），Q放 表示燃料完全燃烧所释放的总热量，可通过
Q放=mq计算（m为燃料质量，q为燃料热值）。
（2）热机效率的计算步骤：
① 确定有用功W有： 有用功通常指热机推动机械运动所做的功。例如汽车行驶时克服阻力前进，
W有 =Fs（F为牵引力，s为行驶距离），若匀速行驶，则F=f（阻力）。
②计算燃料释放的总热量Q放（Q放=mq）。
③代入效率公式计算 。
三、涉及内燃机“空燃比”问题的计算思维方法
（1）内燃机“空燃比”的物理含义：空燃比是指气缸内空气和燃油的质量比。
（2）解题公式：一次做功混合气体质量：m=ρV
ρ是指气缸内汽油和空气混合气体的密度，
V是指气缸的工作容积。
一次做功消耗汽油质量：
消耗汽油总质量：m总=nm0
汽油燃烧释放的热量：Q放=m总q
有用功：W=Pt
发动机的效率：
重要考点1 能量转化与守恒
【例题1】（2026湖南一模）下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（　　）
A. 燃料燃烧时发热
B. 用热水袋取暖
C. 钻木取火
D. 电动机带动水泵把地下水送到地面
【答案】B
【解析】A．燃料燃烧时，将化学能转化为内能，属于能量的转化，故A不符合题意；
B．用热水袋取暖，是热传递过程，内能从热水袋转移到其它物体向上，属于能量的转移，故B符合题意；
C．钻木取火，是克服摩擦做功，将机械能转化为内能，属于能量转化，故C不符合题意；
D．电动机带动水泵把地下水送到地面，电动机工作时将电能转化为机械能，属于能量的转化，故D不符合题意。故选B。
（对点练1）下列关于能量转化和转移现象的说法中，正确的是（ ）
A．用热水袋取暖时，内能转化为机械能 B．利用风力发电时，将电能转化为机械能
C．电动机工作时，机械能转化为电能 D．给蓄电池充电时，电能转化为化学能
（对点练2）（2022江苏连云港）知识梳理是学习的一种重要方法，请将动能、能、机械能、内能填在下列知识结构图对应的序号框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
（对点练3）下列现象中属于能量转移的是 ，属于能量转化的是 （填序号）。
①煤炭燃烧 ②热水自然冷却 ③搓手取暖 ④灯泡发光
重要考点2 热机（含汽油机柴油机等）问题
【例题2】热机的广泛使用已成为一个国家工业化程度的标志，下列交通或运输工具中，动力设备不是使用热机的是（　　）
A．远洋货轮 B．C919客机 C．载重汽车 D．木帆船
【答案】D
【解析】ABC．远洋货轮、C919客机、载重汽车工作时都需要燃烧燃料，放出热量，将内能转换为机械能，所以都是使用热机工作的，故ABC不符合题意；
D．木帆船是利用风力工作的，工作时没有使用热机，故D符合题意。
故选D。
（对点练1）（2026湖南一模）汽车的发动机大多数是内燃机，内燃机是热机的一种，下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（　　）
A. 热机排出的尾气没有内能 B. 热机的效率能达到100%
C. 热机的大量使用会造成环境污染 D. 汽油机的做功冲程是将机械能转化成内能
（对点练2）根据汽油机和柴油机的区别，下列说法错误的是（　　）
A．汽油机气缸顶部有一个火花塞，柴油机气缸顶部是一个喷油嘴
B．汽油机吸入的是空气，柴油机吸入的是空气和柴油的混合物
C．做功冲程是内能转化为机械能
D．压缩冲程是机械能转化为内能
（对点练3）（2026广西一模）用冷水冷却发动机，是利用水的比热容较　　 （选填“大”或“小”）的特性。四冲程汽油机的工作过程中　　 冲程将内能转化为机械能（选填“压缩”或“做功”）。
（对点练4）如图所示是某种内燃机某一冲程的示意图，由图可知：
（1）这种内燃机是______机；
（2）它表示的是______冲程；
（3）在这个冲程中______能转化为______能；
（4）完成这一冲程，曲轴和飞轮转______转。
重要考点3 内燃机工作循环中的相关计算
【例题3】如图甲所示，在玻璃筒底部放一小团干燥的棉花，快速压下活塞，可观察到棉花着火燃烧，此实验主要是想说明通过 方式可增加内能；乙图所示的是汽油机的 冲程，若飞轮的转速为3000r/min，则在1s内，该单缸汽油机做功 次。
【答案】 做功 做功 25
【解析】在玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花，用力将活塞迅速向下压，棉花燃烧起来；说明压缩筒内空气做功，使空气的内能增加。
从图中可以看出，气门都关闭、火花塞点火和活塞向下移动的特点，可以判断这个冲程是做功冲程。
四冲程汽油机的飞轮转速为，则该飞轮每秒钟转50圈，因为一个工作循环飞轮转2圈，完成4个冲程，做功1次，所以1s内，飞轮转50圈，共25个工作循环，共做功25次。
（对点练1）（2026湖南二模）如图是汽油机工作过程中的　　 冲程。一单缸四冲程汽油机的飞轮转速是3600r/min，则该汽油机每秒内对外做功　　 次。
（对点练2）某汽油机的转速为2400r/min，则在1s内汽油机对外做功的次数是（　　）
A．2400次 B．1200次 C．40次 D．20次
（对点练3）6. 国产油电混合动力汽车。
（1）汽油机是热机的一种，如图所示是四冲程汽油机工作状态示意图，此时它正处在 冲程。该冲程将内能转化为 能；
（2）汽油机的飞轮转速为2400r/min，则在1s内，汽油机完成 个冲程，对外做功的次数是 次；
（3）该汽车在高速公路上以108km/h的速度匀速行驶了1min，发动机的功率始终保持72kW不变，该过程中发动机做的功为 J，发动机牵引力的大小为 N。
重要考点4 固体和液体及气体的热值及其计算
【例题4】发动机是汽车的核心部件，某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，其一个工作循环的四个冲程如图所示，表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指气缸内空气和燃油的质量比）。单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，图中四个冲程的顺序是_____________，燃料完全燃烧放出的热量是________J。
气缸内汽油和空气混合气体的密度 1.3kg/m3
气缸的工作容积 2.0L
空燃比 12∶1
汽油的热值 4.6×107J/kg
【答案】乙甲丁丙；9.2×103
【解析】（1）甲中的两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是第二冲程；
乙中的一个气阀打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程，是第一冲程；
丙中的一个气阀打开，活塞向上运动，所以为排气冲程，是第四冲程；
丁中的两个气阀都关闭，活塞下运动，所以为做功冲程，是第三冲程；
故排序为：乙甲丁丙；
（2）汽缸内汽油和空气混合气体的体积等于汽缸的工作容积，即：V=V容=2L=2×10-3m3
由得，汽油和空气混合气体的质量：
m=ρV=1.3kg/m3×2×10-3m3=2.6×10-3kg
因为空燃比是12∶1，
所以汽油的质量：
完成一个工作循环时，汽油燃烧释放的热量：
Q放=m汽油q=2×10-4kg×4.6×107J/kg=9.2×103J
（对点练1）【演练1】（2022湖北宜昌）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. 燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D. 燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多
（对点练2）（2025·山东烟台）汽油机是燃油汽车的动力来源之一。如图所示是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：①__________；②_________。若汽油的热值为4.6×107J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为________kg。
（对点练3）（2025江苏苏州改编）用煤气炉将的水从加热到，消耗煤气。已知煤气的热值为，水的比热容为。求：
（1）水吸收的热量；
（2）煤气完全燃烧放出的热量。
重要考点5 热机的效率（含热效率）相关的计算
【例题5】（2026·山东济南一模拟）四冲程汽油机中的_________冲程是提供动力的，已知该汽油机飞轮转速为1200r/min，能量输出效率为20%，则该汽油机每秒钟对外做功________次；若该发动机完全燃烧2L的汽油能够输出的有用功为_________J。（汽油的热值为4.6×107J/kg，密度为0.75×103kg/m3）
【答案】（1）做功；（2）10；（3）1.38×107
【解析】（1）四冲程汽油机的四个冲程中，做功冲程将内能转化为机械能，为汽油机提供动力，故第一空填“做功”。
（2）飞轮转速1200r/min=20r/s，即每秒飞轮转动20圈。四冲程汽油机工作时，一个工作循环中飞轮转2圈对外做功1次，所以每秒对外做功次数为20÷2=10次，故第二空填“10”。
（3）汽油体积V=2L=2×10-3m3，由密度公式可得汽油质量：
m=ρV=0.75×103kg/m3×2×10-3m3=1.5kg
汽油完全燃烧释放的热量：
Q放=mq=4.6×107J/kg×1.5kg=6.9×107J
由效率公式得有用功：
W有=ηQ放=20%×6.9×107J=1.38×107J
故第三空填“1.38×107”。
（对点练1）（2026·苏州二模）氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，如图为一辆我国设计制造的氢能源公交车。[c水=4.2×103J/（kg·℃），q氢=1.4×108J/kg] 求：
（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧，若放出的热量全部被水吸收，可以使质量为1t的水温度升高多少？
（2）此氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，汽车的速度为20m/s，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的60%用来做机械功，则这些热量能让该公交车匀速行驶的距离。
（对点练2）小明利用家中燃气表和温度计测量燃气灶烧水的效率。将的水从加热到，消耗了天然气（假设天然气完全燃烧），已知水的比热容为，天然气的热值为，则此次燃气灶烧水的效率为　　 。
（对点练3）氢燃料具有清洁、效率高等优点，被认为是理想的能源之一，目前我国部分城市已有多批氢能源公交车投放使用。（已知c水＝4.2×103J/（kg℃），q氢＝1.4×108J/kg。）问：
（1）质量为0.6kg的氢燃料完全燃烧放出的热量是多少？
（2）若这些热量全部被质量为500kg、温度为15℃的水吸收，水升高的温度是多少？
（3）若这些热量恰好能供某氢能源公交车以140kW的恒定功率匀速行驶5min，则该氢能源公交车的效率是多少？
（对点练4）汽车已走入我们的家庭，而发动机是汽车的核心部件，发动机的质量决定了整车的性能与品质，现代汽车主要分汽油与柴油两类发动机，以汽油发动机为例，其提供动力的是内燃机的气缸。某台以汽油为燃料的汽车，发动机内有四个气缸，其相关数据如下表所示：
1min内完成工作循环 2600次 93﹟汽油 气缸内汽油和空气的混合密度 1.35kg/m3
排气量 1.8L 热值 4.6×107J/kg
发动机最大功率 75kW 空燃比 14∶1
（1）汽车内燃机一个工作循环包括四个冲程如上图所示，一个气缸正常工作四个冲程的顺序是____________（对甲、乙、丙、丁重新排序），其中图________是内燃机给汽车提供动力的冲程。
（2）汽车以100km/h的速度匀速运动时发动机的输出功率最大，则1min内做多少J的有用功
（3）汽车的排气量是指发动机气缸的工作容积，汽车排气量越大，功率越大。空燃比指汽缸内空气和燃油的质量比。当汽车以100km/h的速度匀速行驶时，根据表中数据求汽车发动机的效率。（计算结果保留一位小数）
重要考点6 （拓展）比较不同物质燃烧时放出的热量的实验
【例题6】如图所示，甲、乙、丙的三套装置完全相同，燃料质量、液体质量及液体初温均相同，不考虑热量损失，点燃后燃料稳定燃烧直至尽，同一套装置中液体单位时间内吸热相等，三套装置烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如图丁所示，下列判断正确的是（　　）
A．两种液体的比热容之比
B．两种燃料的热值之比
C．时间段甲、乙液体吸收的热量之比
D．时间段乙中液体a与时间段丙中液体b吸收的热量之比
【答案】A
【解析】A．对比甲、丙两个实验可知，实验所用燃料相同，两种液体a、b加热相同的时间吸收的热量相同，由图丁可知，时间段内，液体b的温度变化为，液体a的温度变化为，两种液体的比热容之比 故A正确；
B. 对比甲、乙两个实验可知，实验所用液体种类、质量、初温都相同，燃料不相同，燃料完全燃烧提供的热量都被液体a吸收，燃料1时液体a升高的温度为，燃料2时液体a升高的温度为，两种燃料的热值之比 故B错误；
C.时间段，甲、乙装置中燃料的种类不同，加热液体的种类和质量相同，相同时间液体升高的温度不同，液体吸收的热量不同，，故C错误；
D. 时间段，乙中液体a吸收的热量
时间段，丙中液体b吸收的热量
时间段乙中液体a与时间段丙中液体b吸收的热量之比 故D错误。故选A。
（对点练1）如图所示在“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的实验中，下列说法正确的是（　　）
A．研究方法是控制变量和转换法
B．研究对象是烧杯中被加热的液体
C．实验中还需要的器材是天平和秒表
D．相同时间内温度计示数越大，该燃料的热值一定越大
（对点练2）小明购买了某品牌的一盒薯片，部分参数如表所示。如图所示，在估测薯片热值的实验中，
营养成分表每份食用量：30g
项目 每份
能量 663000J
蛋白质 1.7g
脂肪 9.6g
(1)小明设计了两种对水加热的方式。
方式一：薯片在小烧杯中燃烧；方式二：薯片在燃烧皿中燃烧。
两种加热方式中合理的是 。
(2)选好加热方式后，小明用天平分别测出3g薯片和100g的水，用温度计测出水的初温为22℃，将3g薯片放入燃烧的容器中，待其燃尽后记下水的温度为72℃，则水吸收的热量为 J。初步估算下薯片的热值为 J/kg。小明根据薯片盒上的数据也计算出其热值为 J/kg，两者相差很多，请你帮助他分析原因可能是（写出一条）： 。[水的比热容为]
（对点练3）如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量相同，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，实验中应控制两装置燃料 （选填“完全燃烧完”或“燃烧相同时间”），通过比较 （选填“温度计上升的示数”或“加热时间的长短”）来确定燃料热值的大小；
（2）比较不同物质的比热容，应选择 两图进行实验，不同物质吸热多少是通过 （选填“温度计上升的示数”或“加热时间的长短”）来反映的。
（3）若甲图烧杯中为50g的水，燃料1为2×10-4kg的酒精。酒精完全燃烧后，温度计示数升高20℃（水未沸腾），水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），酒精热值为3×107J//kg，则该装置对水的加热效率为 。
重要考点7 热机模型问题
【例题7】如图，物理兴趣小组制作了一个简易汽轮机装置。在易拉罐中装入适量的水，用酒精灯加热，水沸腾后从管口喷出蒸汽使风车转动。简易汽轮机工作过程中（　　）
A．酒精燃烧将内能转化为化学能
B．水的内能增加的方式是热传递
C．蒸汽被喷出后内能保持不变
D．蒸汽的内能全部转化为风车的机械能
【答案】B
【解析】A．酒精燃烧的过程是将化学能转化为内能的过程，故A不符合题意；
B．加热过程中，易拉罐中的水吸收热量，温度升高，是通过热传递的方式增加内能，故B符合题意；
C．蒸汽喷出后，对外做功，内能转化为机械能，内能减小，故C不符合题意；
D．因为热量损失，所以蒸汽的内能不会全部转化为风车的机械能，故D不符合题意。故选B。
（对点练1）某学校科学兴趣班上，有人做了如图所示的一个实验，用铅笔尖顶着一个纸风车，置于一杯热水上，风车就会转动。下列说法正确的是（　　）
A．风车转动时，风车只受到重力和支持力的作用
B．移除热水，风车由于惯性不会立刻停转
C．热水杯上方的白雾是热水汽化形成的
D．热水变冷，风车最终也会停下来，所以这个实验不遵守能量转化与守恒定律
（对点练2）电火花发生器点燃塑料盒内的酒精，酒精燃烧产生的燃气能将盒盖喷出很远，实验时在盒内滴入0.2g的酒精（q酒精＝3×107J/kg）。对此实验过程，以下说法正确的是（　　）
A．酒精燃烧将内能转化为化学能
B．燃气在喷出过程中内能增大
C．能量转化方式与汽油机的压缩冲程相同
D．酒精燃烧放出的热量可能小于6000J
（对点练3）物理学的发展推动了社会的进步。如图所示，是世界上早期的蒸汽机汽车模型，燃料燃烧使水温沸腾产生水蒸气，水蒸气的 能转化为汽车的 能，使汽车前进；此工作原理相当于内燃机的 冲程。
（对点练4）如图为某科技小组发射水火箭的过程，可乐瓶内的水向后喷出，水火箭就向上飞出，这一现象说明了力的作用是 ；从能量转化角度来看，水火箭的机械能是由高压气体的 能转化来的，这一过程的能量转化与汽油机的 冲程能量转化方式相同。
焦耳对能量转化和守恒定律的贡献
这个人就是英国的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命导师马克思同岁，1818年出生于英国曼彻斯特，父亲是一个富有的酿酒厂主。焦耳从小跟着父亲学习酿酒，没有上过什么正规的学校，曾经在一个家庭学校里学习过。1834年，16岁的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习。很难想象现在的教授会收两个没上过什么正规学校的小屁孩做自己的学生，不过，当年这位大化学家的经济状况也确实不大好。焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何，后来道尔顿因中风而退休。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。大师的指导对他的成长起了关键的作用，使他对科学研究发生了浓厚的兴趣，并学到了他理论与实践相结合的科学研究方法。之后焦耳进入曼彻斯特大学就读。毕业后回家经营啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂之前，这一直都是他的“正业”，科学只是焦耳的一个业余爱好。
在1831年法拉第发现电磁感应定律之后，从英国开始，掀起了一场席卷欧洲和北美的电气热潮。1838年，20岁的焦耳也投入到了这场电气热潮之中，开始研究起磁电机来。在实验过程中他注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机械运动中的摩擦现象一样，都会造成动力的损失，于是他就开始进行电流的热效应研究。
1840年，22岁的焦耳向英国皇家学会提交了论文《电的金属导体产生的热和电解时电池组放出的热》，文中介绍了他的实验。他把缠在玻璃管上的导电线圈放入盛水的容器中，通电后测量水的温度变化。实验中他使用不同的导线、改变电流强度，得到多组实验数据。通过计算最后他得出结论：“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律。
焦耳认为，电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介，在电池中“燃烧”一定的化学“燃料”，在电路中就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中燃烧所得的热应该是一样多。
在研究了化学能向电能和热能的转化之后，焦耳又开始研究机械能与电能和热能之间的转化，并进行了大量的热功当量实验。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，在相距约27.4米处安装两个定滑轮，细线跨过滑轮挂有砝码，砝码的重量可以调整，线圈浸在量热器的水中。根据水的温度变化可以计算出热量，根据砝码的重量及下落的距离可以计算出机械功。焦耳记录下13组实验数据，取其平均值得出如下结果：“能使1磅的水升温1华氏度的热量等于把838磅重物提升一英尺的机械功。”从这个结果可以得出热功当量为4.511焦耳/卡，现代的公认值为4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞之后的升温，得到热功当量为772磅·英尺/英热单位（即4.145焦耳/卡），与现代的公认值相比，误差仅有百分之一。焦耳并没有就此罢手，他从1843年采用磁电机开始测量当量，直至1878年最后一次发表实验结果，共做了400多次实验，分别以固体、流体、气体多种物质为对象，运用了不同原理的各种方法，涉及机械力学、电磁学、化学、热力学、流体力学等各个领域，以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了详实可靠的证据，使能量转化与守恒定律的确立具备了牢固的实验基础。而他本人则从25岁的小伙变成了花甲老人。
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人教版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第十四章 内能的利用
专题11 《内能的利用》单元复习五步曲
1. 了解能量及其存在的不同形式。描述不同形式的能量和生产生活的联系。
2. 通过实验，认识能量可以从一个物体转移到其他物体，不同形式的能量可以相互转化。
3. 从能量转化的角度认识燃料的热值。
4. 了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
5. 知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
6. 从能量转化和转移的角度认识效率。
注意：学生在学习过程中，要达到课标要求，必须完成下列学习目标
1. 知道热机的概念，初步了解热机的工作原理，体会内能的利用对人类发展的重要作用。
2. 了解汽油机的构造及工作过程。
3. 了解柴油机的构造及工作过程。
4. 从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。
5. 能简单计算燃料燃烧放出的热量。
6. 能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。
7. 了解能量及其存在的多种形式。
8. 知道能量的转移和转化，能解释一些常见现象中的能量转化过程。
9. 理解能量守恒定律，有用能量守恒定律的观点分析物理现象的意识，体会能量守恒定律的普适性。
温馨提醒：单元重点和难点
本单元教学重点
1. 四冲程汽油机的基本工作原理。
2. 燃料的热值和热机的效率
3. 理解能量守恒定律。
本单元教学难点
1. 四冲程汽油机的基本工作原理。
2. 热机效率的理解。
3. 理解能量守恒定律。
知识点一、能量的转化和守恒
1．能量的转化和转移
（1）能量的转化
在一定条件下，能量可以从一种形式的能量转化为另一种形式的能量，这种现象叫能量的转化。自然界转化各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。如图为能量转化示意图。
（2）能量的转移：能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分，这属于能量的转移。
2．能量守恒定律
（1）能量守恒定律内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变。
（2）对能量守恒定律的理解
①能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。
②能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。
③能量的转化和转移具有方向性。
（3）能量守恒定律使人们认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为其他形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能制造出永动机。
知识点二、热机
1．热机
（1）热机：利用内能做功的机械叫热机。汽车、轮船和飞机等的发动机都是利用燃烧燃料释放的内能做功的装置，都是热机。
（2）热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。
（3）内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。内燃机根据其所使用的燃料分为汽油机和柴油机两类。内燃机的能量转化：化学能转化为内能，内能再转化为机械能。
2．汽油机
（1）构造
（2）冲程：活塞在气缸内往复运动时，从气缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
（3）多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
（4）汽油机的工作过程
冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
工作示意图
特点 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物进入汽缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩。 火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。 进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
能量转化（转移） 机械能转化为内能 （燃料化学能转化为内能）内能转化为机械能 废气带走大部分内能
（5）在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性带动活塞完成，周而复始，使汽油机连续转动下去。
3．柴油机
（1）柴油机的构造：与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。
（2）柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。
（3）柴油机和汽油机构造及工作过程的不同点：
汽油机 柴油机
不同点 结构图
吸气冲程 吸入的是空气和汽油的混合物 吸入的只有空气
压缩冲程 压缩程度较柴油机低 压缩程度高
做功冲程 火花塞点火（点燃式） 喷油嘴喷出柴油（压燃式）
相同点 排气冲程 把废气排出气缸
知识点三、热机的效率
1．燃料
（1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。
（2）燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。
2．燃料的热值
（1）由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。
（2）我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值（q）。（比值定义法）。热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
（3）单位：焦每千克，符号：J/kg。有些气体的热值单位为：J/m3。热值大的物质常用作航空航天燃料。
（4）燃料燃烧放出的热量计算公式：或 （用哪个公式计算取决于热值的单位）。
（5）常见燃料的热值表
6）特点：热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃料燃烧放出热量的多少以及燃料是否完全燃烧无关。
3．热机的效率
（1）燃料的有效利用：燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。例如用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量。高温的烟气带走了相当一部分热量还有一部分热量直接散失掉了。
（2）锅炉的效率：锅炉是利用燃料或其他热源把水加热成热水或蒸汽的设备。
（3）提高锅炉燃料利用率的途径：①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
（4）热机能量流向图
（5）热机的效率（η）：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。（比值定义法）
（6）计算公式：
（7）物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。
（8）因为热机中用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的总能量的一部分，有用功的能量与燃烧放出的总能量的比值必然小于1，即热机的效率一定小于1。
（9）提高热机效率的方法
①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种热量损失；③利用废气的能量；（废气带走的能量最多）④注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。
一、对燃料热值理解的思维方法：
1．热值是燃料本身的一种性质，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积以及是否完全燃烧无关。不能错误地认为q与Q放成正比，与m（或V）成反比。
2．燃料只有完全燃烧时放出的热量才等于根据热值计算出的热量如果没有完全燃烧，放出的热量比按热值计算出的热量要小，但这时不能说燃料的热值变小，在实际生产生活中，完全燃烧是很难达到的一种状态。
3．热值反映了不同燃料在燃烧过程中化学能转化为内能的本领大小。
二、热机效率计算思维方法
热机效率是衡量热机将燃料燃烧产生的内能转化为有用机械功的能力。
（1）核心公式：
其中，W有 表示热机对外做的有用功（单位：焦耳），Q放 表示燃料完全燃烧所释放的总热量，可通过
Q放=mq计算（m为燃料质量，q为燃料热值）。
（2）热机效率的计算步骤：
① 确定有用功W有： 有用功通常指热机推动机械运动所做的功。例如汽车行驶时克服阻力前进，
W有 =Fs（F为牵引力，s为行驶距离），若匀速行驶，则F=f（阻力）。
②计算燃料释放的总热量Q放（Q放=mq）。
③代入效率公式计算 。
三、涉及内燃机“空燃比”问题的计算思维方法
（1）内燃机“空燃比”的物理含义：空燃比是指气缸内空气和燃油的质量比。
（2）解题公式：一次做功混合气体质量：m=ρV
ρ是指气缸内汽油和空气混合气体的密度，
V是指气缸的工作容积。
一次做功消耗汽油质量：
消耗汽油总质量：m总=nm0
汽油燃烧释放的热量：Q放=m总q
有用功：W=Pt
发动机的效率：
重要考点1 能量转化与守恒
【例题1】（2026湖南一模）下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（　　）
A. 燃料燃烧时发热
B. 用热水袋取暖
C. 钻木取火
D. 电动机带动水泵把地下水送到地面
【答案】B
【解析】A．燃料燃烧时，将化学能转化为内能，属于能量的转化，故A不符合题意；
B．用热水袋取暖，是热传递过程，内能从热水袋转移到其它物体向上，属于能量的转移，故B符合题意；
C．钻木取火，是克服摩擦做功，将机械能转化为内能，属于能量转化，故C不符合题意；
D．电动机带动水泵把地下水送到地面，电动机工作时将电能转化为机械能，属于能量的转化，故D不符合题意。故选B。
（对点练1）下列关于能量转化和转移现象的说法中，正确的是（ ）
A．用热水袋取暖时，内能转化为机械能 B．利用风力发电时，将电能转化为机械能
C．电动机工作时，机械能转化为电能 D．给蓄电池充电时，电能转化为化学能
【答案】D
【解析】A．利用热水袋取暖时，热水袋内能减少，人体吸收热量，人的内能变大，是内能的转移，故A错误；
B．利用风力发电时，消耗风能，得到电能，是机械能转化为电能，故B错误；
C．电动机工作时，消耗电能得到机械能，是电能转化为机械能，故C错误；
D．蓄电池充电时，消耗电能得到化学能，是电能转化为化学能，故D正确。
故选D。
（对点练2）（2022江苏连云港）知识梳理是学习的一种重要方法，请将动能、能、机械能、内能填在下列知识结构图对应的序号框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
【答案】 （1）能 （2）机械能 （3）内能 （4）动能
【解析】能量的种类比较多：有光能、机械能、内能等；其中机械能包括动能和势能。
（对点练3）下列现象中属于能量转移的是 ，属于能量转化的是 （填序号）。
①煤炭燃烧 ②热水自然冷却 ③搓手取暖 ④灯泡发光
【答案】 ② ①③④
【解析】①煤炭燃烧时发热，将燃料的化学能转化为内能，属于能量的转化；
②热水自然冷却，是热传递改变水的内能，属于能量的转移；
③搓手取暖，是做功改变物体的内能，机械能转化为内能，属于能量的转化；
④灯泡发光，是电能转化为光能和内能，属于能量的转化。
故属于能量转移的是②，属于能量转化的是①③④。
重要考点2 热机（含汽油机柴油机等）问题
【例题2】热机的广泛使用已成为一个国家工业化程度的标志，下列交通或运输工具中，动力设备不是使用热机的是（　　）
A．远洋货轮 B．C919客机 C．载重汽车 D．木帆船
【答案】D
【解析】ABC．远洋货轮、C919客机、载重汽车工作时都需要燃烧燃料，放出热量，将内能转换为机械能，所以都是使用热机工作的，故ABC不符合题意；
D．木帆船是利用风力工作的，工作时没有使用热机，故D符合题意。
故选D。
（对点练1）（2026湖南一模）汽车的发动机大多数是内燃机，内燃机是热机的一种，下列关于热机和环境保护的说法，正确的是（　　）
A. 热机排出的尾气没有内能 B. 热机的效率能达到100%
C. 热机的大量使用会造成环境污染 D. 汽油机的做功冲程是将机械能转化成内能
【答案】C
【解析】A．一切物体在任何温度下都有内能，所以热机排放的尾气也有内能，故A错误；
B．热机在工作时不可避免地要损失一部分能量（如散热、克服机械部件间的摩擦），所以热机的效率不可能达到100%，故B错误；
C．热机在使用时会排放出一些有害的气体，会造成环境污染，故C正确；
D．汽油机的做功冲程对外做功，将内能转化为机械能，故D错误。故选C。
（对点练2）根据汽油机和柴油机的区别，下列说法错误的是（　　）
A．汽油机气缸顶部有一个火花塞，柴油机气缸顶部是一个喷油嘴
B．汽油机吸入的是空气，柴油机吸入的是空气和柴油的混合物
C．做功冲程是内能转化为机械能
D．压缩冲程是机械能转化为内能
【答案】B。
【解析】A．汽油机汽缸顶部有一个火花塞，柴油机汽缸顶部是一个喷油嘴，故A正确，不符题意；
B．工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气，B错误，符合题意；
C．做功冲程将内能转化为机械能，故C正确，不符合题意；
D．压缩冲程将机械能转化为内能，故D正确，不符合题意。
所以选B。
（对点练3）（2026广西一模）用冷水冷却发动机，是利用水的比热容较　　 （选填“大”或“小”）的特性。四冲程汽油机的工作过程中　　 冲程将内能转化为机械能（选填“压缩”或“做功”）。
【答案】 大 做功
【解析】用冷水冷却发动机，是利用水的比热容较大，相同质量的水和其它物质相比，升高相同的温度，可以吸收更多的热量。
四冲程汽油机的工作过程中，在做功冲程，高温高压的燃气体积膨胀，对活塞做功，将燃气的内能转化为活塞的机械能。
（对点练4）如图所示是某种内燃机某一冲程的示意图，由图可知：
（1）这种内燃机是______机；
（2）它表示的是______冲程；
（3）在这个冲程中______能转化为______能；
（4）完成这一冲程，曲轴和飞轮转______转。
【答案】（1）柴油机；（2）压缩；（3）机械，内能；（4）半。
【解析】（1）由图可知，内燃机的顶端是喷油嘴，所以该内燃机是柴油机。
（2）图中的气门闭合、活塞上行，所以是压缩冲程；
（3）压缩冲程活塞对缸内气体做功，是机械能转化为内能的冲程。
（4）曲轴转一圈可以完成2个冲程，故完成一个压缩冲程时曲轴转动半圈。
重要考点3 内燃机工作循环中的相关计算
【例题3】如图甲所示，在玻璃筒底部放一小团干燥的棉花，快速压下活塞，可观察到棉花着火燃烧，此实验主要是想说明通过 方式可增加内能；乙图所示的是汽油机的 冲程，若飞轮的转速为3000r/min，则在1s内，该单缸汽油机做功 次。
【答案】 做功 做功 25
【解析】在玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花，用力将活塞迅速向下压，棉花燃烧起来；说明压缩筒内空气做功，使空气的内能增加。
从图中可以看出，气门都关闭、火花塞点火和活塞向下移动的特点，可以判断这个冲程是做功冲程。
四冲程汽油机的飞轮转速为，则该飞轮每秒钟转50圈，因为一个工作循环飞轮转2圈，完成4个冲程，做功1次，所以1s内，飞轮转50圈，共25个工作循环，共做功25次。
（对点练1）（2026湖南二模）如图是汽油机工作过程中的　　 冲程。一单缸四冲程汽油机的飞轮转速是3600r/min，则该汽油机每秒内对外做功　　 次。
【答案】 做功 30
【解析】图中进气门和排气门关闭，活塞向下运动，火花塞产生电火花，故此冲程为汽油机的做功冲程。
汽油机的一个工作循环中，经历四个冲程，飞轮转动两周，对外做功一次，因为该汽油机飞轮的转速是3600r/min=60r/s，所以飞轮每秒转动60周，则汽油机每秒钟对外做功30次。
（对点练2）某汽油机的转速为2400r/min，则在1s内汽油机对外做功的次数是（　　）
A．2400次 B．1200次 C．40次 D．20次
【答案】D
【解析】汽油机的转速n＝2400r/min＝40r/s，即1s内飞轮转40圈，
因一个工作循环飞轮转2圈，对外做功1次，
所以，在1s内汽油机对外做功的次数是20次。
（对点练3）6. 国产油电混合动力汽车。
（1）汽油机是热机的一种，如图所示是四冲程汽油机工作状态示意图，此时它正处在 冲程。该冲程将内能转化为 能；
（2）汽油机的飞轮转速为2400r/min，则在1s内，汽油机完成 个冲程，对外做功的次数是 次；
（3）该汽车在高速公路上以108km/h的速度匀速行驶了1min，发动机的功率始终保持72kW不变，该过程中发动机做的功为 J，发动机牵引力的大小为 N。
【答案】（1）做功 机械 （2） 80 20 （3） 4.32×106 2400
【详解】（1）从图中可以看出，两气门关闭，火花塞点火和活塞向下移动的特点，可以判断这个冲程是做功冲程，将内能转化为了机械能。
（2）汽油机的飞轮的转速为2400r/min=40r/s
即飞轮在1内转40圈，由于飞轮转动两圈，完成一个工作循环，四个冲程，对外做功一次，所以1s内该汽油机完成80个冲程，对外做功20次。
（3）发动机所做的功W=Pt=72×103 W×60s=4.32×106J
汽车的速度v=108km/h=30m/s
根据P=W/t=Fs/t=Fv
得，发动机牵引力的大小为
重要考点4 固体和液体及气体的热值及其计算
【例题4】发动机是汽车的核心部件，某汽车发动机是以92号汽油为燃料的内燃机，其一个工作循环的四个冲程如图所示，表中给出了发动机的相关数据（空燃比是指气缸内空气和燃油的质量比）。单缸四冲程内燃机完成一个工作循环时，图中四个冲程的顺序是_____________，燃料完全燃烧放出的热量是________J。
气缸内汽油和空气混合气体的密度 1.3kg/m3
气缸的工作容积 2.0L
空燃比 12∶1
汽油的热值 4.6×107J/kg
【答案】乙甲丁丙；9.2×103
【解析】（1）甲中的两个气阀都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是第二冲程；
乙中的一个气阀打开，活塞向下运动，所以为吸气冲程，是第一冲程；
丙中的一个气阀打开，活塞向上运动，所以为排气冲程，是第四冲程；
丁中的两个气阀都关闭，活塞下运动，所以为做功冲程，是第三冲程；
故排序为：乙甲丁丙；
（2）汽缸内汽油和空气混合气体的体积等于汽缸的工作容积，即：V=V容=2L=2×10-3m3
由得，汽油和空气混合气体的质量：
m=ρV=1.3kg/m3×2×10-3m3=2.6×10-3kg
因为空燃比是12∶1，
所以汽油的质量：
完成一个工作循环时，汽油燃烧释放的热量：
Q放=m汽油q=2×10-4kg×4.6×107J/kg=9.2×103J
（对点练1）【演练1】（2022湖北宜昌）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. 燃料的热值与质量和燃烧状态无关
D. 燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多
【答案】C
【解析】ABC．热值是燃料自身的一种属性，大小与燃料的质量、温度、燃烧情况无关，故AB错误，C正确；
D．根据公式Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量多少与燃料的热值、燃料的质量有关，与燃烧时的温度无关，故D错误。故选C。
（对点练2）（2025·山东烟台）汽油机是燃油汽车的动力来源之一。如图所示是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：①__________；②_________。若汽油的热值为4.6×107J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为________kg。
【答案】1.61×105；机械；3.5×10-3
【解析】汽油机中燃料完全燃烧放出的热量等于损失的能量和有用的机械能之和，燃料完全燃烧放出的热量
Q放=W损失+W有用=1.2×105J+4.1×104J=1.61×105J
该工作过程中消耗的汽油质量为：
（对点练3）（2025江苏苏州改编）用煤气炉将的水从加热到，消耗煤气。已知煤气的热值为，水的比热容为。求：
（1）水吸收的热量；
（2）煤气完全燃烧放出的热量。
【答案】（1）； （2）
【解析】（1）水吸收的热量
（2）煤气完全燃烧放出的热量
重要考点5 热机的效率（含热效率）相关的计算
【例题5】（2026·山东济南一模拟）四冲程汽油机中的_________冲程是提供动力的，已知该汽油机飞轮转速为1200r/min，能量输出效率为20%，则该汽油机每秒钟对外做功________次；若该发动机完全燃烧2L的汽油能够输出的有用功为_________J。（汽油的热值为4.6×107J/kg，密度为0.75×103kg/m3）
【答案】（1）做功；（2）10；（3）1.38×107
【解析】（1）四冲程汽油机的四个冲程中，做功冲程将内能转化为机械能，为汽油机提供动力，故第一空填“做功”。
（2）飞轮转速1200r/min=20r/s，即每秒飞轮转动20圈。四冲程汽油机工作时，一个工作循环中飞轮转2圈对外做功1次，所以每秒对外做功次数为20÷2=10次，故第二空填“10”。
（3）汽油体积V=2L=2×10-3m3，由密度公式可得汽油质量：
m=ρV=0.75×103kg/m3×2×10-3m3=1.5kg
汽油完全燃烧释放的热量：
Q放=mq=4.6×107J/kg×1.5kg=6.9×107J
由效率公式得有用功：
W有=ηQ放=20%×6.9×107J=1.38×107J
故第三空填“1.38×107”。
（对点练1）（2026·苏州二模）氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，如图为一辆我国设计制造的氢能源公交车。[c水=4.2×103J/（kg·℃），q氢=1.4×108J/kg] 求：
（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧，若放出的热量全部被水吸收，可以使质量为1t的水温度升高多少？
（2）此氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，汽车的速度为20m/s，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的60%用来做机械功，则这些热量能让该公交车匀速行驶的距离。
【答案】（1）4.2×107J；10℃；（2）3600m
【解析】（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量：
Q放=m氢q氢=0.3kg×1.4×108J/kg=4.2×107J
若放出的热量全部被水吸收，即Q吸=Q放=4.2×107J，可以使质量为1t的水温度升高：
（2）由可知，公交车获取的机械功：
W=ηQ放=60%×4.2×107J=2.52×107J
公交车的行驶功率：P=140kW=1.4×105W，由W=Pt可知，公交车匀速行驶的时间：
则这些热量能让该公交车匀速行驶的距离为：
s=υt=20m/s×180s=3600m
答：（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量为4.2×107J；若放出的热量全部被水吸收，可以使质量为1t的水温度升高10℃；
（2）这些热量能让该公交车匀速行驶的距离为3600m。
（对点练2）小明利用家中燃气表和温度计测量燃气灶烧水的效率。将的水从加热到，消耗了天然气（假设天然气完全燃烧），已知水的比热容为，天然气的热值为，则此次燃气灶烧水的效率为　　 。
【答案】
【解析】水吸收的热量为
天然气放出的热量为
燃气灶烧水的效率为
（对点练3）氢燃料具有清洁、效率高等优点，被认为是理想的能源之一，目前我国部分城市已有多批氢能源公交车投放使用。（已知c水＝4.2×103J/（kg℃），q氢＝1.4×108J/kg。）问：
（1）质量为0.6kg的氢燃料完全燃烧放出的热量是多少？
（2）若这些热量全部被质量为500kg、温度为15℃的水吸收，水升高的温度是多少？
（3）若这些热量恰好能供某氢能源公交车以140kW的恒定功率匀速行驶5min，则该氢能源公交车的效率是多少？
【答案】（1）8.4×107J；（2）40℃；（3）50%
【解析】（1）0.6kg的氢燃料完全燃烧放出的热量
Q放＝m氢q＝0.6kg×1.4×108J/kg＝8.4×107J
（2）水吸收的热量
Q吸＝Q放＝8.4×107J
水升高的温度
Δt＝＝＝40℃
（3）公交车做功
W＝Pt＝140×103W×5×60s＝4.2×107J
公交车的效率
η＝×100%＝×100%＝50%
（对点练4）汽车已走入我们的家庭，而发动机是汽车的核心部件，发动机的质量决定了整车的性能与品质，现代汽车主要分汽油与柴油两类发动机，以汽油发动机为例，其提供动力的是内燃机的气缸。某台以汽油为燃料的汽车，发动机内有四个气缸，其相关数据如下表所示：
1min内完成工作循环 2600次 93﹟汽油 气缸内汽油和空气的混合密度 1.35kg/m3
排气量 1.8L 热值 4.6×107J/kg
发动机最大功率 75kW 空燃比 14∶1
（1）汽车内燃机一个工作循环包括四个冲程如上图所示，一个气缸正常工作四个冲程的顺序是____________（对甲、乙、丙、丁重新排序），其中图________是内燃机给汽车提供动力的冲程。
（2）汽车以100km/h的速度匀速运动时发动机的输出功率最大，则1min内做多少J的有用功
（3）汽车的排气量是指发动机气缸的工作容积，汽车排气量越大，功率越大。空燃比指汽缸内空气和燃油的质量比。当汽车以100km/h的速度匀速行驶时，根据表中数据求汽车发动机的效率。（计算结果保留一位小数）
【答案】（1）乙甲丁丙；丁；（2）4.5×106J；（3）23.2%
【解析】（1）内燃机的工作循环过程是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，故排列顺序为：乙甲丁丙；
由图可以知道，丁图中进气门、排气门均关闭，且活塞向下运动的冲程是做功冲程，做功冲程中内燃机给汽车提供动力；
（2）汽车以100km/h速度匀速运动时，1min中内做的有用功：
W=Pt=75000W×60s=4.5×106J
（3）根据可得，做一次功燃气的质量：
m燃气=ρV=1.35kg/m3×1.8×10-3m3=2.43×10-3kg
因为空燃比是14∶1，所以做一次功消耗的汽油质量：
1mi内汽油燃烧释放的热量：
Q=m汽油q=1.62×10-4kg×4.6×107J/kg×2600=1.93752×107J
发动机的效率：
重要考点6 （拓展）比较不同物质燃烧时放出的热量的实验
【例题6】如图所示，甲、乙、丙的三套装置完全相同，燃料质量、液体质量及液体初温均相同，不考虑热量损失，点燃后燃料稳定燃烧直至尽，同一套装置中液体单位时间内吸热相等，三套装置烧杯中液体升高的温度随时间变化的图像如图丁所示，下列判断正确的是（　　）
A．两种液体的比热容之比
B．两种燃料的热值之比
C．时间段甲、乙液体吸收的热量之比
D．时间段乙中液体a与时间段丙中液体b吸收的热量之比
【答案】A
【解析】A．对比甲、丙两个实验可知，实验所用燃料相同，两种液体a、b加热相同的时间吸收的热量相同，由图丁可知，时间段内，液体b的温度变化为，液体a的温度变化为，两种液体的比热容之比 故A正确；
B. 对比甲、乙两个实验可知，实验所用液体种类、质量、初温都相同，燃料不相同，燃料完全燃烧提供的热量都被液体a吸收，燃料1时液体a升高的温度为，燃料2时液体a升高的温度为，两种燃料的热值之比 故B错误；
C.时间段，甲、乙装置中燃料的种类不同，加热液体的种类和质量相同，相同时间液体升高的温度不同，液体吸收的热量不同，，故C错误；
D. 时间段，乙中液体a吸收的热量
时间段，丙中液体b吸收的热量
时间段乙中液体a与时间段丙中液体b吸收的热量之比 故D错误。
故选A。
（对点练1）如图所示在“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的实验中，下列说法正确的是（　　）
A．研究方法是控制变量和转换法
B．研究对象是烧杯中被加热的液体
C．实验中还需要的器材是天平和秒表
D．相同时间内温度计示数越大，该燃料的热值一定越大
【答案】A
【解析】A．在该实验中，为了比较不同燃料燃烧放出的热量，要控制燃料的质量相同、被加热液体的种类和质量相同等，运用了控制变量法；燃料燃烧放出的热量不能直接测量，而是通过被加热液体升高的温度来体现，这运用了转换法，所以研究方法是控制变量和转换法，故A正确；
B．该实验的研究对象是不同的燃料，通过比较燃料燃烧放出热量的多少来比较燃料的情况，而不是烧杯中被加热的液体，故B错误；
C．实验中需要用天平测量燃料的质量，保证燃料质量相同，但不需要秒表，因为不是比较相同时间内的情况，而是比较燃料完全燃烧放出的热量，故C错误；
D．燃料的热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与温度计示数无关，相同时间内温度计示数越大，只能说明在相同时间内该燃料放出的热量多，但不能说明其热值一定大，故D错误。
故选A。
（对点练2）小明购买了某品牌的一盒薯片，部分参数如表所示。如图所示，在估测薯片热值的实验中，
营养成分表每份食用量：30g
项目 每份
能量 663000J
蛋白质 1.7g
脂肪 9.6g
(1)小明设计了两种对水加热的方式。
方式一：薯片在小烧杯中燃烧；方式二：薯片在燃烧皿中燃烧。
两种加热方式中合理的是 。
(2)选好加热方式后，小明用天平分别测出3g薯片和100g的水，用温度计测出水的初温为22℃，将3g薯片放入燃烧的容器中，待其燃尽后记下水的温度为72℃，则水吸收的热量为 J。初步估算下薯片的热值为 J/kg。小明根据薯片盒上的数据也计算出其热值为 J/kg，两者相差很多，请你帮助他分析原因可能是（写出一条）： 。[水的比热容为]
【答案】(1)二 (2) 见解析
【解析】（1）因为在小烧杯中燃烧可能会导致热量散失到周围环境中，测量不准确，而燃烧皿其开口相对较小，能使燃烧产生的热量尽可能地在内部聚集。更适合用于这种燃烧实验来测量热量。所以方式二加热方式合理。
（2）[1]水的初温为22℃，水的末温为72℃，质量为100g，则水吸收的热量为
[2]若不计算热量损失，则有
薯片的热值为
[3]从成分表中可知，30g薯片含有能量663000J，则薯片热值为
[4] 实验过程中，燃料燃烧产生的热量有部分散失在空气中，没有全部被水吸收，加热装置也会吸收一部分热量，以及薯片不能充分燃烧，因此两次计算出的薯片热值相差很多。
（对点练3）如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量相同，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，实验中应控制两装置燃料 （选填“完全燃烧完”或“燃烧相同时间”），通过比较 （选填“温度计上升的示数”或“加热时间的长短”）来确定燃料热值的大小；
（2）比较不同物质的比热容，应选择 两图进行实验，不同物质吸热多少是通过 （选填“温度计上升的示数”或“加热时间的长短”）来反映的。
（3）若甲图烧杯中为50g的水，燃料1为2×10-4kg的酒精。酒精完全燃烧后，温度计示数升高20℃（水未沸腾），水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），酒精热值为3×107J//kg，则该装置对水的加热效率为 。
【答案】 甲、乙 完全燃烧完 液体升高的温度 甲、丙 加热时间的长短 70%
【解析】（1）根据控制变量法可知，比较不同燃料的热值，应改变燃料的种类，控制其他物理量不变，由于热值是单位质量燃料完全燃烧放出的热量，因此两个质量相同的燃料都需要完全燃烧完，燃料燃烧放出热量的多少不易观察，是通过加热相同的液体，观察液体升高的温度来呈现，由此可知，比较不同燃料的热值，应选用甲、乙两图进行实验，实验时通过观察液体升高的温度来比较不同燃料热值的大小。
（2）根据控制变量法可知，比较不同物质的比热容，应改变被加热物质的种类，控制其他物理量不变，物质吸收热量的多少不易观察，是通过用相同的加热器，比较加热时间的长短来呈现，由此可知，比较不同物质的比热容，应选用甲、丙两图进行实验，实验时通过加热时间的长短来反映物质吸收热量的多少。
（3）水吸收的热量
Q吸=c水m水Δt水=4.2×103J/（kg ℃）×50×10-3kg×20℃=4.2×103J
酒精放出的热量
Q放=mq=2×10-4kg×3×107J/kg=6×103J
该装置对水的加热效率为
重要考点7 热机模型问题
【例题7】如图，物理兴趣小组制作了一个简易汽轮机装置。在易拉罐中装入适量的水，用酒精灯加热，水沸腾后从管口喷出蒸汽使风车转动。简易汽轮机工作过程中（　　）
A．酒精燃烧将内能转化为化学能
B．水的内能增加的方式是热传递
C．蒸汽被喷出后内能保持不变
D．蒸汽的内能全部转化为风车的机械能
【答案】B
【解析】A．酒精燃烧的过程是将化学能转化为内能的过程，故A不符合题意；
B．加热过程中，易拉罐中的水吸收热量，温度升高，是通过热传递的方式增加内能，故B符合题意；
C．蒸汽喷出后，对外做功，内能转化为机械能，内能减小，故C不符合题意；
D．因为热量损失，所以蒸汽的内能不会全部转化为风车的机械能，故D不符合题意。故选B。
（对点练1）某学校科学兴趣班上，有人做了如图所示的一个实验，用铅笔尖顶着一个纸风车，置于一杯热水上，风车就会转动。下列说法正确的是（　　）
A．风车转动时，风车只受到重力和支持力的作用
B．移除热水，风车由于惯性不会立刻停转
C．热水杯上方的白雾是热水汽化形成的
D．热水变冷，风车最终也会停下来，所以这个实验不遵守能量转化与守恒定律
【答案】B
【解析】A．风车转动时，受到自身的重力、铅笔尖的支持力以及热空气的推力，故A错误；
B．风车具有惯性，则移除热水后风车会继续保持原有的运动状态，不会立即停转，故B正确；
C．热水上方的白雾是水蒸气遇冷液化形成的小水珠，故C错误；
D．热水变冷，内能转化为的机械能逐渐减小，风车最终也会停下来，但仍然遵守能量转化与守恒定律，故D错误。
故选B。
（对点练2）电火花发生器点燃塑料盒内的酒精，酒精燃烧产生的燃气能将盒盖喷出很远，实验时在盒内滴入0.2g的酒精（q酒精＝3×107J/kg）。对此实验过程，以下说法正确的是（　　）
A．酒精燃烧将内能转化为化学能
B．燃气在喷出过程中内能增大
C．能量转化方式与汽油机的压缩冲程相同
D．酒精燃烧放出的热量可能小于6000J
【答案】D
【解析】A．酒精燃烧将酒精的化学能转化为内能，故A错误；
B．燃气在喷出过程中，对外做功，燃气的内能减小,温度降低，故B错误；
C．酒精燃烧产生的燃气膨胀做功，将盒盖喷出，燃气的内能转化为机械能，与汽油机的做功冲程相同，故C错误；
D．酒精完全燃烧放出的热量为，但在实际的燃烧过程中，酒精不能完全燃烧，所以酒精燃烧放出的热量可能小于6000J，故D正确。
故选D。
（对点练3）物理学的发展推动了社会的进步。如图所示，是世界上早期的蒸汽机汽车模型，燃料燃烧使水温沸腾产生水蒸气，水蒸气的 能转化为汽车的 能，使汽车前进；此工作原理相当于内燃机的 冲程。
【答案】 内 机械 做功
【解析】燃料燃烧使水沸腾产生水蒸气，水蒸气对汽车做功，将内能转化为汽车的机械能，使汽车前进。
内燃机的做功冲程也是将内能转化为机械能。
（对点练4）如图为某科技小组发射水火箭的过程，可乐瓶内的水向后喷出，水火箭就向上飞出，这一现象说明了力的作用是 ；从能量转化角度来看，水火箭的机械能是由高压气体的 能转化来的，这一过程的能量转化与汽油机的 冲程能量转化方式相同。
【答案】 相互的 内 做功
【解析】可乐瓶内的水向后喷出，火箭对水施加了向下的作用力，同时，水对火箭施加了向上的作用力，水火箭就向上飞出，这一现象说明了力的作用是相互的。
从能量转化角度来看，水火箭内的高压气体体积膨胀将水喷出，对水和水火箭做功，水火箭的机械能是由高压气体的内能转化来的。
汽油机的做功冲程中，缸内气体推动活塞做功，将内能转化为机械能，与高压气体推动水火箭升空时的能量转化方式相同。
焦耳对能量转化和守恒定律的贡献
这个人就是英国的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命导师马克思同岁，1818年出生于英国曼彻斯特，父亲是一个富有的酿酒厂主。焦耳从小跟着父亲学习酿酒，没有上过什么正规的学校，曾经在一个家庭学校里学习过。1834年，16岁的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习。很难想象现在的教授会收两个没上过什么正规学校的小屁孩做自己的学生，不过，当年这位大化学家的经济状况也确实不大好。焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何，后来道尔顿因中风而退休。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。大师的指导对他的成长起了关键的作用，使他对科学研究发生了浓厚的兴趣，并学到了他理论与实践相结合的科学研究方法。之后焦耳进入曼彻斯特大学就读。毕业后回家经营啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂之前，这一直都是他的“正业”，科学只是焦耳的一个业余爱好。
在1831年法拉第发现电磁感应定律之后，从英国开始，掀起了一场席卷欧洲和北美的电气热潮。1838年，20岁的焦耳也投入到了这场电气热潮之中，开始研究起磁电机来。在实验过程中他注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机械运动中的摩擦现象一样，都会造成动力的损失，于是他就开始进行电流的热效应研究。
1840年，22岁的焦耳向英国皇家学会提交了论文《电的金属导体产生的热和电解时电池组放出的热》，文中介绍了他的实验。他把缠在玻璃管上的导电线圈放入盛水的容器中，通电后测量水的温度变化。实验中他使用不同的导线、改变电流强度，得到多组实验数据。通过计算最后他得出结论：“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律。
焦耳认为，电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介，在电池中“燃烧”一定的化学“燃料”，在电路中就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中燃烧所得的热应该是一样多。
在研究了化学能向电能和热能的转化之后，焦耳又开始研究机械能与电能和热能之间的转化，并进行了大量的热功当量实验。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，在相距约27.4米处安装两个定滑轮，细线跨过滑轮挂有砝码，砝码的重量可以调整，线圈浸在量热器的水中。根据水的温度变化可以计算出热量，根据砝码的重量及下落的距离可以计算出机械功。焦耳记录下13组实验数据，取其平均值得出如下结果：“能使1磅的水升温1华氏度的热量等于把838磅重物提升一英尺的机械功。”从这个结果可以得出热功当量为4.511焦耳/卡，现代的公认值为4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞之后的升温，得到热功当量为772磅·英尺/英热单位（即4.145焦耳/卡），与现代的公认值相比，误差仅有百分之一。焦耳并没有就此罢手，他从1843年采用磁电机开始测量当量，直至1878年最后一次发表实验结果，共做了400多次实验，分别以固体、流体、气体多种物质为对象，运用了不同原理的各种方法，涉及机械力学、电磁学、化学、热力学、流体力学等各个领域，以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了详实可靠的证据，使能量转化与守恒定律的确立具备了牢固的实验基础。而他本人则从25岁的小伙变成了花甲老人。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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