第17讲 内能、核能的利用 能的转化与守恒
课标要求
考试细则
【课程内容】1.描述克服摩擦做功与物体内能改变的关系，知道改变内能的途径，知道用热量来量度内能的变化。2.通过实验了解比热容，尝试用比热容解释有关自然现象。3.能举例说明化学能与内能的转化，认识燃料的热值，说明生物体能量的来源和转化。4.以汽油机为主例，了解热机的工作原理，知道内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。5.知道核能及其应用，知道放射性的应用与防护。6.能举出能量的转化与转移有一定的方向性的实例。7.通过实例认识能的转化的普遍性。知道能量守恒定律，初步了解“永动机”是不可能实现的。【活动建议】1.探究改变物体内能的途径。2.观察化学反应中化学能与内能的转化。3.讨论人体能量来源及其转化。4.多媒体展示或网上查询链式反应和热核反应；查阅有关放射性发现的史料；查阅核反应堆、原子弹、氢弹发明的史料。
1.内能(1)理解热运动和内能的含义。(2)知道物体内大量分子无规则运动跟温度的关系。(3)会对内能和机械能进行区别。2.改变物体内能的方法(1)知道用热传递和做功的办法可以改变物体的内能。(2)知道用热传递和做功改变物体内能的机理。3.汽油机(1)说出汽油机的工作过程。(2)知道汽油机的能量转化。4.化学能(1)了解化学能。(2)了解燃料的燃烧值，并会简单计算。5.热量和比热容(1)理解比热容的概念。(2)会用比热容解释有关自然现象。(3)会用公式Q＝cm(t－t0)进行简单计算。6.能的转化和守恒定律(1)知道各种形式的能可以相互转化，并能举出实例。(2)知道能的转化和守恒定律。(3)能用简单事例解释能量的转化与传递有一定的方向性。7.通过对能的转化和守恒定律发现史的学习，领悟科学思想和科学精神。
1．热传递的概念与方式
(1)热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分的现象，叫作热传递。没有做功而使内能改变的物理过程叫作热传递。
(2)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
①
热传导——热量通过接触物体由高温部分向低温部分传递。
②
热对流——通过液体或气体(流体)自身的流动由高温部分向低温部分传递。
③
热辐射——热量不通过物体媒介，直接由高温物体发射到低温物体的传递。
(3)热传递的实质：热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。
(4)热传递具有方向性，热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。
2．热传递改变物体内能
(1)热传递使物体内能发生改变的实质是：同一种形式的能量(内能)发生了转移。其转移的规则是内能从高温物体转移到低温物体，或从物体的高温部分转移到低温部分。
(2)传递的热量与内能改变的关系
①
在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少，即ΔU＝Q吸。
②
在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少，即Q放＝－ΔU。
3．比热容的概念及其计算
(1)单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量叫作这种物质的比热容，简称比热。
比热容是通过比较单位质量的某种物质升温1℃时吸收的热量，来表示各种物质的不同性质。
(2)比热容的单位：在国际单位制中，比热容的单位是J/(kg·℃)，读作焦每千克摄氏度。
水的比热容是4.2×103J/(kg·℃)。它的物理意义是1千克水，温度升高1℃，吸收的热量是4.2×103焦耳。
单位质量的某种物质温度升高1℃吸收的热量和它温度降低1℃放出的热量相等，也是它的比热容。
(3)比热容表
比热容是物质的一种特性，各种物质都有自己的比热容。物理学中，常把由实验测定的物质的比热容，列成表格，便于查找。
物质
水
冰
酒精
煤油
蓖麻油
汞
比热容×103J/(kg·℃)
4.2
2.1
2.4
2.1
1.8
0.14
物质
铝
砂石
干泥土
铁、钢
铜
铅
比热容×103J/(kg·℃)
0.88
0.92
0.84
0.46
0.39
0.13
从表中还可以看出，各物质中，水的比热容最大。这就意味着，在同样受热或冷却的情况下，水的温度变化要小些。水的这个特征对气候的影响很大。在受太阳照射条件相同时，白天沿海地区比内陆地区升温慢，夜晚沿海地区温度降低也少。所以一天之中，沿海地区温度变化小，内陆地区温度变化大。在一年之中，夏季内陆比沿海炎热，冬季内陆比沿海寒冷。
(4)水比热容大的特点，在生产、生活中也经常利用。如汽车发动机、发电机等机器，在工作时要发热，通常要用循环流动的水来冷却。冬季也常用热水取暖。
4．内燃机的四个冲程
内燃机是热机的一种，是燃料在汽缸内燃烧的热机。内燃机分为汽油机和柴油机。
(1)汽油机的工作原理：燃料在汽缸中燃烧时，将存储的化学能转变为高温高压的燃气(蒸汽)的内能，又通过燃气(蒸汽)推动活塞做功，由内能转变为机械能。
(2)汽油机的工作流程：内燃机通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程不断循环来保证连续工作，如图：
①
吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入汽缸。
②
压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内燃料混合物，温度升高。
③
做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，高温高压气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。
④
排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。
(3)工作过程中能量的转化：①
压缩冲程：机械能→内能；②
做功冲程：先是化学能→内能，再由内能→机械能。
(4)柴油机是以柴油为燃料的内燃机，在工作时与汽油机工作原理相同。
区别：①
柴油机在吸气冲程里吸进汽缸的只有空气，而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物；②
柴油机在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很小，空气的压强更大，温度更高；③
点火方式：柴油机——压燃式；汽油机——点燃式。
5．核电站发电过程中的能量转化
(1)核电站中能量转化过程是：通过核反应堆把核能转化为内能，得到高温的水蒸气；利用水蒸气推动汽轮机转动，把内能又转化为机械能；汽轮机再带动发电机发电，得到电能。
(2)能量转化顺序为：核能→内能→机械能→电能。
1.
(2017杭州)将一高温物体与一低温物体接触达到相同温度(两物体与外界没有热量交换)，则有( B )
A．高温物体放出的热量一定大于低温物体吸收的热量
B．高温物体放出的热量一定等于低温物体吸收的热量
C．高温物体降低的温度一定大于低温物体升高的温度
D．高温物体降低的温度一定等于低温物体升高的温度
【试题解析】
将一高温物体与一低温物体接触达到相同温度，由于不知它们的初始温度，故无法判定温度的高低，故C、D错误；高温物体放出热量，低温物体吸收热量，放出的热量等于吸收的热量，故B正确，A错误。
【命题意图】
本题考查对温度、热量、内能的区分，要从宏观和微观两个角度的表现来认识：宏观的温度的升高是指微观的分子运动更剧烈；宏观的物态变化是指微观的分子间作用力变化；内能是指二者之和。理解热量是指在热传递过程中传递的能量，只有在热传递过程中才涉及热量。
2.
(2020·杭州)如图所示，一只瓶子内装一些铁屑。我们既可以通过振荡，也可以通过加热，使铁屑的温度升高，内能增大。从改变物体内能的方法来看，前者是通过__做功__方法，后者是通过__热传递__方法来增大铁屑的内能。如果你没有看到内能改变的过程，仅凭铁屑温度的改变，能否确定采用了什么方法改变了铁屑的内能？__不能__(填“能”或“不能”)，这是因为__二者效果相同__。
【试题解析】使铁屑内能增加的方法：①
用力晃动瓶子，对瓶子和铁屑做功，将机械能转化为内能，使铁屑的内能增加，温度升高；②
将装铁屑的瓶子加热，铁屑的温度升高，这是通过热传递的方式改变铁屑的内能。如果没有看到内能改变的过程，单凭铁屑温度的升高，不能判断出具体的方法，因为做功与热传递两种方法对改变物体的内能是等效的。
【命题意图】
本题考查了改变物体内能有两种方式，对物体做功，物体内能增加，温度升高；物体吸收热量，内能增加，温度升高。理解做功与热传递两种方法对改变物体的内能是等效的。
3.
(2019杭州)对于同一物态的某种物质，根据c＝得知( D )
A．比热容跟热量成正比
B．比热容跟质量成反比
C．比热容跟温度变化成反比
D．吸收或放出的热量跟质量与温度变化的乘积之比是个恒量
【试题解析】
比热容是物质的一种特性，是物质本身固有的属性。与物质的种类有关、与物质的状态有关。对同一物态的某种物质而言，吸收或放出的热量跟质量与温度的变化的乘积之比是一衡量，即比热容。故A、B、C不正确，D正确。
【命题意图】
此题通过定性思想考查学生对于比热容的理解，知道比热容只与物质的种类和状态有关，与其他因素无关。
4.
(2020·杭州)夏日晴朗的白天，在太阳光照射下，某海边城市陆地与海面之间空气流动示意图(图中箭头表示空气流动方向)如下所示，其中合理的是( A )
A.
B.
C.
D.
【试题解析】
因为水的比热容比泥土、沙石的比热容大，白天，太阳照射下陆地和海水吸收相同的热量，海水温度上升慢；陆地吸热后，温度上升快，热空气上升，空气从海洋吹向陆地，形成海风，高空的空气从陆地吹向海洋，故A图正确。
【命题意图】
本题主要考查学生对水的比热容较大的应用的了解和掌握，涉及海陆风的形成，根据水的比热容比泥土、沙石的比热容大的特点来分析海陆风和陆海风的形成过程，难度不大。
5.
(2017杭州)如图为汽油机工作过程中某一冲程的示意图，此冲程的名称及能量转化是( A )
A．压缩冲程，机械能转化为内能
B．压缩冲程，内能转化为机械能
C．做功冲程，机械能转化为内能
D．做功冲程，内能转化为机械能
【试题解析】
如图，进气门和排气门都是关闭的，活塞上行，因此是压缩冲程，压缩冲程中机械能转化为内能。
【命题意图】
本题考查了汽油机四冲程的判定方法和其中的能量转化。由进气门和排气门的关闭和打开情况、活塞的上行和下行情况来判断是哪个冲程。汽油机四个冲程中压缩冲程是机械能转化为内能，做功冲程是内能转化为机械能，排气和吸气冲程没有能的转化。
6.
如图为核电站发电流程图。在核电站发电过程中，从核能到电能，图中所示的转化顺序正确的是( A )
A．核能→内能→机械能→电能
B．核能→化学能→机械能→电能
C．核能→机械能→内能→电能
D．核能→内能→化学能→电能
【试题解析】
根据核电站的发电过程可知，核能发电的能量传递和转化过程是：核能→水和蒸汽的内能→发电机转子的机械能→电能。
【命题意图】
此题考查核电站的工作原理和核电站发电过程中的能量转化。核电站的核心是核反应堆，它以铀为燃料，在裂变过程中释放出核能，再通过热交换器变为高温高压的蒸汽，然后利用蒸汽去驱动蒸汽轮机，蒸汽轮机的旋转带动发电机发电。第
17讲 内能、核能的利用 能的转化与守恒
1．下列事例中，改变物体内能的途径与其他三项不同的是( )
A.柴火烧水
B.压缩空气发热
C.冬天搓手取暖
D.钻木取火
2．用两块铜片、热电偶、电动机(带风扇)组成一个电路，铜片1插在90
℃热水中，铜片2放在空气中，如图所示，半分钟左右风扇发生转动，这就是温差发电现象。有关该实验过程的说法，正确的是( )
A．温差发电的实质是内能转化为电能
B．温差发电不遵守能量守恒定律
C．热水的内能全部转化成风扇的机械能
D．两块铜片有温度差，风扇就会转
3．关于核电站、能量和能源，下列说法正确的是( )
A．目前人类已建成的核电站，都是利用核聚变发电
B．核电站的核废料可以直接堆放在露天垃圾场
C．所有能量转化和转移过程，都遵循能量守恒定律
D．能量在转化和转移中总是可逆的
4．如图为一种自热火锅的构件图。该自热火锅的发热包内有铁粉、铝粉、炭粉、生石灰等物质，将发热包放到水中，会放出大量的热。有关该自热火锅的说法不合理的是( )
A．生石灰与水反应，会放出大量的热
B．设计出气孔的目的是避免使用时盒内气压过高
C．遇水能放出热量的物质都能作为发热包的内容物
D．使用过的发热包即使干燥后也不能重复使用
5．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
6．如图是某科技馆的一台“永动机”。由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，进入热水后因叶片伸展“划水”而转动，离开热水后叶片形状迅速复原。关于该“永动机”的说法正确的是( )
A．科技发展制造出了永动机
B．转动会使水温升得更高
C．记忆合金是一种新型化合物
D．水的内能转化为转轮的机械能
7．如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析正确的是( )
8．2018年3月2日，电影《厉害了，我的国》在全国各大影院火爆上映。特别是作为大国工程“一带一路”国家名片的“华龙一号”核电机组(如图)，代表创新成果的人造太阳，在影片中亮相，再次彰显了大国实力。下列关于“华龙一号”核电中核能的说法正确的是( )
A．核能直接转化为电能
B．该原理与太阳释放能量的原理相同
C．利用核裂变原理
D．核能是原子内部的化学反应释放出来的能量
9．为缓解电力紧张的状况，我国陆续建造了一些核电站。关于核电站，下列说法正确的是( )
A．核反应堆中发生的是核聚变
B．核电站使用的核燃料是石油或天然气
C．放射性元素放出的射线有α射线、β射线和γ射线
D．核电站发电的能量转化过程是：核能－机械能－内能－电能
10．我市准备在2018年在苍南建设核电站。
(1)获得核能的途径是通过核反应进行的，如图为核反应示意图，根据示意图判断该反应为____(填“核裂变”或“核聚变”)。
(2)对于建设核电站，存在很多争议。下列支持核能发电的观点的是____(可多选)。
A．核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，不会造成空气污染
B．核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳
C．核反应制造医用同位素，利用反射性射线可以提供很多疾病的诊断方法
D．废电池核废料中不能被完全用尽的核物质仍具有极强的放射性，且具有残留时间长、毒性剧烈的特点
E．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。
11．众所周知，爱因斯坦是一位伟大的理论科学家，他曾发明过“环保”不耗电的电冰箱。这种电冰箱内部有一种小型的浸入式致冷器，它能浸在需要冷却的液体中。这种电冰箱根本不需要常规电源，它的运行仅靠水龙头的压力，带动一台射水泵，从而在一个气室内产生真空，水和少量甲醇则在此处化为蒸气。管中甲醇会慢慢用完，但是这种液体不仅价格便宜，而且很容易弄到。这种冰箱在工作时，被冷却的液体内能____(填“增大”或“减小”)。你认为这种不用电的冰箱____(填“遵守”或“不遵守”)能量守恒定律。
爱因斯坦不耗电电冰箱示意图
12．2019年新春，改编自刘慈欣的同名小说《流浪地球》上映获大家追捧。剧中人类造出了庞大的行星发动机——高度达11千米，比珠穆朗玛峰还高2.2千米的重聚变发动机。每台发动机能提供150亿吨的推力，而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万两千台，如此大的动力方可在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度，即16.7公里/秒，这个速度相当于复兴号列车速度的200倍。阅读材料，并联系学过的知识回答下列问题：
(1)太阳释放出的巨大能量来自于太阳内部的____(填“核聚变”或“核裂变”)反应。
(2)根据材料可知，复兴号列车速度为____千米/时。
13．热机发明后，一直在持续的改进和发展中。
材料一：1769年，法国人居纽制造出蒸汽机推动的三轮汽车(图甲)，传统蒸汽机的燃料在汽缸外部燃烧(图乙)，热效率为5%～8%之间。
甲
乙
丙
材料二：1862年，法国人德罗夏提出内燃机(内燃指燃料在汽缸内燃烧)的四冲程循环理论：①
汽缸的向外运动造成的真空将混合气体燃料吸入汽缸；②
通过汽缸的向内运动对进入汽缸里的燃料进行压缩；③
高压燃烧气体产生巨大爆发力；④
将已经燃烧的废气从汽缸中排出。
材料三：1876年，德国人奥托制造出以四冲程为依据的煤气内燃机，利用飞轮的惯性使四冲程自动实现循环往复，内燃机的效率达到14%。
(1)四冲程循环理论提及的“巨大爆发力”由图中的____冲程实现。
A
B
C
D
(2)德罗夏提到的内燃方式是基于____的猜想；
(3)老师在重复演示“做功改变内能”实验(图丙)时，需在拔出活塞后将厚玻璃筒甩几下，其目的与内燃机的____(填“吸气”“压缩”“做功”或“排气”)冲程的原理相似。
14．大家都知道：“摩擦生热”。那摩擦做功与生热之间存在怎样的关系？焦耳等科学家运用多种方法、不同实验，测出做功(W)和做功产生的热(Q)两者之间的比值关系。其中最经典的是1847年焦耳设计的桨叶轮实验：如图甲，在一个装满水的绝热桶里放入铜制的翼轮，多次用下落的重物带动翼轮上的叶片转动，转动的叶片与水摩擦，产生的热使水的温度升高。焦耳通过测量____和重物下落的距离，计算出重物做的功，即翼轮克服水的摩擦所做的功(W)；测量绝热桶中水升高的温度，从而计算出水吸收的热(Q)。
(1)焦耳做这个实验的目的是____。
(2)小柯利用刻度尺、温度计、天平、双层真空平底圆柱体保温杯、水等器材，粗略测量做功和做功产生的热之间的比值关系。具体方案是：
①
用刻度尺测量空保温杯内部高度，记为h杯。
②
用天平称量一定质量的水，记为m水，用温度计测出水的温度，记为t1。
③
将水倒入保温杯中，测量杯中水的高度，记为h水。计算出h杯－h水，这也就是杯中水下落的高度。
④
在保温杯盖子上安装一支分度值为0.1
℃的温度计(连接处密闭绝热)，盖紧保温杯，如图乙。
⑤
__(填写操作)，计算出水的重力所做的功(W)。
⑥
测出杯中水的温度，记为t2，计算出水吸收的热(Q)。
⑦
根据⑤⑥数据，得出两者的比值关系。
15．在探究“比较不同物质吸热能力”的实验中，用铁夹将温度传感器及分别盛有水和色拉油的两个试管固定在铁架台上，温度传感器的探头部分与试管内的水和色拉油良好接触，两只温度传感器通过数据采集线与计算机相连接，如图所示。
(1)试管中加入的水和色拉油除初温相同外，还应保证____(填“体积”或“质量”)相同。
(2)实验中物质吸热的多少是通过____来反映的。
(3)由于没有直接测量比热容的仪器，因此这个实验是通过观察____的变化来比较比热容的大小。
物质
质量/g
初始温度/℃
加热时间/min
末温/℃
水
200
20
6
45
色拉油
200
20
6
75
(4)根据表中数据算出加热6min水吸收的热量为____J。
(5)色拉油的比热容是____J/(kg·℃)(用科学记数法表示并精确到小数点后一位)
16．英国物理学家斯特林于1816年发明了“斯特林发动机”。斯特林发动机汽缸内工作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀，冷却压缩的循环过程输出动力，因此又被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设计了如图甲所示的模型机，工作过程中飞轮持续旋转如图乙。请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理。
17．排球充气后，让排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度。
(1)解释整个过程中能量是否守恒。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，速度v与形变大小ΔV之间的关系大致如图，请说明该过程中，排球受力情况与机械能变化的关系。
18．2019年5月6日，聊城首批30辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是21世纪最理想的能源，[c水＝4.2×103
J/(kg·℃)；q氢＝1.4×108J/kg]求：
(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量；
(2)若这些热量全部被质量为200kg，温度为15
℃的水吸收，则水升高的温度；
(3)某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。
1．关于物体的内能，下列说法正确的是( )
A．物体的内能增加，可能是从外界吸收了热量
B．0
℃的冰熔化成0
℃的水内能不变
C．汽油机的压缩冲程是把内能转化为机械能
D．热量总是从内能大的物体向内能小的物体转移
2．如图，烧瓶内水上方存在着水蒸气，瓶口用软木塞塞住，用小打气筒缓慢向瓶内加压，达到一定程度时塞子跳起来，瓶内出现白雾。下列说法正确的是( )
A．瓶内出现白雾，是因为瓶子外部温度低
B．出现白雾的过程是一个吸热的物态变化过程
C．该实验能说明气体膨胀对外做功，内能减小
D．这个实验展示了蒸汽机的工作原理
3．某工人在野外施工，需要将质量为4.2kg、初温为10
℃的铝合金工件升高一定的温度，除了保温瓶中尚存的温度为90
℃的1.2kg热水外，无其他热源。工人将热水分成5等份，将铝合金工件依次放入这5份热水中(每次热传递完全)，放入第四份热水前，铝合金工件的温度为[已知铝合金的比热容为0.88×103J/
(kg·℃)，不计工件与热水向周围环境传递热量。]( )
A．47.7
℃
B．51.2
℃
C．59.5
℃
D．66.0
℃
4．据新华社报道，2017年7月5日中国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造世界新纪录。
(1)在上亿度的高温状态下，物质呈现等离子态，它们可以被磁场约束。东方超环就是利用通过强大电流所产生的强大____把等离子体约束。
(2)如图乙是东方超环的热核反应示意图，属于____(填“核聚变”或“核裂变”)。
(3)东方超环的反应原理与太阳类似，能量转化是原子核能转化为____。
5．在如图所示的“汽油机模型”实验中，厚壁有机玻璃圆筒内底装有两根与静电起电机相连接的放电针。
(1)将适量的汽油喷入筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电机。如果观察到放电针放电，汽油燃烧，软木塞被高温高压的气体____，即可模拟四冲程汽油机工作时的____冲程。
(2)实验时若发现点火装置不能工作，可用火柴替代放电针。为了点燃圆筒内的火柴，可用____会聚太阳光使其燃着。
6．甲图是生活中常用的热水器，当注入一定量的热水后，立即盖上软木塞，有时软木塞会跳起来，这一过程瓶内气体通过____改变了内能。乙图是四冲程汽油机的工作示意图，其中____图所示的冲程也发生同样的能量转化。
7．如图所示，把一个薄壁金属管固定在支座上，管中装一些酒精，然后用塞子塞紧。把一根粗糙的皮条缠在管子上，并迅速来回拉动皮条，过一会儿，会看到塞子“呯”的一声被冲开，而且管口还会出现“白雾”。请你解释其中的道理。
8．为了比较甲乙两种液体的吸热能力，某同学设计了以下实验：
a．在两个同样的烧杯中，分别装入等体积的甲乙两种液体
b．用温度计分别测出甲乙两种液体的初温
c．在两个烧杯中分别装入功率相同的电热器，且加热时间相同
d．用温度计分别测出甲乙两种液体的末温
请解答下列问题：
(1)在上述a、b、c、d四个实验步骤中，存在错误的是步骤____(填写步骤前的字母)，该步骤中错误的内容应改为____；
(2)步骤c中“加热时间相同”是为了使甲乙两种液体____；
(3)如图是甲乙两种液体的温度随时间变化的关系图像。若将液体甲和液体乙加热相同的时间，则液体____温度升高得快，甲乙两种液体的比热容的大小关系是c甲____c乙。
9．认识自然，亲近自然，学校组织学生到桐洲岛进行社会实践活动，小明携带一个质量为1kg的合金锅、一台如图所示的便携式丁烷气炉(内置一瓶新的燃气，参数如表格所示)，爱探究的小明通过手机上网查到便携式燃气炉的热效率为30%，丁烷气体的燃烧效率为90%，野炊地水的沸点为100
℃，测出当地水的温度为20
℃。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，锅的比热容为0.8×103J/(kg·℃)]
品名
便携式丁烷气炉
质量
1.88kg(不含气瓶)
型号
WZL?168?A
尺寸
343×284×113mm
用途
野外用
点火方式
电子点火
使用燃气
液化丁烷气
燃气消耗量
150g/h(最大火力时)
气瓶规格(尺寸/容量)
品名
总质量
净质量
主要成分
热值
神州
354g
250g
丁烷
9×107
J/kg
(1)完全燃烧0.1kg的丁烷气体可以放出多少焦耳的热量？
(2)需多少焦耳的热量，才能使2kg的水温度升高50
℃？
(3)如果燃气炉以最大火力工作，一瓶燃气最多能持续燃烧1.4h，这样能够把质量为多少千克的水烧开？(最后结果保留1位小数)第
17讲 内能、核能的利用 能的转化与守恒
1．下列事例中，改变物体内能的途径与其他三项不同的是( A )
A.柴火烧水
B.压缩空气发热
C.冬天搓手取暖
D.钻木取火
2．用两块铜片、热电偶、电动机(带风扇)组成一个电路，铜片1插在90
℃热水中，铜片2放在空气中，如图所示，半分钟左右风扇发生转动，这就是温差发电现象。有关该实验过程的说法，正确的是( A )
A．温差发电的实质是内能转化为电能
B．温差发电不遵守能量守恒定律
C．热水的内能全部转化成风扇的机械能
D．两块铜片有温度差，风扇就会转
3．关于核电站、能量和能源，下列说法正确的是( C )
A．目前人类已建成的核电站，都是利用核聚变发电
B．核电站的核废料可以直接堆放在露天垃圾场
C．所有能量转化和转移过程，都遵循能量守恒定律
D．能量在转化和转移中总是可逆的
4．如图为一种自热火锅的构件图。该自热火锅的发热包内有铁粉、铝粉、炭粉、生石灰等物质，将发热包放到水中，会放出大量的热。有关该自热火锅的说法不合理的是( C )
A．生石灰与水反应，会放出大量的热
B．设计出气孔的目的是避免使用时盒内气压过高
C．遇水能放出热量的物质都能作为发热包的内容物
D．使用过的发热包即使干燥后也不能重复使用
5．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( B )
A．甲是冰块
B．乙吸收热量
C．甲内能增加
D．乙内能减少
6．如图是某科技馆的一台“永动机”。由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，进入热水后因叶片伸展“划水”而转动，离开热水后叶片形状迅速复原。关于该“永动机”的说法正确的是( D )
A．科技发展制造出了永动机
B．转动会使水温升得更高
C．记忆合金是一种新型化合物
D．水的内能转化为转轮的机械能
7．如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析正确的是( C )
8．2018年3月2日，电影《厉害了，我的国》在全国各大影院火爆上映。特别是作为大国工程“一带一路”国家名片的“华龙一号”核电机组(如图)，代表创新成果的人造太阳，在影片中亮相，再次彰显了大国实力。下列关于“华龙一号”核电中核能的说法正确的是( C )
A．核能直接转化为电能
B．该原理与太阳释放能量的原理相同
C．利用核裂变原理
D．核能是原子内部的化学反应释放出来的能量
9．为缓解电力紧张的状况，我国陆续建造了一些核电站。关于核电站，下列说法正确的是( C )
A．核反应堆中发生的是核聚变
B．核电站使用的核燃料是石油或天然气
C．放射性元素放出的射线有α射线、β射线和γ射线
D．核电站发电的能量转化过程是：核能－机械能－内能－电能
10．我市准备在2018年在苍南建设核电站。
(1)获得核能的途径是通过核反应进行的，如图为核反应示意图，根据示意图判断该反应为__核裂变__(填“核裂变”或“核聚变”)。
(2)对于建设核电站，存在很多争议。下列支持核能发电的观点的是__ABCE__(可多选)。
A．核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，不会造成空气污染
B．核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳
C．核反应制造医用同位素，利用反射性射线可以提供很多疾病的诊断方法
D．废电池核废料中不能被完全用尽的核物质仍具有极强的放射性，且具有残留时间长、毒性剧烈的特点
E．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便。
11．众所周知，爱因斯坦是一位伟大的理论科学家，他曾发明过“环保”不耗电的电冰箱。这种电冰箱内部有一种小型的浸入式致冷器，它能浸在需要冷却的液体中。这种电冰箱根本不需要常规电源，它的运行仅靠水龙头的压力，带动一台射水泵，从而在一个气室内产生真空，水和少量甲醇则在此处化为蒸气。管中甲醇会慢慢用完，但是这种液体不仅价格便宜，而且很容易弄到。这种冰箱在工作时，被冷却的液体内能__减小__(填“增大”或“减小”)。你认为这种不用电的冰箱__遵守__(填“遵守”或“不遵守”)能量守恒定律。
爱因斯坦不耗电电冰箱示意图
12．2019年新春，改编自刘慈欣的同名小说《流浪地球》上映获大家追捧。剧中人类造出了庞大的行星发动机——高度达11千米，比珠穆朗玛峰还高2.2千米的重聚变发动机。每台发动机能提供150亿吨的推力，而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万两千台，如此大的动力方可在5年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度，即16.7公里/秒，这个速度相当于复兴号列车速度的200倍。阅读材料，并联系学过的知识回答下列问题：
(1)太阳释放出的巨大能量来自于太阳内部的__核聚变__(填“核聚变”或“核裂变”)反应。
(2)根据材料可知，复兴号列车速度为__300.6__千米/时。
13．热机发明后，一直在持续的改进和发展中。
材料一：1769年，法国人居纽制造出蒸汽机推动的三轮汽车(图甲)，传统蒸汽机的燃料在汽缸外部燃烧(图乙)，热效率为5%～8%之间。
甲
乙
丙
材料二：1862年，法国人德罗夏提出内燃机(内燃指燃料在汽缸内燃烧)的四冲程循环理论：①
汽缸的向外运动造成的真空将混合气体燃料吸入汽缸；②
通过汽缸的向内运动对进入汽缸里的燃料进行压缩；③
高压燃烧气体产生巨大爆发力；④
将已经燃烧的废气从汽缸中排出。
材料三：1876年，德国人奥托制造出以四冲程为依据的煤气内燃机，利用飞轮的惯性使四冲程自动实现循环往复，内燃机的效率达到14%。
(1)四冲程循环理论提及的“巨大爆发力”由图中的__C__冲程实现。
A
B
C
D
(2)德罗夏提到的内燃方式是基于__燃料在汽缸内燃烧，热量损失少，热效率高__的猜想；
(3)老师在重复演示“做功改变内能”实验(图丙)时，需在拔出活塞后将厚玻璃筒甩几下，其目的与内燃机的__排气__(填“吸气”“压缩”“做功”或“排气”)冲程的原理相似。
14．大家都知道：“摩擦生热”。那摩擦做功与生热之间存在怎样的关系？焦耳等科学家运用多种方法、不同实验，测出做功(W)和做功产生的热(Q)两者之间的比值关系。其中最经典的是1847年焦耳设计的桨叶轮实验：如图甲，在一个装满水的绝热桶里放入铜制的翼轮，多次用下落的重物带动翼轮上的叶片转动，转动的叶片与水摩擦，产生的热使水的温度升高。焦耳通过测量__所挂重物的重力__和重物下落的距离，计算出重物做的功，即翼轮克服水的摩擦所做的功(W)；测量绝热桶中水升高的温度，从而计算出水吸收的热(Q)。
(1)焦耳做这个实验的目的是__研究摩擦做功和产生热量的关系__。
(2)小柯利用刻度尺、温度计、天平、双层真空平底圆柱体保温杯、水等器材，粗略测量做功和做功产生的热之间的比值关系。具体方案是：
①
用刻度尺测量空保温杯内部高度，记为h杯。
②
用天平称量一定质量的水，记为m水，用温度计测出水的温度，记为t1。
③
将水倒入保温杯中，测量杯中水的高度，记为h水。计算出h杯－h水，这也就是杯中水下落的高度。
④
在保温杯盖子上安装一支分度值为0.1
℃的温度计(连接处密闭绝热)，盖紧保温杯，如图乙。
⑤
__将保温杯慢慢上下翻转多次(n次)(填写操作)，计算出水的重力所做的功(W)。
⑥
测出杯中水的温度，记为t2，计算出水吸收的热(Q)。
⑦
根据⑤⑥数据，得出两者的比值关系。
15．在探究“比较不同物质吸热能力”的实验中，用铁夹将温度传感器及分别盛有水和色拉油的两个试管固定在铁架台上，温度传感器的探头部分与试管内的水和色拉油良好接触，两只温度传感器通过数据采集线与计算机相连接，如图所示。
(1)试管中加入的水和色拉油除初温相同外，还应保证__质量__(填“体积”或“质量”)相同。
(2)实验中物质吸热的多少是通过__加热时间__来反映的。
(3)由于没有直接测量比热容的仪器，因此这个实验是通过观察__温度__的变化来比较比热容的大小。
物质
质量/g
初始温度/℃
加热时间/min
末温/℃
水
200
20
6
45
色拉油
200
20
6
75
(4)根据表中数据算出加热6min水吸收的热量为__2.1×104__J。
(5)色拉油的比热容是__1.9×103__J/(kg·℃)(用科学记数法表示并精确到小数点后一位)
16．英国物理学家斯特林于1816年发明了“斯特林发动机”。斯特林发动机汽缸内工作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀，冷却压缩的循环过程输出动力，因此又被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设计了如图甲所示的模型机，工作过程中飞轮持续旋转如图乙。请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理。
解：根据图示可知，酒精灯加热将化学能转化为内能，热汽缸中的工作物质吸热汽化膨胀，推动活塞A向右运动做功，将内能转化为机械能：由于飞轮具有惯性，带动活塞A向左运动，活塞A将汽缸中的工作物质推入冷汽缸并液化，活塞B又将物质推回热汽缸。如此反复。
17．排球充气后，让排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度。
(1)解释整个过程中能量是否守恒。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，速度v与形变大小ΔV之间的关系大致如图，请说明该过程中，排球受力情况与机械能变化的关系。
解：(1)整个过程中能量守恒。排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度，是因为由于空气的摩擦，有一部分机械能逐渐转化为内能，但能量的总量是守恒的。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，受到重力和地面给予的弹力的作用，开始时重力大于弹力，速度逐渐增大；当重力等于弹力时，速度达到最大值；最后重力小于弹力，速度逐渐减小，直至速度为零。整体过程中可以认为是动能转化为排球的弹性势能。
18．2019年5月6日，聊城首批30辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是21世纪最理想的能源，[c水＝4.2×103
J/(kg·℃)；q氢＝1.4×108J/kg]求：
(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量；
(2)若这些热量全部被质量为200kg，温度为15
℃的水吸收，则水升高的温度；
(3)某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。
解：(1)0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量：Q＝mq＝0.3kg×1.4×108J/kg＝4.2×107J；
(2)水吸收的热量：Q吸＝Q放＝4.2×107J，
由Q吸＝cmΔt得水升高温度：
Δt＝＝＝50
℃；
(3)公交车所做的功：W＝Q放＝4.2×107J，
由P＝得公交车行驶时间：
t＝＝＝300s。
1．关于物体的内能，下列说法正确的是( A )
A．物体的内能增加，可能是从外界吸收了热量
B．0
℃的冰熔化成0
℃的水内能不变
C．汽油机的压缩冲程是把内能转化为机械能
D．热量总是从内能大的物体向内能小的物体转移
2．如图，烧瓶内水上方存在着水蒸气，瓶口用软木塞塞住，用小打气筒缓慢向瓶内加压，达到一定程度时塞子跳起来，瓶内出现白雾。下列说法正确的是( C )
A．瓶内出现白雾，是因为瓶子外部温度低
B．出现白雾的过程是一个吸热的物态变化过程
C．该实验能说明气体膨胀对外做功，内能减小
D．这个实验展示了蒸汽机的工作原理
3．某工人在野外施工，需要将质量为4.2kg、初温为10
℃的铝合金工件升高一定的温度，除了保温瓶中尚存的温度为90
℃的1.2kg热水外，无其他热源。工人将热水分成5等份，将铝合金工件依次放入这5份热水中(每次热传递完全)，放入第四份热水前，铝合金工件的温度为[已知铝合金的比热容为0.88×103J/
(kg·℃)，不计工件与热水向周围环境传递热量。]( B )
A．47.7
℃
B．51.2
℃
C．59.5
℃
D．66.0
℃
【解析】
将1.2kg热水分成5等份，每份质量m0＝0.24kg，第一次使热水与构件达到热平衡的过程中：
Q1＝c0m0(t－t1)，Q1′＝cm(t1－t0)
不计工件与热水向周围环境传递热量，热传递完全后，则Q1＝Q1′
所以，c0m0(t－t1)＝cm(t1－t0)
即：4.2×103J/(kg·℃)×0.24kg×(90℃－t1)＝0.88×103J/(kg·℃)×4.2kg×(t1－10℃)
解得：t1≈27.1℃，
同理：t2≈40.6℃，t3≈51.2℃；t4≈59.5℃；t5≈66.0℃。
则放入第四份热水前，铝合金工件的温度为t3≈51.2℃。
4．据新华社报道，2017年7月5日中国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造世界新纪录。
(1)在上亿度的高温状态下，物质呈现等离子态，它们可以被磁场约束。东方超环就是利用通过强大电流所产生的强大__磁场__把等离子体约束。
(2)如图乙是东方超环的热核反应示意图，属于__核聚变__(填“核聚变”或“核裂变”)。
(3)东方超环的反应原理与太阳类似，能量转化是原子核能转化为__内能__。
5．在如图所示的“汽油机模型”实验中，厚壁有机玻璃圆筒内底装有两根与静电起电机相连接的放电针。
(1)将适量的汽油喷入筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电机。如果观察到放电针放电，汽油燃烧，软木塞被高温高压的气体__冲出__，即可模拟四冲程汽油机工作时的__做功__冲程。
(2)实验时若发现点火装置不能工作，可用火柴替代放电针。为了点燃圆筒内的火柴，可用__凸透镜或凹面镜__会聚太阳光使其燃着。
6．甲图是生活中常用的热水器，当注入一定量的热水后，立即盖上软木塞，有时软木塞会跳起来，这一过程瓶内气体通过__做功__改变了内能。乙图是四冲程汽油机的工作示意图，其中__B__图所示的冲程也发生同样的能量转化。
7．如图所示，把一个薄壁金属管固定在支座上，管中装一些酒精，然后用塞子塞紧。把一根粗糙的皮条缠在管子上，并迅速来回拉动皮条，过一会儿，会看到塞子“呯”的一声被冲开，而且管口还会出现“白雾”。请你解释其中的道理。
答：拉动绕在管上的绳子，绳子会对管子做功，管子温度会升高，内能会增大；因管子与酒精会有温度差，所以管子会把热量传递给酒精，酒精的温度也会升高，酒精的内能增加，最终气体的内能会转换为塞子的机械能，会看到塞子跳起来；受温度降低的影响，瓶口周围的酒精蒸气液化成小液滴飘散在空中，就是我们看到的白雾。
8．为了比较甲乙两种液体的吸热能力，某同学设计了以下实验：
a．在两个同样的烧杯中，分别装入等体积的甲乙两种液体
b．用温度计分别测出甲乙两种液体的初温
c．在两个烧杯中分别装入功率相同的电热器，且加热时间相同
d．用温度计分别测出甲乙两种液体的末温
请解答下列问题：
(1)在上述a、b、c、d四个实验步骤中，存在错误的是步骤__a__(填写步骤前的字母)，该步骤中错误的内容应改为__装入等质量的甲、乙液体__；
(2)步骤c中“加热时间相同”是为了使甲乙两种液体__吸收的热量相同__；
(3)如图是甲乙两种液体的温度随时间变化的关系图像。若将液体甲和液体乙加热相同的时间，则液体__甲__温度升高得快，甲乙两种液体的比热容的大小关系是c甲____c乙。
【解析】
(1)依题意，比较甲乙两种液体的吸热能力，根据吸收热量的公式Q＝cmΔt可知，实验需要采用控制变量法，控制甲、乙的质量，故在两个同样的烧杯中，分别装入等体积的甲乙两种液体是不合理的，应当装入等质量的甲、乙液体，所以步骤a错误；
(2)吸收热量的多少可以用加热时间的长短来体现出来，相同的热源在相同的时间内放出的热量相等，为了比较两种液体的吸热能力，应当控制加热时间，所以步骤c加热时间相同是为了使两种液体吸收相等的热量。
(3)甲、乙两种液体质量和初温都相同，观察图像可知：在相同时间内温度变化较大的是甲；
因使用的是相同的“电热器”加热，所以在相同时间内甲乙两种液体吸收的热量相同；
根据c＝可知，在两种液体质量相等，吸收的热量相同时，升高温度越大，它的比热容就越小。
所以c甲＜c乙。
9．认识自然，亲近自然，学校组织学生到桐洲岛进行社会实践活动，小明携带一个质量为1kg的合金锅、一台如图所示的便携式丁烷气炉(内置一瓶新的燃气，参数如表格所示)，爱探究的小明通过手机上网查到便携式燃气炉的热效率为30%，丁烷气体的燃烧效率为90%，野炊地水的沸点为100
℃，测出当地水的温度为20
℃。[水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，锅的比热容为0.8×103J/(kg·℃)]
品名
便携式丁烷气炉
质量
1.88kg(不含气瓶)
型号
WZL?168?A
尺寸
343×284×113mm
用途
野外用
点火方式
电子点火
使用燃气
液化丁烷气
燃气消耗量
150g/h(最大火力时)
气瓶规格(尺寸/容量)
品名
总质量
净质量
主要成分
热值
神州
354g
250g
丁烷
9×107
J/kg
(1)完全燃烧0.1kg的丁烷气体可以放出多少焦耳的热量？
(2)需多少焦耳的热量，才能使2kg的水温度升高50
℃？
(3)如果燃气炉以最大火力工作，一瓶燃气最多能持续燃烧1.4h，这样能够把质量为多少千克的水烧开？(最后结果保留1位小数)
解：(1)完全燃烧0.1kg的丁烷气体可以放出的热量：
Q放＝mq＝0.1kg×9×107J/kg＝9×106J；
(2)使2kg的水温度升高50
℃吸收的热量：
Q吸1＝c1m1Δt＝4.2×103J/(kg·℃)×2kg×50℃＝4.2×105J；
(3)燃气炉以最大火力工作时，燃气消耗的质量为m′气＝150g/h×1.4h＝210g＝0.21kg，
由题知，丁烷气体的燃烧效率为90%，则燃气燃烧时所放出的热量：
Q1＝Q′放×90%＝m′气q×90%＝0.21kg×9×107J/kg×90%＝1.701×107
J，
又知道便携式燃气炉将其燃气燃烧所放出能量的30%供给水加热，则水吸收的热量：
Q2＝Q1×30%＝1.701×107J×30%＝5.103×106J，
由Q吸＝cmΔt得能烧开水的质量：
m水＝
＝
≈15.2kg。
