教科版初中物理九年级上册教学讲义，同步练习，复习补习资料（含知识讲解，巩固练习）：09改变世界的热机(提高)

改变世界的热机（提高）
【学习目标】
1.知道热机的概念及热机的能量转化，了解热机在人类发展史上的重要意义；
2.理解内燃机的基本原理，了解汽油机的工作过程；
3.通过分析汽油机的四个冲程，了解活塞发动机的工作过程；
4.知道热机的效率，了解提高热机效率的途径；
5.了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。
【典型例题】
类型一、热机
1、（多选）下列现象中利用内能加热的是（　 ）A、晾晒稻谷　 　　　　B、喷气式飞机在空中飞行　 C、用高炉熔化铁　 　　D、燃气推动发动机叶轮
【答案】AC
【解析】选项A中太阳照在稻谷上，使稻谷的温度升高，内能增大，能量的形式末变，是利用内能加热；选项B中，燃料燃烧获得的内能转化成了飞机的机械能，能量的形式发生了变化；选项C中，炉子传热给铁，使铁熔化，能量的形式未发生变化；选项D中，燃气推动发动机叶轮转动，燃气的内能转化为叶轮的机械能，能量的形式发生了变化，所以选项C和A正确。
【总结升华】判断内能的利用途径可以从能量的形式是否发生转化这一特征入手。
2、（2019?延平区一模）关于四冲程内燃机，下面说法错误的是（　　）
A．内燃机是利用内能来做功的机器
B．在做功冲程，内能转化为机械能
C．在压缩冲程，内能转化为机械能
D．四个冲程依次为吸气、压缩、做功、排气冲程
【思路点拨】内燃机是利用内能来做功的机器；四个冲程是吸气、压缩、做功、排气冲程；四个冲程中的能量转化情况：吸气和排气冲程不发生能量转化，压缩冲程将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能。
【答案】C
【解析】A、内燃机是利用内能来做功的机器，故A正确；B、做功冲程高温高压燃气推动活塞向下运动，将内能转化为机械能，故B正确；C、压缩冲程活塞向上运动，压缩气体对气体做功，将机械能转化为内能，故C错误； D、内燃机的四个冲程是吸气、压缩、做功、排气冲程，故D正确；故选：C。
【总结升华】本题主要考查了内燃机的概念，四个冲程及能量转化情况，是一道基础性题目。
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、（2019?滨州中考）汽车已经成为现代生活不可缺少的一部分，汽车多数采用汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中不正确的是（　　）
A、甲冲程是把机械能转化为内能
B、乙冲程是排气冲程
C、丙冲程是把机械能转化为内能
D、丁冲程是吸气冲程
【答案】C
【解析】热机的四个冲程，吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。
甲图：气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，将机械能转化为了内能，A正确；
乙图：排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程，B正确；
丙图：气门都关闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，将内能转化为了机械能，C错误；
丁图：进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，D正确。
【总结升华】此题考查了对内燃机四个冲程的判断以及涉及能量转化的两个冲程，要结合气门和活塞运动情况进行判断。
举一反三：
【变式】（2019?乌鲁木齐中考）家用轿车四冲程汽油机工作时为轿车提供动力的冲程是（　　）
A、吸气冲程 B、压缩冲程 C、做功冲程 D、排气冲程
【答案】C
类型二、热机效率
4、一台柴油机的热机效率为25%，用这台柴油机工作时，完全燃烧2Kg的柴油可做多少有用功？（柴油的热值为3.3×107J/Kg）
【思路点拨】热机效率等于有用功与燃料完全燃烧放出的能量之比；先求出2kg柴油完全燃烧放出的热量Q，再根据热机效率的表达式求出有用功。
【答案与解析】
柴油完全燃烧放出的热量：；
由，得：；
答：这台柴油机工作时，完全燃烧2Kg的柴油可做有用功为1.65×107J。
【总结升华】题目考查了利用热机效率计算有用功，本题中还考查了燃料热值的应用，热值是指1kg燃料完全燃烧放出的热量。
举一反三：
【变式】热机的效率是40%，表示它每做100焦的有用功（　　）
A、需要2.5秒的时间 B、燃料完全燃烧放出的能量是400焦
C、将消耗60焦的无用功 D、燃料完全燃烧放出的能量是250焦
【答案】D
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、（2019?汉川市模拟）如图是四冲程汽油机工作状态示意图，下列说法不正确的是（　　）
A．该冲程是内能转化为机械能的过程
B．该图表示汽油机的压缩冲程．该冲程是将汽油和空气的混合物进行压缩
C．该冲程中汽缸内气体温度升高，分子运动剧烈程度加剧
D．该冲程中主要是通过做功的方式改变汽缸内物质的内能
2、汽油机和柴油机相比较，其中正确的是（　 ）　　A、汽油机顶部有喷油嘴，吸入的是空气，效率高　　B、汽油机顶部有火花塞，吸入的是汽油和空气的混合物，效率高　　C、柴油机顶部有火花塞，吸入的是柴油和空气的混合物，效率高　　D、柴油机顶部有喷油嘴，吸入的是空气，效率高
3、一台八缸四冲程柴油机，飞轮转速为600r/min，若每个汽缸做功冲程中，每次做功7300J，那么这台柴油机的功率是（　　）
A．3.65×104W B．5.84×105W C．7.3×105W D．2.92×105W
4、关于热机的效率，以下说法中正确的是　（ ）　　A．热机做的有用功越多，效率就一定越高　　B．热机的功率大，效率就一定高。　　C．热机单位时间里耗费的燃料少，热机的效率就一定高　　D．以上说法都不对
5、（2019?无锡中考）下列关于热机和环境保护的说法中，正确的是（　　）
　 A．热机排出的尾气没有内能
　 B．热机的效率能达到100%
　 C．热机都是使用汽油作燃料
　 D．热机的大量使用会造成环境污染
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．6000次 D．750次
8、汽油机甲比汽油机乙效率高，这表明（　　）
A.甲用的汽油少 B.甲的功率大
C.工作相同的时间，甲耗油较少 D.甲把汽油的化学能转化为机械能的百分比较大
二、填空题
9、（2019?宝应县二模）木炭的热值是3.4×107J/kg，完全然烧500g木炭，能放出 J的热量．柴油机是工农业生产中常用的热机。已知某型号柴油机的效率为η，柴油的热值为q。将质量为m的柴油完全燃烧，能放出的热量Q= ，这些热量通过该柴油机的转化对外所做的有用功W= 。
10、（2019春?巴东县校级月考）单缸四冲程汽油机工作时，有些冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成，只有一个冲程是不用靠飞轮的惯性来完成的，这个冲程是 。
11、某小型单缸四冲程汽油机飞轮的转速为2400r/min，完成一个工作循环需 s，若其功率为900W，效率为20%，1min转化为机械能为 J。
12、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
13.如图所示为汽油机做功冲程的示意图。若某型号单缸四冲程汽油机的活塞直径为60 mm（面积近似取S=3.0×10-3 m2），活塞冲程长度为L=0.06 m，某种工作状态下做功冲程燃气的平均压强为p=1.0×106 Pa，活塞以n=1380次/min做往复运动，汽油机往复运动两次，对外做功一次。
（1）汽油机在此工作状态下的功率是多少？
（2）如果此工作状态下每分钟消耗20 g汽油，那么汽油机把内能转化为机械能的效率是多少？（q汽油=4.6×107 J/kg，不计摩擦）
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?安徽中考）某家庭用燃气热水器将质量为100kg，温度为20℃的自来水加热到50℃，消耗的天然气体积为1m3（假设天然气完成燃烧）。已知水的比热容为4.2×103J/（kg?℃），天然气的热值为3.2×107J/m3。求：
（1）天然气完全燃烧放出的热量；
（2）水吸收的热量；
（3）该热水器工作时的效率。
【答案与解析】
一、选择题
1、【答案】A
【解析】A、图中，汽油机两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，此机械能转化为内能，故A错误；B、汽油机在吸气冲程中吸进汽油和空气的混合物，所以在压缩冲程中是将汽油和空气的混合物进行压缩压缩，故B正确；C、压缩冲程中压缩气体做功，温度升高，内能增加，分子热运动变剧烈，故C正确；D、压缩冲程压缩气体做功，所以是通过做功的方式改变物体的内能，故D正确，故选A。
2、【答案】 D
【解析】汽油机顶部有火花塞，吸入的是汽油和空气的混合物。热机效率是指用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比，与柴油机相比，汽油机在压缩冲程结束时，燃气压强和温度比较低，因此在做功冲程中，用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比较小，所以汽油机效率较低。选项A、B错误。柴油机顶部有喷油嘴，吸入的是空气，效率高。选项C错误，选项D正确。
3、【答案】D
【解析】飞轮转速：600r/min=10r/s，即飞轮每秒转10圈，
∵一个工作循环飞轮转2圈，完成4个冲程，做功一次，
∴每秒共有5个工作循环，对外做功5次；每个缸每秒做功7300J×5=36500J，该柴油机（八个缸）每秒做的功：W=36500J×8=2.92×105J，
该柴油机的功率为：。
4、【答案】D
【解析】热机的效率是用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比。热机做的有用功多，但消耗的燃料完全燃烧所放出的能量没有确定。就无法比较热机效率的高低。热机的功率大，只表示单位时间内做的有用功多。在热机单位时间里所消耗燃料完全燃烧所放出的能量没有确定的情况下，也无法判断热机效率高低。热机单位时间里消耗的燃料少，在热机功率没有确定的情况下，无法确定单位时间里热机所做的有用功的多少。因而无法判断热机的效率高低。
5、【答案】D
【解析】A、一切物体在任何温度下都有内能，所以热机排放的尾气也有内能，所以A是错误的；
B、热机在工作时不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，机械效率不可能达到100%，所以B是错误的；C、汽油机燃烧汽油，柴油机燃烧柴油，蒸汽机燃烧煤，并不是所有的热机都燃烧汽油的，所以C是错误的；D、热机在使用时会排放出一些有害的气体，造成环境污染，所以D是正确的。
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】A、甲的效率高说明汽油的化学能转化为机械能的百分比大，不是用的汽油少，故A错误；B、热机效率的高低和功率的大小没有直接的联系，故B错误；C、工作时间影响的是机器的功率大小，和热机效率没有关系，故C错误；D、甲的热机效率高表示甲机器把汽油的化学能转化为机械能的百分比较大，故D正确。
二、填空题
9、【答案】1.7×107J；Q=qm；ηqm
10、【答案】做功冲程
【解析】由内燃机的工作过程可知，只有在做功冲程中内能转化为机械能，是活塞在力的作用下主动运动，而吸气、排气、压缩冲程都是靠飞轮的惯性来完成的，故答案为：做功冲程。
11、【答案】0.05；10800
【解析】（1）四冲程汽油机的飞轮转速为2400r/min，则该飞轮每秒钟转40圈；
因为一个工作循环飞轮转2圈，所以飞轮转40圈，完成20个工作循环；
则完成一个工作循环需要的时间。
（2）总功：W=Pt=900W×60s=54000J，
∵效率为20%，
∴1min转化为机械能：W机械=Wη=54000J×20%=10800J。
12、【答案】20％
【解析】
三、实验探究题
13、【答案与解析】
（1）燃气对活塞的推力：F=pS
一次做功：W=FL=pSL=1.0×106 Pa×3.0×10-3 m2×0.06 m=180 J，
汽油机的功率：；
（2）每分钟汽油燃烧放出的热量：
机械效率：。
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）天然气完全燃烧放出的热量：Q放=Vq=1m3×3.2×107J/m3=3.2×107J；
（2）水吸收的热量：Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg?℃）×100kg×（50℃﹣20℃）=1.26×107J；
（3）燃气灶的效率：η=×100%=×100%≈40%。
答：（1）天然气完全燃烧放出的热量为3.2×107J；
（2）水吸收的热量为1.26×107J；
（3）该热水器工作时的效率是40%。