资源简介

沪粤版九年级物理上册·情境化提优专题训练
第十一章《机械功与机械能》 · 第十二章《内能与热机》
专题一：机械功的本质与功率综合计算（做功两要素、高新装备做功与功率辨析）
本专题考查做功的两个必要因素（作用在物体上的力 、物体在力的方向上移动的距离 ）与不做功的三种典型情境（劳而无功、不劳无功、垂直无功），掌握功的计算 与功率计算 的工程应用。
【机械做功两要素辨析】在下列国家重大工程或日常生产生活场景中，力对物体【做了功】的是（　　）
A. 国产大型盾构机在地铁隧道施工中，推力推动刀盘向前掘进
B. 货运搬运机器人在平直车间地坪上托着 的重物水平匀速直线行驶
C. 起重机吊着重物悬停在空中静止不动，钢丝绳的拉力持续作用在重物上
D. 宇航员在太空舱外维修空间站，松开扳手后扳手在太空中依靠惯性继续运动
【白鹤滩水电站水轮发电机做功与功率】金沙江白鹤滩水电站安装有全球单机容量最大的 （）水轮发电机组。已知水库平均水头落差高度为 ，若每秒钟冲击单台水轮机的水质量为 （重力常数 ）。求：
每秒钟下落水流重力所做的总功 ；
若下落水流重力做功转化为水轮发电机输出电能的水能发电综合效率为 ，求该发电机组实际输出的电功率 。
【重载全地形机器人越野爬坡功率】某国产重载巡检机器人总质量为 。当机器人在水平平直硬化路面上以 匀速行驶时，受到的阻力为整车重力的 倍（ 取 ）。求：
机器人在水平平直路面匀速行驶时牵引力做功的功率 ；
当机器人以 的速度沿坡长 、坡高 的斜坡匀速爬坡时，发动机输出恒定牵引力 ，求爬上坡顶过程中牵引力所做的总功 及功率 。
专题二：机械能的转化与守恒（动能/势能影响因素、空间站轨道机械能互化）
本专题考查动能（质量与速度）、重力势能（质量与高度）、弹性势能的决定因素，探究动能大小影响因素的转换法与控制变量法，深入剖析近地点与远地点轨道机械能守恒。
【探究物体动能大小与哪些因素有关实验】物理兴趣小组设计了如图 1 所示的斜面小球碰撞实验。
图 1 探究动能大小与质量、速度关系实验装置图
实验中，钢球动能的大小是通过观察 ________________________ 来反映的，这种研究方法称为“转换法”。
让同一钢球从斜面不同高度 由静止滚下，撞击水平面上的木块，这是为了探究动能大小与 ________ 的关系。实验发现，下落高度 越高，木块被撞击滑行的距离 越远，说明 ________________________。
换用质量不同的小球从斜面 ________（选填“相同”或“不同”）高度由静止滚下，发现质量越大的小球撞击木块滑行得越远，由此得出结论：物体的速度相同时，质量越大，动能越 ________。
【探究重力势能大小决定因素】在探究物体的重力势能与哪些因素有关的实验中，让不同质量的重锤从不同高度自由下落撞击木桩，通过观察 ________ 来判断重力势能的大小。
【人造地球卫星与空间站轨道能量转化】我国天宫空间站沿椭圆轨道绕地球运行时，从远地点向近地点运动的过程中，空间站的高度逐渐变小，运行速度逐渐增大。在这一过程中，空间站的 ________ 势能转化为 ________ 能；在不考虑微薄空气阻力的情况下，空间站的总机械能 ________（选填“增大”、“减小”或“守恒”）。
【机械能守恒与微观耗散】如图 2 所示为滚摆与单摆实验。
图 2 滚摆与单摆机械能相互转化示意图
如图 2(a) 所示，滚摆在向下运动的过程中，重力势能转化为 ________ 能；当滚摆运动到最低点时，其 ________ 能最大。
在实际实验中，观察到滚摆每次上升的最高高度逐次降低，最后完全停在最低处，这说明滚摆在运动过程中，机械能总量逐渐减小，有一部分机械能转化为了 ________ 能。
专题三：机械效率的测量与工程优化（滑轮组、斜面效率及重型吊装设备）
本专题考查有用功 、总功 、额外功 与机械效率 的综合计算，结合大型工程机械滑轮组与斜面测量实验深度剖析提升效率的途径。
【大型造船龙门吊滑轮组吊装计算】造船厂大型龙门吊使用滑轮组将重为 的巨型船体分段结构在 内匀速竖直提升了 。已知滑轮组的机械效率为 。求：
起重机对船体结构所做的有用功 ；
起重机钢丝绳拉力所做的总功 及电动机提升拉力的总功率 。
【盘山公路斜面模型综合计算】盘山公路是斜面机械的一种典型应用。一辆总质量为 的卡车沿长 、高 的平直盘山公路以 匀速驶上山顶，发动机沿斜面方向的实际牵引力为 （ 取 ）。求：
卡车爬坡时克服重力所做的有用功 ；
该段盘山公路的机械效率 ；
卡车在爬坡过程中克服地面摩擦阻力所做的额外功 以及卡车受到的平均摩擦阻力 。
【测量滑轮组与斜面机械效率实验】物理小组用如图 3 所示装置进行机械效率测量实验。
图 3 测量滑轮组与斜面机械效率实验装置图
如图 3(a) 所示，在测定滑轮组机械效率实验中，实验时必须沿竖直方向 ________ 缓慢拉动弹簧测力计。若钩码重为 ，被提升高度为 ，测力计示数为 ，绳端移动距离为 ，则滑轮组的机械效率为 ________ 。
若在图 3(a) 滑轮组下方改挂重为 的重物重复实验，滑轮组的机械效率将 ________（选填“增大”、“减小”或“不变”）。
如图 3(b) 所示，在斜面实验中，斜面粗糙程度相同时，斜面的倾角越大，斜面的机械效率越 ________（选填“高”或“低”）。
专题四：分子动理论与内能基础（分子引力与斥力、温度/热量/内能辨析）
本专题考查分子动理论三大基本观点、铅柱紧压分子引力实验、温度-内能-热量三大物理量的科学辨析，掌握改变内能的两大途径（做功与热传递）。
【分子间相互作用力铅柱实验】如图 4 所示，将两个底面削平、干净的铅柱紧紧压在一起，下面吊一个重物都不能把它们拉开。这表明（　　）
图 4 铅柱紧压相互结合实验示意图
A. 铅分子之间只存在引力不存在斥力
B. 大气压强把两个铅柱紧紧压在一起
C. 铅分子之间存在相互作用的引力
D. 铅分子间引力远大于斥力，导致铅分子停止无规则运动
【做功与热传递改变内能方式辨析】下列生活现象中改变物体内能的方式与“钻木取火”相同的是（　　）
A. 冬天使用热水袋敷手取暖
B. 金属勺放在热汤中变烫
C. 双手相互摩擦感到手心发热
D. 盛夏阳光下柏油路面温度升高
【温度、热量与内能逻辑辨析】下列关于温度、热量和内能的说法中，正确的是（　　）
A. 发生热传递时，热量总是从内能大的物体流向内能小的物体
B. 一杯水温度升高，其内部分子的热运动一定加剧，内能一定增加
C. 的水结成 的冰时，温度不变，内能也不变
D. 物体吸收了热量，温度一定升高
【压缩点火与做功内能转化】用打气筒给自行车轮胎打气时，过一会儿打气筒筒壁会发热。产生这一现象的主要原因是：活塞压缩筒内空气 ________，使空气内能增加；同时活塞与筒壁之间摩擦生热。
专题五：比热容与热量计算（物质吸放热特性、海陆气候调节与高新热管理）
本专题考查比热容的概念与物理意义、吸放热基本公式 ，结合沿海气候调节、汽车发动机冷却水套及高密度储能系统展开科学计算。
【比热容物理意义辨析】关于物质的比热容，下列说法正确的是（　　）
A. 物质的比热容跟它吸收的热量成正比，跟它的质量和升高的温度成反比
B. 一桶水的比热容比一杯水的比热容大
C. 同种物质在不同状态下（如水和冰），比热容大小不同
D. 质量相等的不同物质，吸收相同的热量，比热容小的物质升高的温度更少
【纯电动汽车电池水冷循环散热系统】某高端纯电动汽车动力电池组采用水冷板循环散热系统。冷却液的主要成分为水（比热容 ）。当质量为 的冷却液在电池包内循环流动一次，温度从 上升到 时，冷却液吸收的热量为 ________ 。
【金属工件热平衡计算】在机械工件热处理中，将质量为 的高温铝块（初温 ，比热容 ）投入质量为 、初温为 的冷水中。若不计热量散失与水的蒸发（即 ），求达到热平衡时混合系统的最终温度 。
专题六：内燃机冲程与热机效率（工作循环规律、混动专用发动机超高热效率综合计算）
本专题考查热机四冲程特征、能量转化、燃料热值公式 与热机效率 ，聚焦国产插电混动专用内燃机 46% 超高热效率与新能源综合节能计算。
【四冲程内燃机工作循环判定】如图 5 所示，是四冲程汽油机工作循环中的四个冲程。
图 5 四冲程汽油机工作循环示意图
图中实现内能转化为机械能的冲程是 ________（选填字母序号）；依靠飞轮旋转惯性完成进气的冲程是 ________。
若某单缸四冲程内燃机的飞轮转速为 ，则该内燃机每秒钟完成 ________ 个冲程，对外做功 ________ 次。
【长征系列火箭液氢燃料优势】我国长征五号大型大推力运载火箭采用液氢作为芯一级火箭主推进剂燃料。火箭选用液氢作为推进剂主要是因为液氢具有极大的 ________；液氢完全燃烧时放出的热量公式为 ________。
【国产插电混动轿车高速巡航综合能效计算】某国产插电式混合动力轿车搭载热效率高达 的专用高效汽油机。轿车在高速公路上以 的速度匀速直线行驶 ，已知行驶过程中轿车受到的阻力为 ，汽油热值取 。求：
轿车行驶 牵引力所做的有用机械功 ；
汽油机完全燃烧消耗汽油的质量 。
【商用高能天然气热水炉效率评估】某绿色低碳商用天然气锅炉正常工作消耗 天然气（天然气热值取 ），将水箱内质量为 的水从 加热到 （水的比热容 ）。求：
天然气完全燃烧放出的总热量 ；
水吸收的有用热量 ；
该锅炉的供热热效率 。
【太阳能与电热综合供水系统全流程计算】如图 6 所示，某绿色科技园区安装有太阳能集热与电辅助储热水系统。储热水箱容积为 （水密度 ，比热容 ）。
图 6 太阳能集热与电辅助储热水系统示意图
求水箱中满箱水的质量 ；
晴天时，太阳能集热器一天吸收太阳辐射能 ，若集热系统效率为 ，求水箱内水吸收的热量 及水温升高的度数 ；
阴雨天启用电辅助加热管（额定电功率 ），电加热效率为 ，若要让水箱内的水吸收相同的热量 ，求电加热管需要正常工作的时间 （单位换算为 ）。
【氢燃料电池城市客车动力总成综合计算】某氢能客车搭载高效燃料电池系统，整车以额定功率 沿平直道路匀速行驶 ，共消耗高纯氢气 （氢气热值 ）。求：
客车在此行驶过程中所做的有用机械功 ；
氢气完全燃烧释放的总热量 ；
该氢能客车动力系统的综合能量转化效率 。
【热管技术超导散热与相变潜热】现代高性能计算芯片广泛采用超薄均热板热管散热：蒸发端液体吸热 ________ 变为蒸气流向冷却端，在冷却端 ________ 放热凝结为液体回流，利用高相变潜热实现超高效率导热。
【能量守恒与自然过程的方向性】关于能量的转化与守恒，下列说法正确的是（　　）
A. 能量守恒定律只适用于机械能和内能的转化过程
B. 根据能量守恒定律，可以制造出一种不消耗任何燃料和能源却源源不断对外做功的永动机
C. 能量在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变，但能量的转化和转移具有方向性
D. 汽车刹车时动能转化为内能，这些散失到空气中的内能可以自发地全部聚集起来使汽车重新加速起动
【综合压轴：水力发电与机械-电-热全链条能量守恒】水力发电站中水流从高处冲下冲击水轮机带动发电机发电，发出的电能通过高压输电线路输送到工厂驱动电动机做功。在整个“水流重力势能 机械能 电能机械能”的全链条转换中，最终输出的机械功始终小于初始水流重力势能，这并不违背能量守恒定律，其根本原因是 ________________________。
参考答案
专题一：机械功的本质与功率综合计算（做功两要素、高新装备做功与功率辨析）
1.【机械做功两要素辨析】
【答案】A
【解析】
A 项，盾构机推力向前，刀盘向前移动了距离，力与移动方向一致，推力对刀盘做了功，A 正确；
B 项，搬运机器人托力竖直向上，而重物水平移动，力的方向与移动方向垂直（垂直无功），托力没有做功，B 错误；
C 项，起重机钢丝绳拉力向上，但重物静止没有移动距离（劳而无功），拉力没有做功，C 错误；
D 项，松手后扳手靠惯性运动，没有力对扳手做功（不劳无功），D 错误。
2.【白鹤滩水电站水轮发电机做功与功率】
【解析】
（1）每秒钟下落水流受到的重力为：
。
每秒钟水流重力所做的总功为：
。
（2）每秒钟发电机组输出的有用电能为：
。
发电机组输出的实际电功率为：
。
3.【重载全地形机器人越野爬坡功率】
【解析】
（1）机器人自重 。
在水平平直路面匀速行驶时牵引力等于阻力：
。
水平行驶时的牵引力功率为：
。
（2）爬坡过程中牵引力所做的总功为：
。
爬坡过程中的功率为：
。
专题二：机械能的转化与守恒（动能/势能影响因素、空间站轨道机械能互化）
4.【探究物体动能大小与哪些因素有关实验】
【答案】（1）木块被撞击移动的距离 　（2）速度；质量相等的物体，运动速度越大，动能越大　（3）相同；大
【解析】
（1）钢球动能无法直接测量，钢球撞击木块对木块做功，木块被撞击移动的距离 越远，说明钢球对木块做的功越多，钢球具有的动能越大。
（2）同一钢球质量 相同，从不同高度滚下到达水平面的初速度不同，探究的是动能与速度的关系；下落高度越高，到达底端速度越大，木块被推得越远，说明质量一定时，速度越大，动能越大。
（3）探究动能与质量的关系时，必须控制小球到达水平面的速度相同，因此应让不同质量的小球从斜面的相同高度由静止滚下；质量越大，木块滑行越远，说明速度相同时，质量越大，动能越大。
5.【探究重力势能大小决定因素】
【答案】木桩被砸入沙坑（或地面）的深度
【解析】
重锤下落撞击木桩，将重力势能转化为对木桩做功，木桩陷入泥沙越深，表明重锤初始具有的重力势能越大，运用了转换法。
6.【人造地球卫星与空间站轨道能量转化】
【答案】重力；动；守恒
【解析】
空间站从远地点向近地点运动过程中，高度减小，重力势能减小；速度增大，动能增大，重力势能转化为动能；在太空真空环境中没有阻力做功，机械能守恒。
7.【机械能守恒与微观耗散】
【答案】（1）动；动　（2）内（或热）
【解析】
（1）滚摆向下运动高度降低、旋转速度加快，重力势能转化为动能；运动到最低点时速度最大、动能最大。
（2）滚摆在摆动过程中克服空气阻力和悬线扭转摩擦做功，部分机械能转化为内能耗散，导致机械能总量逐渐减小。
专题三：机械效率的测量与工程优化（滑轮组、斜面效率及重型吊装设备）
8.【大型造船龙门吊滑轮组吊装计算】
【解析】
（1）起重机对船体结构所做的有用功为：
。
（2）由 可得拉力所做的总功为：
。
提升过程的总电功率为：
。
9.【盘山公路斜面模型综合计算】
【解析】
（1）卡车自重 。
克服重力所做的有用功为：
。
（2）牵引力沿盘山公路所做的总功为：
。
盘山公路的机械效率为：
。
（3）克服地面摩擦所做的额外功为：
。
卡车受到的平均摩擦阻力为：
。
10.【测量滑轮组与斜面机械效率实验】
【解析】
（1）测定滑轮组机械效率必须竖直向上匀速拉动弹簧测力计；
滑轮组的机械效率为：
。
（2）增加钩码重力，有用功增大，而额外功基本不变，有用功占总功的比值变大，机械效率增大。
（3）斜面粗糙程度相同时，倾角越大，正压力越小、摩擦力越小，克服摩擦做的额外功比例变小，机械效率越高。
专题四：分子动理论与内能基础（分子引力与斥力、温度/热量/内能辨析）
11.【分子间相互作用力铅柱实验】
【答案】C
【解析】
削平的铅柱压紧后分子间距离进入引力作用范围，分子间的引力将两铅柱结合在一起，故 C 正确。
12.【做功与热传递改变内能方式辨析】
【答案】C
【解析】
钻木取火是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；A 项热水袋、B 项热汤、D 项阳光照射均为热传递改变内能；C 项双手摩擦生热是通过做功改变内能，故 C 正确。
13.【温度、热量与内能逻辑辨析】
【答案】B
【解析】
A 项热传递方向由温度差决定，从高温流向低温，A 错误；B 项温度升高分子热运动加剧，内能必然增加，B 正确；C 项水结冰持续放热，内能减小，C 错误；D 项晶体熔化吸收热量温度不变，D 错误。
14.【压缩点火与做功内能转化】
【答案】做功
【解析】
打气时活塞下压压缩筒内空气，对空气做功，机械能转化为内能，筒内空气内能增加、温度升高，热量传导到筒壁。
专题五：比热容与热量计算（物质吸放热特性、海陆气候调节与高新热管理）
15.【比热容物理意义辨析】
【答案】C
【解析】
比热容是物质本身的固有属性，与质量、吸放热、温度变化无关（A、B 错误）；水和冰虽然成分相同但状态不同，比热容不同（，），C 正确；由 知比热容小的物质升温更多，D 错误。
16.【纯电动汽车电池水冷循环散热系统】
【解析】
冷却液吸收的热量为：
。
17.【金属工件热平衡计算】
【解析】
高温铝块放出的热量为：
；
冷水吸收的热量为：
。
由热平衡方程 可得：
。
化简得：，即 。
解得最终平衡温度为：
。
专题六：内燃机冲程与热机效率（工作循环规律、混动专用发动机超高热效率综合计算）
18.【四冲程内燃机工作循环判定】
【答案】（1）c；a　（2）；
【解析】
（1）图中 c 冲程火花塞点火、高温高压气体膨胀做功推动活塞下行，内能转化为机械能；a 冲程进气门打开，依靠飞轮惯性吸气。
（2）转速 。飞轮转动 2 转完成 1 个工作循环（4 个冲程，做功 1 次），故每秒完成 个冲程，对外做功 15 次。
19.【长征系列火箭液氢燃料优势】
【答案】热值；
【解析】
液氢的热值高达 ，在携带相同质量燃料时能释放出最多的化学内能；固体或液体燃料完全燃烧释放热量公式为 。
20.【国产插电混动轿车高速巡航综合能效计算】
【解析】
（1）轿车匀速行驶牵引力等于阻力 。牵引力所做的有用功为：
。
（2）汽油完全燃烧释放的总热量为：
。
消耗汽油的质量为：
。
21.【商用高能天然气热水炉效率评估】
【解析】
（1）天然气完全燃烧放出的总热量为：
。
（2）水吸收的有用热量为：
。
（3）锅炉的供热热效率为：
。
22.【太阳能与电热综合供水系统全流程计算】
【解析】
（1）满箱水的体积 。水的质量为：
。
（2）晴天时水吸收的热量为：
。
水温升高的度数为：
。
（3）电加热管消耗的总电能为：
。
加热所需工作时间为：
。
23.【氢燃料电池城市客车动力总成综合计算】
【解析】
（1）客车所做的有用机械功为：
。
（2） 氢气完全反应释放的总能量为：
。
（3）综合能量转化效率为：
。
24.【热管技术超导散热与相变潜热】
【答案】汽化（或蒸发）；液化
【解析】
蒸发端液体受热汽化吸收大量潜热变为蒸气，冷凝端蒸气遇冷液化释放热量，实现高导热效能。
25.【能量守恒与自然过程的方向性】
【答案】C
【解析】
能量守恒定律是自然界普遍适用的基本规律，但能量的转移与转化具有方向性，散失的内能无法自发聚集重新转化为机械能，第二类永动机不可能造成，故 C 正确。
26.【综合压轴：水力发电与机械-电-热全链条能量守恒】
【答案】在水流冲击水轮机、发电机转动、高压输电线传输以及电动机运转过程中，由于机械摩擦阻力、水流粘滞阻力及导线电阻发热，有一部分机械能和电能不可逆地转化为了内能散失到周围环境中
【解析】
在整个能量流动链条中，总输入水流势能等于最终输出机械功加上沿途各环节摩擦生热和电阻耗电产生的内能总和，能量总量守恒，但由于内能耗散，有效机械输出必小于总势能。

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