2024年中考物理经典培优模型练：机械能与化学能的转化模型

专题06机械能与化学能的转化模型

1.“运20”是我国自主研发的大型运输机，它的发动机是一种热机，通过航空煤油在气

室中燃烧，从喷口向后高速喷出气体，使发动机获得向前的推力，若“运20”在高空中飞

行时，在恒定的水平推力尸作用下，以200ni/s的速度沿水平方向匀速航行lh,需要燃

烧航空煤油4800kg,已知飞机发动机提供的机械功率是3.2xl07W,航空煤油的热值为

^=4.0xl07J/kg.则在这lh内：

(1)航空煤油完全燃烧放出的热量是多少？

(2)该发动机的热机效率是多大？

【答案】(1)1.92xlOHJ；(2)60%

【详解】

解(1)由题干已知消耗航空煤油的质量为4800kg,航空煤油的热值为4.0xl07j/kg,则航

空煤油完全燃烧放出的热量是为

Q放=mq=4800kgx4.0xl07J/kg=1.92xlOnJ

(2)飞机发动机所做的有用功为

FF=P?=3.2xl07Wxlx3600s=l.l52xlOnJ

该发动机的热机效率为

W1.152xlO"J

〃=——=-----------—=60%

0放1.92X10UJ

答：(1)航空煤油完全燃烧放出的热量是1.92X10UJ；

(2)该发动机的热机效率是60%。

2.随着重视环境，新能源车开始普及。某品牌纯电动汽车续航里程约为500km,电池

容量为70kW・h。普通家用充电桩充电功率为7kW。另一品牌燃油车油箱容积为80L,

匀速行驶时能提供的牵引力大约是2000N,加满一箱汽油大约能匀速行驶400km.

(1)若使用普通家用充电桩，给上述纯电动汽车充满一次电需要多长时间？

(2)上述燃油车加满一箱油，油的质量是多少？(汽油密度取0.7xl03kg/m3)

(3)上述燃油车一箱汽油完全燃烧能释放多少热量？(汽油的热值取4.5x1071/1%)

(4)上述燃油车的热机效率大约是多少？(小数点后保留1位小数)

【答案】(1)10h；(2)56kg；⑶2.52X109J;(4)31.7%

【详解】

解：(1)根据P=/可得，使用普通家用充电桩，给上述纯电动汽车充满一次电需要

的时间

W70kW-h,

t=——=----------=10h

P7kW

⑵燃油车加满一箱油，油的质量是

加油=。油厂=0,7x103kg/m3x80xl0-3m3=56kg

(3)油车一箱汽油完全燃烧能释放的热量

Q=q油加油=4.5x107J/kgx56kg=2.52xl09J

(4)燃油车烧完一箱油做的有用功

^=^=2000Nx400xl000m=8xl08J

燃油车的热机效率大约是

W8X108J、，皿

n=——=-----------=31.7%

Q2.52X109J

答：(1)使用普通家用充电桩，给纯电汽车充满一次电需要10h；

(2)上述燃油车加满一箱油，油的质量是56kg；

(3)上述燃油车一箱汽油完全燃烧能释放的热量为2.52xlO9J；

(4)上述燃油车的热机效率大约是31.7%。

3.新能源汽车取代传统燃油汽车已是发展趋势。某品牌纯电汽车续航里程约为500km,

电池容量为76kW-h.普通家用充电桩充电功率为8kW。同类型号的燃油车油箱容积为

60L,匀速行驶时能提供的牵引力大约是500N,加满一箱汽油能匀速行驶800km0(汽

油密度取0.7x1o3kg/m3,汽油的热值为4.5xlO7J/kg)

(1)若使用普通家用充电桩，给上述纯电汽车充满一次电需要多长时间?

(2)上述燃油车的热机效率大约是多少?

(3)计算两种汽车的百公里能耗，并说明能耗不同的主要原因.

【答案】(1)9.5h；(2)21.2%；(3)纯电汽车百公里能耗5.472xl()7j、燃油车百公里能

耗2.3625xl08j,电动汽车的效率高于燃油汽车

解：(1)纯电汽车充满一次电需要的时间为

W76kW-hcu,

t=——=----------=9.5h

P8kW

(2)燃油车加满一箱油的质量

m=p々0.7x103kg/m3x60xl0-3m3=42kg

一箱汽油完全燃烧释放的热量

QL=42kgx4.5x107J/kg=1.89xlO9J

消耗一箱汽油燃油车做的功

眸Fs=500Nx800x103m=4x108J

燃油车的热机效率

〃上=**21.2%

Q放1.89xlO9J

(3)纯电汽车百公里能耗

76kW，h=15.2kW-h=5.472xl07J

5

燃油车百公里能耗

=4=1.89x10J=2.3625x1)J

88

能耗不同的主要原因是电动汽车的效率高于燃油汽车。

答：(1)若使用普通家用充电桩，给上述纯电汽车充满一次电需要9.5h；

(2)上述燃油车的热机效率大约是21.2%；

(3)纯电汽车百公里能耗5.472X107J、燃油车百公里能耗2.3625x108，电动汽车的效率

高于燃油汽车。

4.如图所示为某种型号的多功能洒水车，它空载时的质量为3t,配备了一个内深为1m

的大容量水箱，底部有一个面积为0.003m2的放水孔。若多功能洒水车在水平地面上匀

速行驶时受到的阻力恒为总重的0.08倍，某次该车满载(装满)后由静止开始在水平面

上启动，在启动(加速)过程中，发动机消耗100g柴油-测得汽车牵引力的功率及其瞬

时速度随时间的变化情况分别如图甲和图乙所示。已知g=10N/kg,p^=l.OxlO3kg/m3,q

^=4.0xl07J/kg,燃油完全燃烧。求：

(1)该洒水车满载时，若用质量不计的小钢片从外部堵住放水孔，则需对小钢片施加的

外力至少是多少N?

(2)该洒水车在启动(加速)过程中热机效率是多少？

(3)该洒水车水箱的容积是多少nP?

P/kW

120

0t/s

图甲

【答案】(1)30N；(2)45%；(3)7m3

【详解】

解：(1)水对小孔的压强为

p-p水gh=1.0xl03kg/m3x1ON/kgxlm=104Pa

若用质量不计的小钢片从外部堵住放水孔，则需对小钢片施加的外力至少是

//=^5=104Pax0.003m2=30N

(2)该洒水车在启动(加速)过程中所做的有用功为

^=P?=120X103WX15S=1.8X106J

柴油燃烧放出的热量为

。总=用柴油q柴油=100xl0-3kgx4.0xl07J/kg=4X106J

该洒水车在启动(加速)过程中热机效率是

及里xl00%=1.8X106J

n=x100%=45%

。总4X106J

(3)多功能洒水车在水平地面上匀速行驶时受到的阻力等于牵引力，则阻力为

P120X103W

=8x103N

v15m/s

则满载时的总重力为

8X103N

G=^—105N

0.080.08

满载时的总质量为

G105N

冽总==104kg

g10N/kg

则水的质量为

用水=m&-m车=104kg-3xl03kg=7xlO3kg

水的体积等于水箱的容积，则水箱的容积为

答：(1)该洒水车满载时，若用质量不计的小钢片从外部堵住放水孔，则需对小钢片施

加的外力至少是30N；

(2)该洒水车在启动(加速)过程中热机效率是45%；

(3)该洒水车水箱的容积是7m3。

5.如图所示是利用5G网络实现远程驾驶的汽车，其质量为1.5t,车轮与地面接触的总

面积为750cm2,该车在水平路面上匀速直线行驶13.8km,用时lOmin,消耗汽油2kg,

这一过程中汽车发动机的输出功率为46kW,求：(汽油热值为q汽=4.6xl07j/kg,g取

10N/kg)

(1)汽车在该路段的速度；

(2)汽车静止在水平地面上时，对地面的压强;

(3)在这一过程中汽车受到的阻力；

(4)在这一过程中汽车发动机的效率。

【答案】(1)23m/s；(2)2xlO5Pa；(3)2000N；(4)30%

【详解】

解：(1)汽车在该路段的速度为

s13.8km1.38xl04m”，

v=—=---------=---------------=23mzs

t1Omin600s

(2)汽车静止在水平地面上时，对地面的压力为

F=G=mg=1.5xlO3kgxlON/kg=1.5xlO4N

则对地面的压强为

FISxlO'N

p=—=2xlO5Pa

S750xlO^m2

(3)汽车匀速行驶时受到的牵引力为

46kW4.6xl()4w

=2000N

V23m/s23m/s

汽车在水平公路上匀速直线行驶时受到的阻力和牵引力是一对平衡力，大小相等，所以,

在这一过程中汽车受到的阻力为2000N。

(4)牵引力做的有用功为

吟用=Ps=2000Nx1.38x10%=2.76xl(fJ

汽油完全燃烧放出的热量为

。放=m汽q汽=2kgx4.6xl07J/kg=9.2xIO8J

在这一过程中汽车发动机的效率为

x100%=2,76*1?」x100%=30%

0放9.2xlO8J

答：(1)汽车在该路段的速度为23m/s；

(2)汽车静止在水平地面上时，对地面的压强为2xlO5pa；

(3)在这一过程中汽车受到的阻力为2000N；

(4)在这一过程中汽车发动机的效率为30%.

6.如图所示是庆祝中华人民共和国成立70周年的阅兵式，我国自主研发的具有世界先

进水平的99A式主战坦克通过天安门广场接受检阅时的画面。已知一辆99A式坦克的

质量为52t,其静止在地面上时履带与地面的接触面积为4m2。若坦克以5m/s的速度匀

速在天安门广场上通过500m的距离时，坦克发动机的功率为lOOOkW。(柴油的热值q

取4xl07j/kg,g取10N/kg,发动机的效率为40%)求：

(1)坦克静止时对水平地面上的压强？

(2)坦克受到的阻力是多少？

(3)坦克消耗柴油的质量是多少？

【答案】(1)1.3xlO5Pa；(2)2xlO5N；(3)6.25kg

【详解】

解：(1)坦克静止时对水平地面上的压力

F=G=mg=52x103kgxlON/kg=5.2xlO5N

坦克静止时对水平地面上的压强

F=52xl0^=13xl()5pa

S4m2

(2)若坦克以5m/s的速度匀速在天安门广场上通过500m的距离时，坦克发动机的功率

为lOOOkW,根据

P=L更3

tt

所以，坦克的牵引力

F，=PJ000X103W=2X105N

v5m/s

由于坦克匀速直线行驶时处于平衡状态，受到的阻力和牵引力是一对平衡力，所以，坦

克受到的阻力

/=F=2xlO5N

(3)坦克牵引力做的功

^=F5=2xl05Nx500m=lxlO8J

由〃=M知道，所消耗的柴油完全燃烧释放的热量

匕=包=2,5、1。咛

〃40%

由0/=〃应知道，坦克消耗柴油的质量

口二组二叁£二6.25kg

,油q柴油4xlO7J/kg6

答：(1)坦克静止时对水平地面上的压强为1.3xlO5Pa；

(2)坦克受到的阻力是2X105N；

(3)坦克消耗柴油的质量是6.25kg。

7.我国自主研发的某品牌汽车进行技术测试，已知汽车的总质量为2t,该车在某段长

1.2km的水平路面做匀速直线运动，用时40s,汽车在行驶过程中受到的阻力为车重的

0.2倍，汽车在此过程中消耗的汽油产生了lxl()7j热量。恁取i0N/kg)

求在该段测试过程中:

⑴汽车的行驶速度;

⑵汽车受到的重力;

(3)汽车的牵引力做的功;

汽车发动机的热机效率。

【答案】(1)30m/s；(2)20000N；(3)4.8xlO6J；(4)48%

【详解】

解：(1)已知该汽车运动时间为Q40s,行驶距离为

s=1.2km=1200m

因此，汽车的行驶速度

v=-=1200m=30m/s

40s

(2)汽车受到的重力为

G=mg=2000kgx10N/kg=20000N

(3)因汽车匀速行驶时处于平衡状态，受到的牵引力尸和阻力/是一对平衡力，则牵引

力为

F=/^0.2G=0.2x20000N=4000N

则此过程中汽车牵引力做的功

^ft=4000Nx1200m=4.8xl06J

(4)汽油燃烧的热量为。=lxi()7j,牵引力做功为g4.8*106j,则发动机的效率为

W48x1O6T

/；=—xlOO%=-———xl00%=48%

QlxlO7J

答：(1)汽车的行驶速度为30m/s；

(2)汽车受到的重力为20000N；

(3)汽车的牵引力做的功为4.8xl06j；

(4)汽车发动机的热机效率为48%。

8.一台推土机的推力为4.3X104N,匀速推着土总行程达800m,共消耗2kg柴油，求

该推土机装的柴油机的热机效率。柴油热值(4.3xl()7j/kg),求：

(1)推土机做的有用功；

(2)柴油完全燃烧放出的热量；

(3)柴油机效率。

【答案】(1)3.44X107J;(2)8.6X107J;(3)40%

【详解】

解：(1)推土机做的有用功

=F5=4.3xl04Nx800m=3.44xl07J

(2)柴油完全燃烧放出的热量

77

。放=mq=2kgx4.3xl0J/kg=8.6xlOJ

(3)柴油机的效率

W344X107J

〃=——xl00%=------x100%=40%

7

Q放8.6xlOJ

答：⑴推土机做的有用功是3.44x1是J；

(2)柴油完全燃烧放出的热量是8.6xl07j；

(3)柴油机效率是40%。

9.氢气动力汽车环保、高效，一辆氢气动力试验汽车的总质量为1.5xl()3kg,2min内

汽车在水平路面上匀速行驶了2.4x10、，消耗了30g的氢气此过程汽车发动机产生的牵

引力为1.0x及N。(氢气的热值取1.4xlO8J/kg,水的比热容为4.2x1j/(kg，C),g取(1ON/kg)

求：

(1)30g氢气完全燃烧放出的热量可以使100kg的水升高多少

(2)汽车牵引力做功的功率；

(3)汽车发动机的效率。

【答案】(1)10°C;(2)2X104W;(3)57.1%

【详解】

解：(1)30g氢气完全燃烧释放的热量

0放=mq=0.03kgxl.4xlO8J/kg=4.2xlO6J

水吸收的热量为

6

e«=ett=4.2xioj

由。吸=c〃?ZV得，升高的温度为

.=旦=—"T______曰。(

c水”水4.2x103J/(kg-℃)x100kg

(2)牵引力做的功

少=4=1.0xICPNx2.4x103m=2.4xIO。j

牵引力的功率

P=—=2,4X106J=2x104W

t2x60s

(3)汽车发动机的效率

w24X106J

r)=——xl00%=-----100%=57.1%

0放4.2X106J

答：(1)30g氢气完全燃烧放出的热量可以使100kg的水升高10℃;

(2)汽车牵引力做功的功率为2xlO，W；

(3)汽车发动机的效率为57.1%。

10.中国首次火星探索任务“天问一号”探测器的成功发射，是我国综合国力和创新能力

提升的重要标志，如图所示是某火箭发射时的场景，目前运载火箭一般使用液体氢作为

燃料，液态氧作为助燃剂，氢的热值为L4xl08j/kg。

(1)某火箭发射时携带6x104kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧最多能将多少千克初温

为20℃的水加热至沸腾？[c^=4.2x103J/(kg-℃),当地大气压为1标准大气压】

(2)氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在气缸中燃烧，某次测试中，一辆氢

能源车以70kW的功率匀速行驶20min,消耗了2kg燃料，求该发动机的效率。

【答案】(1)2.5xl07kg；(2)30%

【详解】

解：⑴氢的热值q=1.4xI08j/kg,质量切=6、104kg,完全燃烧释放的热量为

Q=qmi=\A^108J/kgx6x104kg=8.4xl012J

初温为20℃的水加热至沸腾温度的变化量为

Az=100℃-20℃=80℃

由Q=cmNt可知能够加热的水的质量为

8.4xlO12J

Q=2.5xl07kg

3

C水4.2X10J/(kg-℃)x80℃

(2)汽车行进时功率

P=70kW=7xl04W

用的时间

Z=20min=1200s

则汽车做的有用功

W产尸7x104wx1200S=8.4X107J

消耗燃料的质量“2=2kg可知工作过程总功为

Q=4加2=1.4x108J/kgx2kg=2.8xl08J

可知发动机效率

8.4x107J

=30%

8

Q2~2.8xlOJ

答：(1)可将2.5x107kg的水加热至沸腾;

(2)发动机的机械效率为30%。

11.在山区一般喜欢买大排量的车子，为了节能减排，我们内地一般不必要买太大排量

的车。一款新型汽车以某一速度在一段平直的公路上匀速行驶一段距离，消耗了4kg汽

油，其发动机的效率为40%,则在这段运动过程中，[已知：汽油的热值为4.6x10,J/kg]

求：

(1)汽油完全燃烧放出的热量；

(2)该汽车发动机做的有用功；

(3)该车在高速路上匀速行驶时平均牵引力为1000N,则燃烧4kg汽油行驶的距离。

【答案】⑴1.84x10。；⑵7.36X107J;(3)73.6km

【详解】

解：(1)汽油完全燃烧放出的热量

°放==4kgx4.6x1O,J/kg=l.84x1()8j

W

(2)发动机的效率为40%,由〃=7/可知，该汽车发动机做的有用功为

87

%=/7gtt=40%x1.84xlOJ=7.36xlOJ

(3)由少=八可知，该车燃烧4kg汽油行驶的距离

7.36X107J