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第5讲 机械能和内能
考点1 机械能
1.一端封闭的两个完全相同的玻璃管(如图所示),甲中装水,乙中装食用油。两个完全相同的金属小球从O处静止释放,下落到P处,小球在食用油中下落的时间更长。比较两小球从O处到P处的下落情况,则小球 ( )
A.重力势能变化量不相同
B.获得的动能相同
C.在食用油中重力做功慢
D.机械能不变
2.如图是雨滴在空中下落过程中速度与时间的关系图。雨滴在t1、t2、t3三个时刻中具有的动能分别是E1、E2、E3,不考虑下落过程中雨滴的质量变化,则动能的大小关系是( )
A.E1E2>E3
C.E13.在做“探究动能大小与质量关系”的实验时,小明想:小球从相同高度滚下,若小球材质和斜面倾角不同,到达水平位置时的速度会相同吗
(1)图甲是用挡板控制大小不同的两个小球在斜面上起始位置的两种方案,小明实验时选择A方案而不能选择B方案的原因是 。
甲
(2)小明选择大钢球、小钢球、木球以及可调整倾角的斜面进行实验。分别让球从斜面同一高度由静止开始释放,利用测速仪测出球到达水平位置时的速度如表所示。
斜面倾角速度(米/秒)球的类别 10° 20° 30° 40° 50° 60°
大钢球 2.67 2.67 2.67 2.75 2.88 2.97
小钢球 2.67 2.67 2.67 2.75 2.88 2.97
木球 2.67 2.67 2.67 2.67 2.74 2.89
分析表中数据可知:要使球到达水平位置时的速度与球是钢质或木质无关,则斜面倾角不可能是 。
A.15° B.25° C.35° D.45°
(3)小明利用图乙装置做“探究动能大小与质量关系”的实验时,通过观察球撞击相同塑料软片的数目来比较球的动能大小(图中未画出固定塑料软片的装置)。老师指出此装置不适合体积不同的两个球做实验,原因是 。
乙
考点2 物质的比热容、内能与内燃机
4.将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”,把一瓶饮料放入“冰箱”后,冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示,在两物体温度达到相同之前,下列说法正确的是 ( )
A.甲是冰块 B.乙吸收热量 C.甲内能增加 D.乙内能减少
5.在如图所示的“汽油机模型”实验中,将少量的汽油喷入筒内,用软木塞塞住筒口,摇动起电机,观察到放电针放电,汽油燃烧,软木塞被高温高压的气体冲出。该实验可模拟四冲程汽油机工作时的 ( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
6.某品牌电热水壶的铭牌(部分内容)如表所示。当该电热水壶正常工作时,至少需要 s才能把质量为2.0 kg、初温为25 ℃的水加热到100 ℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
容量 2.0 L
额定电压 220 V
额定功率 1 500 W
7.十八世纪,瓦特发明的冷凝器蒸汽机,推动了人类第一次工业革命。如图为利用瓦特蒸汽机提升物体的工作示意图,蒸汽机的工作原理为:打开阀门A、关闭阀门B,高压蒸汽进入汽缸,推动活塞上行。当活塞到达汽缸顶部时,关闭阀门A、打开阀门B,蒸汽进入冷凝器,汽缸内压强减小,活塞下降。如此循环往复。
(1)蒸汽推动活塞上行过程中,能量转化是 。
(2)蒸汽机活塞上行过程与汽油机的 冲程相似。
(3)蒸汽机工作时,汽缸内部压强为1.1×106帕,若活塞面积为0.1米2,则活塞受到蒸汽的压力是多少
(4)蒸汽机活塞往复运动,通过杠杆和定滑轮对重物做功。若物体质量为200千克,活塞每次上升高度为0.6米,则活塞上升一次蒸汽机对物体做了多少有用功 假设活塞每分钟向上运动100次,该蒸汽机对物体做有用功的功率为多少 (g=10 N/kg)
A组 基础题组
1.以下有关能量转化的说法正确的是 ( )
A.氢氧化钠溶于水——内能转化为化学能
B.内燃机工作时——燃料的化学能转化为机械能
C.太阳能电池板工作时——太阳能转化成化学能
D.蓄电池充电——化学能转化成电能和内能
2.如图所示,在大口厚玻璃瓶内装入少量的水。塞紧塞子后,用气筒往瓶内打气。当塞子跳出时,看到瓶口有白雾出现。下列关于该实验的分析错误的是 ( )
A.往瓶内打气时,外界对气体做功
B.往瓶内打气时,瓶内气体内能变小
C.瓶塞跳出时,瓶内气体温度降低
D.瓶塞跳出时,水蒸气液化形成白雾
3.以下事例在改变物体内能的方式上与其他三项不同的是 ( )
A.冬天,通过搓手来取暖
B.划火柴时,火柴燃烧
C.把袋装牛奶放在热水中加热
D.铁丝反复弯折,弯折处变热
4.2019年7月19日,中国“天宫二号”目标飞行器受控坠落于南太平洋。“天宫二号”穿越大气层时,大部分被焚毁,像一颗流星划过天空。以下四个事例中,能量转化与之相同的是( )
甲:活塞迅速下压,硝化棉燃烧 乙:汽油机做功冲程 丙:水蒸气推开软木塞 丁:钻木取火
A.甲、丙 B.甲、丁 C.乙、丙 D.乙、丁
5.如图是四冲程汽油机做功冲程的示意图,汽油燃烧产生高温、高压的气体推动活塞向下运动。在活塞向下运动的过程中,有关汽缸内气体的说法正确的是 ( )
A.气体的温度升高 B.气体的内能减少
C.气体的密度增大 D.气体的压强增大
6.“蹦极”是一种富有刺激性的勇敢者的运动项目,如图所示。一根弹性橡皮绳,一端系住人的腰部,另一端系于跳台,当人下落至图中A点时,橡皮绳刚好被伸直,C点是游戏者所能达到的最低点,当人下落至图中B点时,橡皮绳对人的拉力与人受到的重力大小相等。对于游戏者离开跳台到最低点的过程中(不考虑空气阻力),下列说法正确的是 ( )
A.游戏者的动能一直在增加
B.游戏者到达B点时,游戏者的动能增加到最大值
C.游戏者到达C点时,重力势能全部转化为动能
D.游戏者从C点向B点运动的过程中,重力势能转化为动能和弹性势能
B组 提升题组
7.如图所示,在瓶里装有少量的水,盖紧瓶盖,使劲拧瓶的下部,使其严重变形,然后略松开瓶盖(对着没人的方向),瓶盖弹出数米远,观察到瓶口和瓶内有白雾产生。下列分析正确的是( )
A.用力拧瓶的下部时瓶内气体内能减少,温度升高
B.用力拧瓶的下部时瓶内气体内能增加,温度降低
C.瓶盖弹出时气体内能减小,温度降低,水蒸气液化
D.瓶盖弹出时气体内能增加,温度降低,水蒸气液化
8.低空跳伞是一种危险性极高的极限运动。一名跳伞运动员背着伞包从某高层建筑顶层跳下,且一直沿竖直方向下落,其整个运动过程的v-t图像如图所示,其中10秒末时打开了降落伞。下列说法正确的是 ( )
A.前2秒内,运动员的运动状态保持不变
B.前10秒内,运动员减少的重力势能全部转化为动能
C.10秒末~12秒末,运动员和伞受到的空气阻力大于其总重力
D.14秒末~16秒末,运动员和伞的机械能总量保持不变
9.乒乓球发球机在同一高度以相同的速度朝不同方向分别发出a、b、c三个完全一样的球(如图所示),若不计空气阻力,则下列说法中正确的是 ( )
A.三个小球到达水平桌面时速度不相同
B.三个小球在空中的运动过程中势能先增大后减小
C.三个小球在空中的运动过程中机械能不变
D.三个小球在空中的运动过程中机械能不相等
10.如图甲所示,水平桌面上放有一内壁光滑的竖直圆筒,筒底固定一根弹簧。将一小球放置在弹簧上,静止时位于A点(如图乙)。现将小球下压至B点,并用此处的装置锁定(如图丙)。解锁后,小球向上弹出筒口。下列说法正确的是 ( )
①图乙中A点处弹簧的弹力等于小球的重力
②图乙中圆筒对桌面的压力小于图丙中的压力
③图丙中小球从开始运动到脱离弹簧的过程中速度一直变大
④图丙中小球从开始运动到脱离弹簧的过程中动能先变大后变小
A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④
11.小金同学自己动手在家做实验,如图A所示取一个配有活塞的厚玻璃筒,筒内放一小团浸有少量乙醚的棉花。
(1)快速压下活塞,观察到浸有乙醚的棉花会着火燃烧,说明活塞对玻璃筒内空气做功,可以使空气内能 (选填“增大”或“减少”),棉花内能增加是通过 实现的(请填改变内能的方法)。
(2)后来小金在家用如图B所示的热水壶烧开水,观察发现开水壶嘴上有一个能够绕C点活动的金属片,水没有开的时候,金属片将壶嘴盖住,水烧开的时候,“热气”总是将壶盖冲开,物体对外做功,物体内能将转化为壶盖的 。
(3)小金同学联想到课本介绍的四冲程汽油机,一个工作循环包含四个冲程,图A压缩厚玻璃筒实验和图B水蒸气冲金属片现象分别相当于图甲、乙、丙、丁中 冲程和 冲程(填冲程名称)。
(4)一单缸四冲程汽油机,若该汽油机的曲轴转速为600转/分,做功冲程一次对外做功大约为1 500焦。那么这台汽油机的功率为 瓦特。
思维亮剑
1.在玻璃瓶内装入约半瓶细沙,盖上瓶盖,包裹一层泡沫塑料,迅速振动瓶子几十次,细沙温度升高,这是用 方法使沙子内能增大,泡沫塑料的作用是 。如果换成水做该实验,升温不明显是因为水的 大。
2.蹦蹦杆备受青少年喜爱,如图是小明玩蹦蹦杆的情景。小明依靠自身的重力挤压蹦蹦杆下端的弹簧时,原有的重力势能就以 的形式储存在弹簧中。跃起后,蹦蹦杆离开地面,小明和蹦蹦杆一起向上运动,随后又向下运动。往返多次后,弹簧的温度有所升高,这是通过 的方式改变了弹簧的内能。
3.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态氢作为燃料、液态氧作为助燃剂。火箭燃料的发展如表1所示,表2是一些燃料的热值。
表1
第1代 第2代 第3代 第4代
燃料 氧气和 汽油混合 偏二甲肼 煤油 液态氢
氧化剂 四氧化二氮 液态氧 液态氧
表2
燃料 热值 燃料 热值
汽油 4.6×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
柴油 4.3×107 J/kg 氢 1.4×108 J/kg
(1)使用氢作为燃料的主要优点是: 和 。
(2)某火箭发射时携带了3×104 kg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水=4.2×103 J/(kg·℃),当地大气压为1标准大气压]
(3)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70 kW的功率匀速行驶0.5 h,消耗了2 kg燃料,求该发动机的效率。
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第5讲 机械能和内能
考点1 机械能
1.一端封闭的两个完全相同的玻璃管(如图所示),甲中装水,乙中装食用油。两个完全相同的金属小球从O处静止释放,下落到P处,小球在食用油中下落的时间更长。比较两小球从O处到P处的下落情况,则小球 ( )
A.重力势能变化量不相同
B.获得的动能相同
C.在食用油中重力做功慢
D.机械能不变
答案 C
解析 重力势能只与质量、高度有关。甲、乙两种情况,下落高度一样、金属球的质量一样,所以甲、乙重力势能变化量一样,A错误;小球在食用油中下落的时间更长,说明受到的阻力更大,故小球在食用油中下落时,有更多的机械能转化为内能,所以小球到达P点时,食用油中的小球动能少,B、D错误;甲、乙两种情况,下落高度一样、金属球的质量一样,故重力所做的功一样。而小球在食用油中下落的时间更长,由P=得,功率更小,即做功慢,C正确。故选C。
易错警示 学生易受“机械能守恒”的思维定势影响,误选D。而实际上金属小球无论在水中下落还是在食用油中下落,都受到该液体的摩擦阻力,导致部分机械能转化为内能,机械能减少。
2.如图是雨滴在空中下落过程中速度与时间的关系图。雨滴在t1、t2、t3三个时刻中具有的动能分别是E1、E2、E3,不考虑下落过程中雨滴的质量变化,则动能的大小关系是( )
A.E1E2>E3
C.E1答案 C
解析 由图可得,t1~t2时间内雨滴加速,t2~t3时间内雨滴匀速,所以v13.在做“探究动能大小与质量关系”的实验时,小明想:小球从相同高度滚下,若小球材质和斜面倾角不同,到达水平位置时的速度会相同吗
(1)图甲是用挡板控制大小不同的两个小球在斜面上起始位置的两种方案,小明实验时选择A方案而不能选择B方案的原因是 。
甲
(2)小明选择大钢球、小钢球、木球以及可调整倾角的斜面进行实验。分别让球从斜面同一高度由静止开始释放,利用测速仪测出球到达水平位置时的速度如表所示。
斜面倾角速度(米/秒)球的类别 10° 20° 30° 40° 50° 60°
大钢球 2.67 2.67 2.67 2.75 2.88 2.97
小钢球 2.67 2.67 2.67 2.75 2.88 2.97
木球 2.67 2.67 2.67 2.67 2.74 2.89
分析表中数据可知:要使球到达水平位置时的速度与球是钢质或木质无关,则斜面倾角不可能是 。
A.15° B.25° C.35° D.45°
(3)小明利用图乙装置做“探究动能大小与质量关系”的实验时,通过观察球撞击相同塑料软片的数目来比较球的动能大小(图中未画出固定塑料软片的装置)。老师指出此装置不适合体积不同的两个球做实验,原因是 。
乙
答案 (1)B方案中两球从起始位置到水平位置的高度差不同
(2)D (3)塑料软片对不同体积的小球的阻力不同
解析 (1)A方案中挡板水平放置,两小球从起始位置到水平位置的高度差相同,B方案中挡板与斜面垂直放置,因为两小球的大小不同,所以两小球从起始位置到水平位置的高度差不同,为了控制大小不同的两个小球在斜面上从起始位置到水平位置的高度差相同,实验时选择A方案而不能选择B方案;(2)根据表中数据可知,斜面倾角为10°、20°、30°时,大钢球、小钢球、木球到达水平位置时的速度均相同,斜面倾角为40°、50°、60°时,大钢球、小钢球、木球到达水平位置时的速度不全都相同,由数据分析可知,当倾角大于40°时,球到达水平位置的速度与球的材质有关,故D符合题意;(3)不同体积的小球从塑料软片下面通过时受到的阻力不同,无法“探究动能大小与质量关系”。
解题关键 控制变量法和转换法,是中考探究实验考查的重点,设计实验时,要考虑到影响实验的因素。
考点2 物质的比热容、内能与内燃机
4.将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”,把一瓶饮料放入“冰箱”后,冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示,在两物体温度达到相同之前,下列说法正确的是 ( )
A.甲是冰块 B.乙吸收热量 C.甲内能增加 D.乙内能减少
答案 B
解析 由图可知,物体甲的温度是降低的,即物体甲放出热量,内能减小;物体乙的温度是升高的,即物体乙吸收热量,内能增加;所以物体甲是饮料,乙是冰块。B正确,A、C、D错误。故选B。
知识回顾 两个温度不同的物体相互接触时,会发生热传递现象;高温物体放出热量,低温物体吸收热量。
5.在如图所示的“汽油机模型”实验中,将少量的汽油喷入筒内,用软木塞塞住筒口,摇动起电机,观察到放电针放电,汽油燃烧,软木塞被高温高压的气体冲出。该实验可模拟四冲程汽油机工作时的 ( )
A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程
答案 C
解析 汽油燃烧,软木塞被气体冲出,类似于汽油机中燃料燃烧,推动活塞,气体对外做功,属于做功冲程。A、B、D错误,C正确。故选C。
6.某品牌电热水壶的铭牌(部分内容)如表所示。当该电热水壶正常工作时,至少需要 s才能把质量为2.0 kg、初温为25 ℃的水加热到100 ℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
容量 2.0 L
额定电压 220 V
额定功率 1 500 W
答案 420
解析 因为Q=W,所以t===420 s
7.十八世纪,瓦特发明的冷凝器蒸汽机,推动了人类第一次工业革命。如图为利用瓦特蒸汽机提升物体的工作示意图,蒸汽机的工作原理为:打开阀门A、关闭阀门B,高压蒸汽进入汽缸,推动活塞上行。当活塞到达汽缸顶部时,关闭阀门A、打开阀门B,蒸汽进入冷凝器,汽缸内压强减小,活塞下降。如此循环往复。
(1)蒸汽推动活塞上行过程中,能量转化是 。
(2)蒸汽机活塞上行过程与汽油机的 冲程相似。
(3)蒸汽机工作时,汽缸内部压强为1.1×106帕,若活塞面积为0.1米2,则活塞受到蒸汽的压力是多少
(4)蒸汽机活塞往复运动,通过杠杆和定滑轮对重物做功。若物体质量为200千克,活塞每次上升高度为0.6米,则活塞上升一次蒸汽机对物体做了多少有用功 假设活塞每分钟向上运动100次,该蒸汽机对物体做有用功的功率为多少 (g=10 N/kg)
答案 (1)内能转化为机械能 (2)做功 (3)1.1×105 N (4)1 000 W
解析 (1)蒸汽推动活塞上行过程中,蒸汽对活塞做功,蒸汽的内能转化为活塞的机械能;(2)汽油机的做功冲程中,高温、高压燃气推动活塞做功,燃气的内能转化为活塞的机械能,与蒸汽推动活塞上行过程的能量转化相似;
(3)由p=可得活塞受到蒸汽的压力
F=pS=1.1×106 Pa×0.1 m2=1.1×105 N;
(4)由图可知杠杆支点左侧的力臂是右侧力臂的2倍,活塞每次上升高度为h=0.6米,则根据相似三角形的知识可知,杠杆右端下降的高度为h,由定滑轮的特点可知,定滑轮右侧物体上升的高度
h'=h=×0.6 m=0.3 m;
物体的重力
G=mg=200 kg×10 N/kg=2 000 N;
活塞上升一次蒸汽机对物体做的有用功
W有用=Gh'=2 000 N×0.3 m=600 J;
活塞每分钟向上运动100次,该蒸汽机对物体做有用功的功率
P有用===1 000 W。
解题关键 本题综合考查了热机的工作原理和能量转化、压强公式、功和功率的公式的灵活应用,以及对杠杆和定滑轮原理的掌握情况,涉及的知识点较多,正确理解题意,从图中获得有用的信息是关键。
A组 基础题组
1.以下有关能量转化的说法正确的是 ( )
A.氢氧化钠溶于水——内能转化为化学能
B.内燃机工作时——燃料的化学能转化为机械能
C.太阳能电池板工作时——太阳能转化成化学能
D.蓄电池充电——化学能转化成电能和内能
答案 B
解析 氢氧化钠溶于水温度升高,是将化学能转化为内能,A错误;内燃机工作时,将燃料的化学能转化为内能,再由内能转化为机械能,B正确;太阳能电池板工作时,是将太阳能转化为电能,C错误;蓄电池充电,是将电能转化为化学能和内能,D错误。故选B。
2.如图所示,在大口厚玻璃瓶内装入少量的水。塞紧塞子后,用气筒往瓶内打气。当塞子跳出时,看到瓶口有白雾出现。下列关于该实验的分析错误的是 ( )
A.往瓶内打气时,外界对气体做功
B.往瓶内打气时,瓶内气体内能变小
C.瓶塞跳出时,瓶内气体温度降低
D.瓶塞跳出时,水蒸气液化形成白雾
答案 B
解析 往瓶内打气时,外界对瓶内气体做功,使瓶内气体内能增加、温度升高,A正确、B错误;当瓶塞跳起时,瓶内气体对瓶塞做功,瓶内气体的内能减少,温度降低,瓶口附近的水蒸气遇冷液化成小水滴,形成白雾,故C、D正确。故选B。
知识归纳 改变物体内能的两种方式:做功和热传递。对物体做功物体的内能增加,物体对外做功,物体的内能减少;物体吸收热量内能增加,物体放出热量内能减少。
3.以下事例在改变物体内能的方式上与其他三项不同的是 ( )
A.冬天,通过搓手来取暖
B.划火柴时,火柴燃烧
C.把袋装牛奶放在热水中加热
D.铁丝反复弯折,弯折处变热
答案 C
解析 A项,寒冷的冬天,搓手取暖,要克服摩擦做功,将机械能转化为内能,是通过做功的方式改变物体的内能;B项,划火柴时,要克服摩擦做功,将机械能转化为内能,是通过做功的方式改变物体的内能;C项,用热水加热牛奶,牛奶吸收热量,是通过热传递的方式改变物体的内能;D项,反复弯折铁丝,弯折处变热,将机械能转化为内能,是通过做功的方式改变物体的内能。所以C与A、B、D改变物体内能的方式不同,故选C。
4.2019年7月19日,中国“天宫二号”目标飞行器受控坠落于南太平洋。“天宫二号”穿越大气层时,大部分被焚毁,像一颗流星划过天空。以下四个事例中,能量转化与之相同的是( )
甲:活塞迅速下压,硝化棉燃烧 乙:汽油机做功冲程 丙:水蒸气推开软木塞 丁:钻木取火
A.甲、丙 B.甲、丁 C.乙、丙 D.乙、丁
答案 B
解析 “天宫二号”穿越大气层时,克服摩擦做功,机械能转化为内能,使“天宫二号”内能增加,温度升高,发生剧烈燃烧;甲:用力将活塞压下,活塞对空气做功,筒内空气的内能增大、温度升高,达到了硝化棉的着火点,硝化棉就会燃烧,此过程中机械能转化为内能,正确;乙:汽油机做功冲程中,高温、高压的燃气对外做功,此过程中内能转化为机械能,错误;丙:试管内气体对软木塞做功,气体的内能转化为软木塞的机械能,错误;丁:钻木取火属于摩擦生热现象,克服摩擦做功,机械能转化为内能,正确。故选B。
5.如图是四冲程汽油机做功冲程的示意图,汽油燃烧产生高温、高压的气体推动活塞向下运动。在活塞向下运动的过程中,有关汽缸内气体的说法正确的是 ( )
A.气体的温度升高 B.气体的内能减少
C.气体的密度增大 D.气体的压强增大
答案 B
解析 由图可知,两个气阀关闭,活塞向下运动,是做功冲程,即高温、高压气体对活塞做功,气体的内能减少、温度降低;气体质量不变、体积变大,故气体分子的密度减小,气体压强也减小。故B正确。
6.“蹦极”是一种富有刺激性的勇敢者的运动项目,如图所示。一根弹性橡皮绳,一端系住人的腰部,另一端系于跳台,当人下落至图中A点时,橡皮绳刚好被伸直,C点是游戏者所能达到的最低点,当人下落至图中B点时,橡皮绳对人的拉力与人受到的重力大小相等。对于游戏者离开跳台到最低点的过程中(不考虑空气阻力),下列说法正确的是 ( )
A.游戏者的动能一直在增加
B.游戏者到达B点时,游戏者的动能增加到最大值
C.游戏者到达C点时,重力势能全部转化为动能
D.游戏者从C点向B点运动的过程中,重力势能转化为动能和弹性势能
答案 B
解析 从开始下落到A点时,弹性绳没有伸直,因此游戏者不受拉力,只受重力,此时合力向下,与运动方向一致,做加速运动。从A到B,弹性绳的长度变长,拉力变大,但是重力始终大于弹力,合力仍然向下,与运动方向一致,继续做加速运动。当到达B点时,拉力和重力相等,合力为零,此时加速停止,游戏者的速度达到最大。从B到C的过程中,拉力继续增大,重力小于拉力,合力向上,游戏者做减速运动。因此从A到C的过程中,游戏者的速度先增大后减小,所以动能先增大后减小,故A错误、B正确;当游戏者到达C点时,它速度为零,动能为零,高度最小,重力势能最小,而弹性绳的长度达到最大,即弹性势能最大,因此游戏者的重力势能全部转化为弹性绳的弹性势能,故C错误;游戏者从C点到B点的过程中,它的高度增大,重力势能增大,速度增大,动能增大,而弹性绳的长度减小,即弹性势能减小,因此弹性势能转化为游戏者的动能和重力势能,故D错误。故选B。
B组 提升题组
7.如图所示,在瓶里装有少量的水,盖紧瓶盖,使劲拧瓶的下部,使其严重变形,然后略松开瓶盖(对着没人的方向),瓶盖弹出数米远,观察到瓶口和瓶内有白雾产生。下列分析正确的是( )
A.用力拧瓶的下部时瓶内气体内能减少,温度升高
B.用力拧瓶的下部时瓶内气体内能增加,温度降低
C.瓶盖弹出时气体内能减小,温度降低,水蒸气液化
D.瓶盖弹出时气体内能增加,温度降低,水蒸气液化
答案 C
解析 用力拧瓶的下部时,瓶内气体体积变小,此时压缩瓶内气体做功,机械能转化为内能,瓶内气体内能增加,温度升高,A、B错误;当瓶盖弹出时瓶内及瓶口有白雾,这是因为瓶内气体对外做功,内能减少,水蒸气遇冷,液化形成小水滴,D错误、C正确。
8.低空跳伞是一种危险性极高的极限运动。一名跳伞运动员背着伞包从某高层建筑顶层跳下,且一直沿竖直方向下落,其整个运动过程的v-t图像如图所示,其中10秒末时打开了降落伞。下列说法正确的是 ( )
A.前2秒内,运动员的运动状态保持不变
B.前10秒内,运动员减少的重力势能全部转化为动能
C.10秒末~12秒末,运动员和伞受到的空气阻力大于其总重力
D.14秒末~16秒末,运动员和伞的机械能总量保持不变
答案 C
解析 A项,前2秒内,由于受到重力的作用,运动员会向下做加速运动,运动状态发生了变化,错误;B项,前10秒内,运动员的高度减小,重力势能减小,由于和空气之间存在摩擦,克服摩擦力做功,一部分重力势能转化为了内能,所以减少的重力势能不可能全部转化为动能,错误;C项,10秒末~12秒末,运动员和伞做减速运动,说明运动员和伞受到的竖直向上的阻力大于竖直向下的重力,正确;D项,14秒末~16秒末,运动员和伞的速度不变,动能不变,高度减小,重力势能减小,所以机械能总量变小,错误。故选C。
9.乒乓球发球机在同一高度以相同的速度朝不同方向分别发出a、b、c三个完全一样的球(如图所示),若不计空气阻力,则下列说法中正确的是 ( )
A.三个小球到达水平桌面时速度不相同
B.三个小球在空中的运动过程中势能先增大后减小
C.三个小球在空中的运动过程中机械能不变
D.三个小球在空中的运动过程中机械能不相等
答案 C
解析 乒乓球发球机在同一高度以相同的速度朝不同方向分别发出a、b、c三个完全一样的球,由于高度和速度都相同,则机械能是相同的。不计空气阻力,三个小球的机械能是守恒的,所以三个小球到达桌面时的机械能相同,由于高度相同,重力势能相同,则动能相同,速度相同,A错误;由图可知,a、b小球在空中的运动过程中高度先增大后减小,所以势能先增大后减小。而c小球高度一直在减小,所以势能一直减小,B错误;因为不计空气阻力,三个小球的机械能是守恒的,初始高度、速度、质量相等,所以机械能相等,D错误、C正确。
10.如图甲所示,水平桌面上放有一内壁光滑的竖直圆筒,筒底固定一根弹簧。将一小球放置在弹簧上,静止时位于A点(如图乙)。现将小球下压至B点,并用此处的装置锁定(如图丙)。解锁后,小球向上弹出筒口。下列说法正确的是 ( )
①图乙中A点处弹簧的弹力等于小球的重力
②图乙中圆筒对桌面的压力小于图丙中的压力
③图丙中小球从开始运动到脱离弹簧的过程中速度一直变大
④图丙中小球从开始运动到脱离弹簧的过程中动能先变大后变小
A.①和③ B.①和④ C.②和③ D.②和④
答案 B
解析 图乙中小球静止在弹簧上时位于A点,处于平衡状态,小球重力与弹簧对球的弹力是一对平衡力,二者大小相等,故①正确;以整体为研究对象,图乙、丙中圆筒对桌面的压力相等,都等于圆筒、弹簧和小球的总重力,故②错误;图丙中小球从开始运动到脱离弹簧的过程中先是弹力大于重力,到达A点时弹力等于重力,之后重力大于弹力,所以小球的速度先变大、后变小,故动能先增大后减小,故③错误,④正确。故选B。
方法技巧 (1)以整体为研究对象分析乙、丙图中圆筒对水平桌面的压力大小关系;
(2)二力平衡的条件:大小相等、方向相反、作用在一条直线上、作用在一个物体上;
(3)在运动过程中小球受重力与弹簧的弹力,当两力大小相等时,小球速度最大,此时弹力与重力是一对平衡力。
11.小金同学自己动手在家做实验,如图A所示取一个配有活塞的厚玻璃筒,筒内放一小团浸有少量乙醚的棉花。
(1)快速压下活塞,观察到浸有乙醚的棉花会着火燃烧,说明活塞对玻璃筒内空气做功,可以使空气内能 (选填“增大”或“减少”),棉花内能增加是通过 实现的(请填改变内能的方法)。
(2)后来小金在家用如图B所示的热水壶烧开水,观察发现开水壶嘴上有一个能够绕C点活动的金属片,水没有开的时候,金属片将壶嘴盖住,水烧开的时候,“热气”总是将壶盖冲开,物体对外做功,物体内能将转化为壶盖的 。
(3)小金同学联想到课本介绍的四冲程汽油机,一个工作循环包含四个冲程,图A压缩厚玻璃筒实验和图B水蒸气冲金属片现象分别相当于图甲、乙、丙、丁中 冲程和 冲程(填冲程名称)。
(4)一单缸四冲程汽油机,若该汽油机的曲轴转速为600转/分,做功冲程一次对外做功大约为1 500焦。那么这台汽油机的功率为 瓦特。
答案 (1)增大 热传递 (2)机械能 (3)压缩 做功
(4)7.5×103
解析 (1)下压活塞时,活塞对筒内的空气做功,将机械能转化为空气的内能,使空气温度升高,空气将热量传递给棉花,当棉花温度达到着火点时,将燃烧起来,故棉花内能增加是通过热传递方式实现的。(2)用壶烧开水,壶中的水蒸气将壶盖顶起来,这是消耗水蒸气的内能对外做功,将水蒸气的内能转化成壶盖的机械能。(3)由图可见:图甲中进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,因此该冲程是吸气冲程;图乙中进气门、排气门都关闭,活塞向上运动,因此该冲程是压缩冲程,机械能转化为内能;图丙中进气门、排气门都关闭,活塞向下运动,因此该冲程是做功冲程,内能转化为机械能;图丁中进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,因此该冲程是排气冲程。从能量转化的角度看,其中与图A实验相同的是压缩冲程,与图B实验相同的是做功冲程,故填压缩和做功;(4)汽油机曲轴转速为600 r/min,每分钟曲轴转动600圈,完成300个工作循环,对外做功300次。做功冲程一次对外做功1 500 J,1 min做功W=1 500 J×300=4.5×105 J,这台汽油机的功率为:P===7.5×103 W。
思维亮剑
1.在玻璃瓶内装入约半瓶细沙,盖上瓶盖,包裹一层泡沫塑料,迅速振动瓶子几十次,细沙温度升高,这是用 方法使沙子内能增大,泡沫塑料的作用是 。如果换成水做该实验,升温不明显是因为水的 大。
答案 做功 保温 比热容
解析 (1)迅速振动瓶子几十次,细沙温度升高,这是用做功方法使沙子内能增大;(2)泡沫塑料是热的不良导体,其作用是保温;(3)水的比热容大,在质量相同时,对水做相同的功,温度升高的低,温度变化不明显。
2.蹦蹦杆备受青少年喜爱,如图是小明玩蹦蹦杆的情景。小明依靠自身的重力挤压蹦蹦杆下端的弹簧时,原有的重力势能就以 的形式储存在弹簧中。跃起后,蹦蹦杆离开地面,小明和蹦蹦杆一起向上运动,随后又向下运动。往返多次后,弹簧的温度有所升高,这是通过 的方式改变了弹簧的内能。
答案 弹性势能 做功
解析 在挤压弹簧的过程中,人的质量不变,所处高度减小,重力势能减小;弹簧发生弹性形变的难易程度不变,弹簧的形变量越来越大,弹簧的弹性势能越来越大;在此过程中小明的重力势能转化为弹簧的弹性势能。弹簧的温度有所升高,这是通过做功的方式改变了弹簧的内能。
3.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态氢作为燃料、液态氧作为助燃剂。火箭燃料的发展如表1所示,表2是一些燃料的热值。
表1
第1代 第2代 第3代 第4代
燃料 氧气和 汽油混合 偏二甲肼 煤油 液态氢
氧化剂 四氧化二氮 液态氧 液态氧
表2
燃料 热值 燃料 热值
汽油 4.6×107 J/kg 煤油 4.6×107 J/kg
柴油 4.3×107 J/kg 氢 1.4×108 J/kg
(1)使用氢作为燃料的主要优点是: 和 。
(2)某火箭发射时携带了3×104 kg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水=4.2×103 J/(kg·℃),当地大气压为1标准大气压]
(3)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70 kW的功率匀速行驶0.5 h,消耗了2 kg燃料,求该发动机的效率。
答案 解:(1)氢的热值大 氢燃料清洁环保(合理即可) (2分)
(2)燃料燃烧释放的热量
Q=mq=3×104 kg×1.4×108 J/kg=4.2×1012 J(1分)
水的质量
m水= = =1.25×107 kg(2分)
(3)有用功
W=Pt=70×103 W×0.5×3 600 s=1.26×108 J(2分)
燃料完全燃烧放出的热量
Q放=m1q=2 kg×1.4×108 J/kg=2.8×108 J(1分)
发动机的效率
η= ×100%= ×100%=45% (1分)
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