第3讲内能的利用2021-2022学年九年级物理全一册课程精炼（人教版）（原卷版）

第3讲内能的利用【知识要点】一、热机1.热机：利用的机械叫热机。热机的种类：分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。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。内燃机的工作原理eq\x(\a\al(燃料的,化学能))燃烧eq\x(\a\al(工作物质,的内能))推动活塞或飞轮eq\x(机械能)比较柴油机汽油机燃料柴油汽油点火方式喷油嘴喷油，压燃火花塞点火，点燃一个工作循环吸气冲程只吸入空气吸入汽油和空气的混合物压缩冲程压缩程度较大机械能→内能压缩程度较小机械能→内能做功冲程压燃式（柴油遇到高温高压的热空气而燃烧）点燃式（火花塞点火）（内能→机械能）排气冲程排出废气排出废气主要特点笨重、效率高轻巧、但效率低效率30%45%20%30%适用范围载重汽车、火车等小汽车等相同点①都是燃料在汽缸中燃烧；②汽油机的火花塞与柴油机的喷油嘴的工作时刻都是压缩冲程结束时；③都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，曲轴转两周，对外做功一次；③排气冲程排出废气的过程相同；④启动时都是靠外力先使曲轴转动起来二、热机效率3．热值（q）：1kg某种燃料完全燃烧放出的，叫热值；热值单位是：。（1）燃料燃烧放出热量：Q放＝qm；（Q放是燃料放出的热量，单位是J；q是热值，单位是J/kg；m是质量，单位是kg。）对于热值的概念，要注重理解三个关键词：“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。①1kg是指燃料的质量，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不等于热值的数值；②某种燃料是指热值与燃料的种类有关；③完全燃烧意思是燃料要完全烧尽，否则1kg燃料燃烧过程中，化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。（2）热值表示燃料在完全燃烧时把化学能转化为内能的本领大小，是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关．4.热机的效率：用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量，叫热机的效率。热机的效率是热机性能的一个重要指标。公式：5.在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。注意：热机能量的损失：①燃料未完全燃烧（完全燃烧条件：充足空气，研磨成细颗粒）；②废气排出带走能量（废气的利用）；③克服磨擦，消耗能量（使用润滑剂，减小摩擦）。三、能量转化与守恒6.能量守恒定律：能量既不会，也不会，它只会从一种形式转化为另一种，或者从一个物体转移到另一个，而在转化和转移过程中，能量的总量。【典型例题】一、热机1．如图为汽油机某一冲程示意图，下列选项中与其能量转化过程相似的是（）A．用手反复弯折铁丝 B．用热水壶烧水C．压缩空气棉花燃烧 D．开水瓶的瓶塞被水蒸气弹出2．如图所示是四冲程汽油机的剖面图，关于其四个冲程的描述正确的是A．吸气冲程中，汽油和空气的混合物进入汽缸B．压缩冲程中，通过做功的方式使汽缸内气体的内能减小C．做功冲程中，燃料释放的能量绝大部分转化为机械能D．排气冲程中，废气带走了燃料释放的能量的极少部分3．柴油机和汽油机在一个工作循环中的四个冲程完全相同的冲程是（）A．吸气、压缩 B．压缩、排气C．吸气、压缩、排气 D．排气4．关于四冲程汽油发动机内部工作描述正确的是（）A．吸气冲程时，吸入的是空气B．通过喷油嘴压燃点火，在压缩冲程时，将机械能转化为内能，C．做功冲程时，若每次对外做功1000J，则2400r/min的发动机的额定功率为20kWD．排气冲程时，排出的废气已经没有内能了全转化为机械能了5．某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30cm2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×l05Pa，飞轮lmin转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），下列说法中正确的是A．汽油机每秒内完成30个冲程B．汽油机的功率为2025WC．做功冲程中燃气对活塞的平均压力为2.7×l07ND．一个做功冲程中燃气对活塞做的功为1.35×l05J6．小明家的汽车发动机为四缸汽油机．该发动机在工作时气缸内的燃气的平均气压为1×106Pa，汽缸的横截面积为50cm2，活塞的行程长10cm，转速3600r/min．则该发动机的功率为（）A．15kW B．30kW C．60kW D．75kW7．关于在四冲程的柴油发动机内部工作描述正确的是（）A．吸气冲程时，吸入的是柴油和空气的混合物B．压缩冲程时，将机械能转换为内能，点燃方式采用压燃式C．做功冲程时，若1000J/次对外做功，则2400r/min的发动机的额定功率为20kWD．排气冲程时，将废气的内能转化为排气门的机械能8．如图所示为汽油机的四个冲程，其中机械能转化为内能的冲程是图___________。1min内汽油机完成2400个工作循环，飞轮的转速为___________r/s。汽油机完成一个工作循环时，需要吸入2L的燃料，其质量为___________kg，这些燃料完全燃烧放出的热量为___________J。（ρ燃料=1.4kg/m3，q燃料=4.6×107J/kg）二、热机效率9．甲、乙两台汽油机，甲的热机效率比乙高，则下列说法中正确的是（）A．做同样多的有用功，甲用的时间少B．做同样多的有用功，甲消耗的汽油少C．在相同时间内，乙消耗的汽油多D．消耗同样多的汽油，甲做的有用功比乙少10．小丽为了测试汽车发动机的效率，开车以60km/h的平均速度行驶了120km，用去汽油25L，已知汽油的密度为0.7×103kg/m3，热值为4.6×107J/kg，发动机的功率为32.2kW，则该汽车发动机的效率为A．23.6% B．28.8% C．36.5% D．38%11．有甲、乙两台柴油机，在相同的时间内，它们所做的有用功之比是5：4，消耗柴油的质量之比是3：2，那么它们的效率之比是A．15：8B．5：6C．6：5D．1：112．小周驾驶一辆额定功率为21千瓦、效率为30%的汽车在一段平直的公路上匀速行驶，在额定功率下行驶30min至少需要________L汽油（汽油的热值为3.5×107J/L）；若该汽车受到的阻力为1.05×103N，则汽车行驶的速度为________km/h。13．有甲、乙两台汽油机，若在同一时间内甲做的有用功是乙做的有用功的2倍，甲的效率是25%，乙的效率是20%，则在同样时间内，甲、乙两汽油机消耗的汽油之比为()A．5︰2B．8︰5C．5︰8D．2︰514．下列关于热值和热机效率的描述，正确的是()A．使燃料燃烧更充分，可以增大热值B．使燃料燃烧更充分，可以提高热机效率C．燃料燃烧释放的热量越大，热值越大D．热值和热机效率都是定值，与外界条件无关15．现有两个使用同一种燃料的加热器，用它们分别对甲、乙两种不同的物质加热。已知甲物质的比热是乙物质的2倍，甲物质的质量是乙物质的，当甲物质升高的温度是乙物质的时（甲、乙物质的物态都不发生改变），加热甲物质所用燃料是加热乙物质的，则两加热器利用热能的效率之比是（）A．1：1 B．1：2 C．3：2 D．2：116．随着科技的发展和人们生活水平的提高，小汽车成为了人们日常出行的主要交通工具之一。一辆小汽车在平直公路上匀速行驶10km，用时400s，消耗了汽油1.5kg，已知小汽车行驶过程中受到的阻力为1800N，则小汽车发动机的效率是。（）17．两台四冲程汽油机在相同时间内，甲做的有用功是乙的3倍，甲机的热机效率是20%，乙机的热机效率是25%，则甲、乙两机消耗的汽油质量之比是________．18．某台以汽油为燃料的汽车，发动机内有四个汽缸，其相关数据如下表所示：1min内完成的工作循环2600次92#汽油汽缸内汽油和空气的混合密度1.35kg/m3排气量1.8L热值4.6×107（J/kg）发动机最大功率75kW空燃比14:1(1)汽车发动机工作时通常用水来冷却，原因是水的______较大。(2)汽车的排气量是指发动机汽缸的工作容积，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。当发动机1min内完成的工作循环为2600次时，发动机达到最大功率，则根据表中数据求出汽车发动机的效率是______。（计算结果保留一位小数）19．混合动力汽车具有节能、低排放等优点，成为汽车研究与开发领域的重点，某新型混合动力汽车启动时，内燃机不工作，蓄电池向车轮输送能量，当需要高速行驶或蓄电池电能过低时，内燃机启动，既可以向车轮输送能量，又可以给蓄电池充电，车速与所受阻力的关系如图所示。在某次测试中，蓄电池存满电能7.6×108J，启动时，消耗了20%电能输送给车轮，当汽车速度达到50km/h时，由内燃机提供能量接下来汽车匀速行驶20km，共消耗燃料14kg，蓄电池充满。已知内燃机效率为40%。（忽略蓄电池和电动机的热损失，q燃料=4.5×107J/kg）求：（1）汽车受到的阻力f；（2）匀速行驶时，汽车牵引力所做的功；（3）内燃机给车轮供能的效率。20．如图所示，某家庭轿车的发动机为4缸四冲程汽油机，其中一个汽缸的相关参数如右图所示（剖面图）．汽缸活塞面的直径为d（cm），连杆长度为l（cm），曲轴的中心与连杆连接点之间的距离为r（cm）．满负荷工作时，做功冲程燃气的平均压强为p（Pa），飞轮转速为3600r/min．当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），经历时间t（s）消耗的汽油质量为m（g），设汽油的热值为q（J/kg）．求汽油机的效率．（若有运算过程中题目未知但需要用到的物理量请预先设定）21．我国自主研发的某品牌汽车进行技术测试，已知该车在某段长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400N，汽车在此过程中发动机热机效率为48%，汽油的热值q=4.6×107J/kg。在该段测试过程中：（1）汽车做的有用功是多少？（2）汽车的功率为多少？（3）汽油完全燃烧放出的热量？（4）燃烧了多少汽油？（计算结果保留两位小数）22．如图所示，某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30cm2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50cm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强是9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作（不计摩擦），汽油的热值为4.6×107J/kg，求：（1）汽油机每完成一次做功冲程，燃气对活塞做的功；（2）汽油机的平均功率；（3）若此汽油机的效率为30%，求一分钟耗油量。一单缸四冲程汽油机，飞轮的转速为600r/min，做功冲程中燃气对活塞的平均压强为5×Pa(设压强在此冲程中保持不变)，活塞行程为0.2m，活塞的横截面积为100，求汽油机的做功功率。24．天然气灶使用方便、经济环保．在标准大气压下，天然气灶将一壶质量为3kg、温度为20℃的水加热至沸腾，大约需要10min，此时灶具释放燃气的速率为8×10﹣5m3/s．己知：水的比热容为4.2×103J/（kg·℃），天然气的热值为3.5×107J/m3．求：(1)水吸收的热量(2)烧开这壶水需要天然气的量(3)天然气完全燃烧放出的热量被水吸收的效率．三、能量的转化和守恒25．如图是皮球落地后弹跳过程中，每隔相等时间曝光一次所拍摄的照片。A、B是同一高度的两点，则A点的重力势能______B点的重力势能（选填“大于”“小于”或“等于”）；A点的动能______B点的动能（选填“大于”“小于”或“等于”），此过程中，各种形式的能量的总量______（选填“增大”“减小”或“不变”）。26．某实验小组用图所示的装置粗略测量蜡的热值q，图中A桶内装有水，B为下部开了许多通气孔的罩子(1)要完成本实验，还需要的测量工具是天平、砝码和______；(2)罩子B的主要作用是______；(3)实验收集的数据为：A桶中水的质量为m水，水的初温为t1，末温为t2，蜡烛燃烧前的质量为m1，燃烧后的质量为m2。则蜡的热值q=______（水的比热容为c水）；(4)实验测出的热值会比真实值偏小，造成这一偏差的原因可能是______（至少有一个选项正确，将正确选项的字母填在横线上）。A．蜡烛没有完全燃烧B．桶A中水的质量太多C．桶A吸收了部分热量D．蜡烛燃烧放出的热量一部分散失到空气中经测算，太阳正射到地球上时，1m2面积上接受太阳热量的功率为1kW。有一台太阳能热水器，其收集太阳热量的集热板面积为3×8.0m2，当太阳能转化为水的内能时转化效率为80%，热量损失正比于热水器内水温与室温的差。假设此热水器的进水温度与室温均为25℃，当热水器出水口关闭时，经长时间照射，热水器内水温为85℃，则当热水器以每分钟6L的流量出水时，其稳定的出水温度为多少？28．邵阳市望云山开发风力发电基地，预计到2025年全部投入生产，如果该风力发电基地全部建成的话，风电装机总容量可达1万千瓦。风力发电——即是风轮机叶片不断受到风力的推动而转动，利用风的动能转化成电能。若风力发电机，每片风叶的质量为6t，长为40m。下表给出了1kg空气在不同风速下速度（ν）与动能（E）的关系（空气密度取1.2kg/m3，圆周率π=3.0）：动能E（J）28183250风速v（m/s）246810(1)如果一台这样的风力发电机平均每秒可以输出1.8×105J的电能，则50台这样的风力发电机，一年获得的电能相当于完全燃烧多少千克煤所产生的能量？（一年工作时间按3000h计算，煤的热值为3.0×107J/kg）(2)当风速为10m/s时，若风力发电机风轮正面迎风，这台发电机每秒钟能对外提供2.88×105J的电能，则它将风能转化为电能的效率是多少？【巩固练习】29．下列关于能源和能量说法中正确的是A．汽车散失的热量不能收集起来再次开动汽车，说明能量的转化或转移具有方向性B．核电站是利用核裂变释放的能量发电，核能是可再生的一次能源C．加油机给受油机加油的过程中一起水平匀速飞行，受油机的动能不变D．小孩从滑梯上滑下，感觉臀部很热，他的动能增大，重力势能减少，机械能不变30．下列关于四冲程内燃机的说法中正确的是（）A．热机效率越高，所做的有用功就越多B．汽油机在吸气冲程中吸入汽缸的是空气C．汽车在行驶时，内燃机把油料中的化学能全部转化成有用的机械能D．一单缸四冲程汽油机的飞轮转速为3000r/min，则1s内该汽油机活塞做功25次31．小郭同学想要比较甲物质与水的吸热本领，于是选用了两套完全相同的酒精灯给质量同为200g的物质甲和水加热，它们的温度随时间的变化关系如图所示，已知酒精的热值q=3.0×107J/kg，加热时，酒精灯平均每分钟消耗0.28g酒精。已知水的比热容c水=4.2×103J/(kg℃)，则下列说法正确的是（）A．实验开始时，必须控制甲和水的初温相等B．前10min，甲吸收的热量为2.52×103JC．酒精灯的加热效率为30%D．甲与水的比热容之比为2：132．某品牌无人驾驶汽车在一段平直公路上匀速行驶6.9km，用时5min45s，消耗燃油1.5kg，已知汽车的牵引力是2000N，燃油的热值为，假设燃油完全燃烧。通过计算可知，下列结果正确的是（）A．消耗的燃油完全燃烧放出的热量是B．汽车行驶速度是C．汽车牵引力做功的功率是30kWD．汽车发动机的效率是33．有一种“涡轮增压”（T型）轿车，通过给发动机更足量的空气使汽油更充分地燃烧，比普通轿车（L型）更节能，排气更清洁。同样的汽油加在T型轿车内与加在L型轿车内相比热值________（选填“更大”、“一样大”或“更小”）；为防止发动机温度过高，用水进行冷却，这是利用水的______较大；若散热器中装有8kg的水，水温升高50℃，水吸收的热量是_________J；若汽油机曲轴的转速为3000r/min，汽油机每秒内对外做功______次。[c水=4.2×103J/(kg⋅℃)]34．如图所示，某单缸四冲程汽油机工作状态如图所示，此时的能量转化是__________；若飞轮的转速为，该汽油机每秒共经历了______________个冲程；汽油机工作时利用水循环将热量从高温的发动机自发转移到低温的水，这一现象说明_____________。35．热机一个工作循环有四个冲程，请你判断图中表示的是其中的______冲程；小明通过上网查阅得知某款轿车发动机输出功率与转速的关系如图乙所示：小明又通过父亲了解到，当车速是100km/h时，发动机转速是2000r/min。平均油耗为9L/100km。分析上述信息可知∶当这辆汽车以100km/h匀速行驶时，1小时发动机所做的有用功为______，此时发动机的效率约为______。（已知汽油的热值为4.6×107J/kg；密度为0.8×103kg/m3）

36．某单缸四冲程汽油机在1s内完成了10个工作循环，则该汽油机工作时，飞轮的转速为______r/min｡此汽油机在一个工作循环中消耗了6g汽油（汽油的热值为4.6×107J/kg），已知这台汽油机的效率为30%，则它在一个工作循环中输出的有用机械能为______J，该汽油机的输出功率为______W。37．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和品质。某台以92号汽油为燃料的汽车，其发动机的相关数据如下表所示，表中空燃比指汽缸内空气和燃油的质量比。1min内完成的工作循环数2400个汽缸内汽油和空气混合气体的密度汽缸的工作容机2L汽油的热值发动机最大功率73.6kW空燃比13:1(1)如图所示，内燃机一个工作循环包括四个冲程，四个冲程的顺序是乙____________丙；______冲程内燃气给汽车提供动力，其它三个冲程靠______完成。(2)当发动机的功率最大时，汽车的速度为120km/h，汽车保持最大功率行驶1min内做的有用功是多少？（________）(3)汽车完成一个工作循环时，气缸内汽油和空气混合气体的质量是______kg，当汽车保持发动机最大功率匀速驶时，发动机的效率是______。38．阅读文，回答文后问题。航速优化化石燃料的广泛应用加快了人类文明的进程，但同时也污染了环境.因为大量燃烧化石燃料使大气中CO2浓度增加，引起温室效应而导致全球变暖。人们意识到环境保护的重要性，开始从各个方面着手减少碳排放．船舶航行大多使用柴油发动机，航行时受到的阻力通常和航行速度的平方成正比。降低航速可以大大减小航行阻力，发动机对推进设备做功的功率即推进功率就会大大减小，从而减少燃油消耗。但航速不是越小越好，因为船舶航行过程中除了推进设备，还有其他辅助设备工作，需要发动机做功