苏教版九年级物理教学讲义，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：19【提高】机械能与内能的相互转化（含答案）

机械能与内能的相互转化（提高）
【学习目标】1．了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例；2．从能量转化的角度认识燃料的热值；3．通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。
【典型例题】
类型一、热机
1、（2019?岱岳区模拟）柴油机工作一个循环需四个冲程，其中由机械能转化为内能的是（　　）
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
【思路点拨】内燃机的四个冲程有吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，将机械能转化为内能的是压缩冲程，将内能转化为机械能的是做功冲程。
【答案】B
【解析】在汽油机一个工作循环的四个冲程中，在压缩冲程中，压缩燃料的混合物做功，将机械能转化为内能，温度升高、内能增加；在做功冲程中，高温高压的燃料被点燃燃烧形成高温高压的燃气，燃气膨胀做功，将内能转化为机械能，故选B。
【总结升华】本题主要考查对热机一个工作循环中各冲程情况的了解以及工作的实质，并掌握涉及能量转化的两个冲程。
2、某四冲程内燃机的活塞每秒钟完成15次工作循环，那么（　 ）　　A、内燃机的转速是900R/min　 　B、每分钟对外做功900次　 　　C、每分钟对外做功1800次　 　D、每分钟对外做功15次
【答案】B
【解析】内燃机每个工作循环为四个冲程，曲轴转动两周，对外做功一次。内燃机每秒完成15次工作循环，则每分钟完成900次工作循环，曲轴转动1800周，即内燃机转速为1800R/min，对外做功900次。
【总结升华】此题考察内燃机的工作原理，属基础题。
举一反三：
【变式】单缸四冲程内燃机工作时，依靠飞轮的惯性来完成的冲程有（　 ）　　A、吸气、做功和排气冲程　　 B、吸气、压缩和做功冲程　　C、压缩、做功和排气冲程 　　D、吸气、压缩和排气冲程
【答案】D
3、如图，表示做功冲程的示意图是(　　　 )?　　　　　　　　　　　　　　　
【答案】B
【解析】内燃机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。在做功冲程里进气门、排气门关闭，高温高压燃气推动活塞向下运动，活塞又通过连杆使曲轴转动。由图来判断，B图中进气门、排气门关闭，活塞向下运动，应为做功冲程。
【总结升华】对内燃机四个冲程的判断，要结合气门和活塞运动情况进行判断。
举一反三：
【变式】（2019?大连中考）（多选）在四冲程柴油机的做功冲程中，汽缸内气体的（　　）
A．内能减小 B．质量增大 C．压强减小 D．温度降低
【答案】ACD
类型二、燃料的热值和热机效率
4、（2019?荆州中考）某品牌太阳能热水器的容积为100L，其装满水后在太阳的照射下水温从20℃的升高到40℃，不计热量的散失。
（1）求热水器中的水吸收的热量。[水的比热容c=4.2×103J/（kg?℃）]
（2）要完全燃烧多少体积的煤气可以产生相同的热量？（煤气的热值q=4.0×107J/m3）
【思路点拨】（1）知道水的体积，利用密度公式求水的质量，又知道水的比热容、水的初温和末温，利用吸热公式Q吸=cm△t求水吸收的热量；（2）若不计热量的散失，即Q吸=Q放，利用Q放=Vq求需要完全燃烧的煤气。
【答案与解析】
（1）太阳能热水器中的水质量：m=ρV=103kg/m3×100×10-3m3=100kg，
水吸收的热量：Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg?℃）×100kg×（40℃-20℃）=8.4×106J；
（2）由于不计热量的散失，则Q吸=Q放，由Q放=qV可得：。
答：（1）热水器中的水吸收的热量是8.4×106J；（2）要完全燃烧0.21m3的煤气可以产生相同的热量。　
【总结升华】本题考查了学生对吸热公式Q吸=cm△t、燃料完全燃烧放热公式Q放=Vq的掌握和运用，利用好不计热量的散失时Q放=Q吸是本题的关键。
举一反三：
【变式】无烟煤的热值大于干木柴的热值，则（ ）　　A、烧无烟煤比烧干木柴产生的热量多　　B、要使它们放出同样多的热量，完全燃烧的无烟煤的质量小于完全燃烧的干木柴的质量　　C、烧无烟煤比烧干木柴产生的烟尘多　　D、煤比木柴含有的热量多
【答案】B
5、一辆汽车的发动机输出功率为66.15kW，每小时耗柴油14kg，请计算发动机的效率。（柴油的燃烧值为4.3×107J/kg）
【思路点拨】热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，则。
【答案与解析】
发动机每小时做的功W=Pt=66150W×3600s=2.38×108J，
　　完全燃烧14kg柴油放出的能量Q总=4.3×107J/kg×14kg=6.02×108J；
　　做有用功的能量Q有=W=2.38×108J；　
　　。
　　发动机的效率是39.5％。
【总结升华】计算发动机的热效率可根据热机效率的定义，先求出发动机做的有用功和消耗的燃料完全燃烧放出的能量。然后再求效率。
举一反三：
【变式】做同样多的功，甲柴油机用3小时，消耗2千克柴油，乙柴油机用2小时，消耗了3千克柴油，则（　 ）　　A、甲的功率大，效率高　　 B、甲的功率大，效率低　 　　C、乙的功率大，效率高　　 D、乙的功率大，效率低
【答案】D
【巩固练习】
一、选择题
1、如图所示，一支蜡烛正在燃烧，下列关于蜡烛的说法正确的是 ( )
A．质量变小，热值变小 B．质量不变，热值不变
C．质量不变，热值变小 D．质量变小，热值不变
2、（2019春?巴州区期中）两台柴油机，若甲柴油机的效率低于乙柴油机，则（　　）
A．在输出功相同的情况下，甲柴油机消耗的柴油多于乙柴油机消耗的柴油
B．甲柴油机的功率小于乙柴油机的功率
C．甲柴油机消耗的柴油多于乙柴油机消耗的柴油
D．在功率相同的情况下，甲柴油机消耗的柴油少于乙柴油机消耗的柴油
3、关于燃料的热值，下列说法正确的是（　 ）　　A．燃料的热值越大，燃烧时达到的温度就越高　 　　B．燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多　　C．燃料燃烧越充分，则燃料的热值就越大　 　　D．燃料的热值与燃料的质量及燃烧情况无关
4、（2019?桃源县校级模拟）关于热机的效率，下列说法正确的是（　　）
A．热机做的有用功越多，效率就一定高
B．热机的功率大，效率就一定高
C．热机消耗的燃料越多，效率就越低
D．热机内能转化成机械能的百分比越大，效率越高
5、下列说法错误的是（ ）
A．现阶段，人类所用能量，大部分来源于燃料燃烧
B．燃料燃烧时化学能转化为内能
C．热值是表示燃料燃烧放热能力的物理量
D．汽车在行驶时，发动机把油料中的化学能全部转化成有用的机械能
6、当小四轮拖拉机的柴油机出现故障而使转速急骤增加时，正常操作已不能使它停转，可以用下面那种应急措施（　 ）　　A．捂住进气口　 　 　 B．立即找一个隔热物体捂住排气口　　C．脚踏刹车板，同时手拉制动器　 　 D．让它空转，等油全部耗完停下
7、汽油机飞轮的转速是3000 r/min，则可知每分钟内一个汽缸里燃气推动活塞做功的次数是 ( )
A．1500次 B．3000次 C．6 000次 D．750次
8、物体的温度升高了，那么物体（　 ）
A．一定吸收了热量　　　　 　 B．一定是物体对外做功　 C．一定是外界对物体做了功　 D．可能是物体吸收了热量，也可能是外界对物体做了功
二、填空题
9、“摩擦生热”其实质是________能转化为________能；而“燃烧”过程的实质是燃料的________能转化为________能，也就是通常所说的“燃料燃烧________(选填“吸收”或“放出”)热量”。
10、在一定的条件下，各种形式的能量都可以相互________；所以能量守恒定律是自然界中最________、最________的基本定律之一。
11、（2019秋?济南校级月考）燃料燃烧的过程是 _______能转化为内能的过程；在我们学过的知识中，用来说明燃料优劣的物理量是 _______。
12、（2019?滨城区模拟）“可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力。同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量可达煤气的数十倍，这说明“可燃冰”的 很大。1kg“可燃冰”完全燃烧大约放出4.2×108J的热量，可使 ㎏的水从20℃加热至60℃。（水的比热容为4.2×103kg/m3）
13、普通汽车行驶时，发动机将燃料燃烧产生的内能转变为机械能。如图所示是某型号的普通汽车发动机的能量流向图，依据图中提供的信息，计算该汽车发动机的效率为________。
三、计算题
14、下面是小敏在题为《能源的利用》的探究性学习中收集到的有关太阳能的资料：　　太阳能是人类最基本的能源，它无污染、免费、还可再生，这种能源的使用期和太阳本身的寿命一样长。当太阳光照射地面时，1平方米地面上在1秒内平均得到的太阳能约为1.0×103J，太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐出现在我们的生活中恰好，小敏同学家最近想买一台太阳能热水器，在参考了以上资料后，她又在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
容积
100L
集热管的采光面积（S）
1.5m2
效率
40%
使用年限
15年
（1） 小敏家每天大约需要100kg热水，用这种热水器将这些水从25摄氏度加热到45摄氏度需要多少时间？（2） 对比效率为80%的电热水器，小敏家每天可节约多少电能？15、（2019?铜仁市模拟）某物理兴趣小组的同学，用煤炉给20kg的水加热，同时他们绘制了如图所示的加热过程中水温随时间变化的图线。若在6min内完全燃烧了2kg的煤，水的比热容为4.2×103J/（kg?℃），煤的热值约为3×107J/kg。求：
（1）煤完全燃烧产生的热量。
（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量。
（3）煤炉烧水时的热效率。
【答案与解析】
一、选择题
1、【答案】D
【解析】蜡烛在燃烧过程中，质量会变小，但是“1kg蜡烛完全燃烧放出的热量”不会发生变化，也就是热值不变。
2、【答案】D
【解析】ACD、甲柴油机的效率比乙柴油机的效率高，说明甲柴油机用来做有用功的能量占总能量的百分比大，也就是功率相同的甲乙两台柴油机，完成相同的有用功，甲柴油机消耗的柴油少于乙柴油机消耗的柴油，选项AC错误，选项D正确；B、机器的效率是做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量之比；功率是机器做功快慢，两者没有联系，此选项错误；故选D。
3、【答案】D
【解析】燃料燃烧时可达到的温度与燃料的多少及燃烧条件、环境情况等有关，不能说热值越大达到的温度就越高，所以A不对；燃料燃烧时放出的热量多少不仅与热值有关，而且与燃料的质量、燃烧条件等有关，所以B不对；热值的概念是建立在“完全燃烧”的条件下，这只是一种理想情况，实际上不可能，一定种类、一定质量的燃料，燃烧越充分，只是放热越多，不能说热值越大，所以C不对；热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的质量以及燃烧条件等均无关，所以D正确。
4、【答案】D
【解析】A、热机的有用功多，与燃料完全燃烧放出的能量之比不一定多，故A错；B、功率是物体做功快慢的物理量，与效率是两个完全不同的概念，故B错；C、热机消耗的燃料多、燃烧放出的热量多，但用来做有用功的能量不一定多，故C错；D、热机的效率越高，说明内能转化成的机械能与内能的比值越大，热机的效率越高，故D正确。5、【答案】D
【解析】现阶段，人类所用能量，大部分来源于煤和石油等燃料燃烧；汽车在行驶时，油料中的化学能只有一部分转化成有用的机械能，汽油机的效率较大约低20％至30％，柴油机的效率较高大约30％至45％。
6、【答案】A
【解析】柴油把内能转化为机械能的装置，“正常操作已不能使它停转”说明关闭油门、刹车等措施都已失灵，要使拖拉机停转，必须阻止内能转化为机械能。若无内能供给，即无内能向机械能转化，拖拉机即可停转，而内能是由柴油燃烧转化而来的，只要没有空气吸入气缸（没有助燃物质），就能阻止柴油燃烧，所以措施A有明显作用，措施B、C无济于事，措施D不但浪费柴油，而且等候时间过长，易使柴油机部件因不正常工作而损坏，而且在紧急情况下会发生事故，故不可取。
7、【答案】A
【解析】四冲程内燃机都是由吸气、压缩、做功和排气四个冲程构成的，在这样一个工作循环中都是活塞往复两次，曲轴和飞轮转动两周，内燃机对外做功一次。现在已知飞轮的转速是3000r／min，可知每分钟内飞轮转过3000周，活塞做功1500次。
8、【答案】D
【解析】物体温度升高了，物体内大量分子无规则运动的速度变快，物体的内能一定增加。改变物体内能的方法有两种，一种是热传递，吸收了热量可以使物体的温度升高，另一种是做功，外界对物体做功，把其它形式的能转化为物体的内能，使物体内能增加，物体温度升高，且这两种方式是等效的。
二、填空题
9、【答案】机械；内；化学；内；放出
10、【答案】转化；普遍；重要
11、【答案】燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程；热值是燃料的一种特性，常用热值来区分燃料的优劣；故答案为：化学；热值。
12、【答案】热值；2500
【解析】（1）在同等条件下，包含质量相同，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的热值很大；（2）由Q放=Q吸=cm△t可得，
水的质量：。
13、【答案】20％
【解析】。
三、实验探究题
14、【答案与解析】设表示光照时间：表示　　(1)　　　 (Q放是太阳能热水器传给水的热量)　 　　　　　 　　(2)　 　　度。　　这是一道开放题，解这类题的关键是先审好题，明确各数值的物理含义，再利用相关知识正确解答。
15、【答案与解析】（1）煤完全燃烧产生的热量Q放=mq=2kg×3×107J/kg=6×107J；
（2）Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J/（kg?℃）×10kg×（80℃-20℃）=2.52×106J；
（3）煤炉烧水时的热效率。
答：（1）煤完全燃烧产生的热量为6×107J；
（2）经过6min时间加热，水所吸收的热量为2.52×106J；
（3）煤炉烧水时的热效率为4.2%。