第十四章 内能与热机 整合拔尖-2025-2026学年上学期物理沪科版九年级全一册

第十四章　内能与热机 第十四章整合拔尖 考点一 热学图像 典例1　(2024·烟台)在探究“物质的吸热能力与哪些因素有关”的实验中,用质量是0.3kg的水和表中等质量的另一种物质进行对比,作出的图像如图所示｡实验过程中,水和另一种物质在相同时间内吸收的热量相等,分析图像可以得出图线　　　　(选填“a”或“b”)对应的物质为水,另一种物质为　　　　,这种物质在0~5min内吸收的热量为　　 　　J｡　 b 煤油 2.52×104 物　质 比热容c/[J·(kg·℃)-1] 水 4.2×103 酒精 2.4×103 煤油 2.1×103 蓖麻油 1.8×103 解析:时间相等时,两种物质吸收的热量相等,由图乙可以看出,a图线物质的温度升高得快,b图线物质温度升高得慢;由Q吸=cmΔt可知,在质量相等､初温相同､吸热也相同的情况下,温度升高快的物质比热容小,所以a图线物质比热容小,b图线物质的比热容大,即b图线对应的物质为水;由图可知,两种物质的初温都是20℃,水吸热5min后的末温是40℃,则水吸收的热量 Q水=c水m水(t水-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×0.3kg×(40℃-20℃)=2.52×104J,a物质吸热5min的末温是60℃,因为两种物质吸收的热量相等,所以Q水=Qa= cama(ta-t0)=ca×0.3kg×(60℃-20℃);解得ca=2.1×103J/(kg·℃),由表格可知,另一种物质为煤油;煤油在0~5min内吸收的热量Qa=2.52×104J｡ [跟踪训练] 1. 小丽用相同的电加热器分别对质量为0.2kg的水和0.3kg的另一种液体进行加热,得到的实验数据如图所示,则水在16min内吸收的热量为 　　 　　J,另一种液体的比热容为　　　 　J/(kg·℃)｡[c水= 4.2×103J/(kg·℃)] 2.52×104 1.4×103 解析:由图可知,水在0~16min内的初温t0=10℃,末温t=40℃,16min内水吸收的热量Q吸水=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×0.2kg×(40℃-10℃)= 2.52×104J;另一种液体加热8min吸收的热量Q吸=Q吸水=×2.52×104J= 1.26×104J;由Q吸=c液m液(t液-t液0)得1.26×104J=c液×0.3kg×(50℃-20℃),解得c液=1.4×103J/(kg·℃)｡ 考点二 　热学阅读 典例2　阅读短文,回答问题｡ 牛顿冷却定律 当一个物体表面温度比周围环境高时,就会向周围环境散热,散热快慢可以用单位时间内散失热量的多少来表示｡英国物理学家牛顿提出:物体散热快慢与物体和周围环境的温度差成正比｡后人研究发现,在温度差不太大的情况下(小于15℃),这个结论符合实际散热规律,称为牛顿冷却定律｡如果散热快慢用q表示,那么牛顿冷却定律可以表示为q=k(t物-t环),其中k是散热系数,与物体的表面性质､表面积､周围环境性质等因素有关,和 物质种类无关,如果上述因素相同,不同物质的散热系数就相同,由于不同物质的比热容不同,即使散热快慢相同,它们降低相同温度需要的时间也不同,根据降温时间可以得到两种物质比热容的大小关系,从而可以进行比热容的测量｡ (1) 物体向周围散热,内能减少,这种改变内能的方式叫做　　　　｡　 (2) 散热快慢q和下列概念中物理意义最接近的是　　　　(多选)｡　 A. 速度 B. 密度 C. 功率 D. 效率 (3) 一个物体温度为30℃,周围环境温度保持20℃不变,此时物体的散热快慢为q｡当物体温度降低到29℃时,散热快慢为　　　　｡　 热传递 AC q (4) 如图甲所示,用两个同样的保温杯分别装满水和盐水,水和盐水的温度都是30℃,周围环境温度保持20℃不变｡保温杯敞开口,水和盐水温度随时间变化的图像如图乙｡已知水的比热容为4.2×103J/(kg·℃),盐水的密度为1.1×103kg/m3,盐水的比热容为　　 　　J/(kg·℃)｡　 3.5×103 解析:(1) 物体向周围散热,物体的内能转移到周围温度较低的物体上,内能减小,这种改变内能的方式是热传递｡(2) q是表示散热快慢的物理量,速度是表示物体运动快慢的物理量,功率是表示做功快慢的物理量,这三者的物理意义最接近｡故选AC｡(3) 当物体的温度为30℃,周围环境温度为20℃时,根据牛顿冷却定律q=k(t物-t环)可得物体的散热系数k=== ,当物体温度降低到29℃时,散热快慢q'=k(t物'-t环)=×(29℃-20℃)= q｡(4) 水从30℃降到25℃放出的热量Q放=c水m水(t0水-t水)=c水ρ水V水× (30℃-25℃)=4.2×103J/(kg·℃)×1.0×103kg/m3×V水×5℃,盐水从30℃降 到25℃放出的热量Q放'=c盐水m盐水(t0盐水-t盐水)=c盐水ρ盐水V盐水×(30℃-25℃)= c盐水×1.1×103kg/m3×V盐水×5℃;由题图乙可知,水和盐水的降温时间分别为24min和22min,V水=V盐水,故它们放出的热量之比=,可求得盐水的比热容c盐水=3.5×103J/(kg·℃)｡ [跟踪训练] 2. 阅读短文,回答问题｡ 制 动 液 　　汽车制动液,如图甲所示,俗称刹车油｡汽车刹车时,驾驶 员踩踏板通过刹车管线内的制动液把压力传递到刹车块,刹 车块和车轮上的鼓轮摩擦,制止车轮转动｡制动时,因摩擦产 生的热量会使制动液温度升高｡如果温度过高,达到沸点,制动液就会产生大量气体,造成制动失灵｡制动液的沸点在遇潮吸水后会下降,因此国家规定制动液沸点不得低于140℃｡ (第2题甲) 　　要测量制动液的沸点,可以取适量制动液和一个质量为m1的铜块放入加热容器,加热至沸腾后,把铜块取出立即放入一个装有水的保温杯中,保温杯中水的质量为m2､温度为t1,等铜块和水的温度相同后,再测出水温t2｡若从取出铜块到测出水温过程散失的热量为Q,铜的比热容为c1,水的比热容为c2,就可以计算得到制动液的沸点｡ 　　如表所示为某种制动液的含水量和对应的沸点｡ 含水量/% 0 1 2 3 4 5 6 沸点/℃ 210 180 158 142 132 124 120 (1) 刹车时制动液温度会升高,这是通过　　　　的方式增加了制动液的内能｡　 (2) 制动液沸点的表达式为t=　　　　　　　　｡　 (3) 利用表格中给出的数据,在图乙坐标系中作出该制动液沸点与含水量的关系图像｡ (4) 当含水量增大到　 　　　时,这种制动液就必须更换｡ 热传递 +t2 3.2%(3.1%~3.3%之间) (3) 如图所示 解析:(1) 刹车制动时,刹车块和车轮上的鼓轮摩擦,摩擦生热,这是利用做功的方式改变了物体的内能｡热量传给制动液后,制动液温度升高,内能增大,这是利用热传递的方式改变了物体的内能｡(2) 水吸收的热量Q吸= c2m2·(t2-t1),铜块放出的热量Q放=c1m1(t-t2),Q放=Q吸+Q,c2m2(t2-t1)+Q=c1m1(t-t2),铜块的初温即制动液的沸点t=+t2｡(3) 根据表中数据在坐标系中描出相应的坐标点,用平滑的曲线连接即得沸点与含水量的关系图像｡(4) 观察图像可知,含水量大约为3.2%(3.1%~3.3%之间)时,制动液的沸点达到140℃,这种制动液就必须更换｡ 考点三 　热机及热机效率 典例3　(2024·广安)内燃机的发明是第二次工业革命中应用技术领域的一项重大成就｡如图所示为单缸四冲程汽油机的一个冲程示意图,若该汽油机的效率为30%,飞轮每分钟转动1800r(q汽油=4.6×107J/kg),则下列说法正确的是 (　　) A. 图中所示冲程是做功冲程 B. 若该汽油机完全燃烧5kg汽油,则汽油机做的有用功为6.9×107J C. 该汽油机在1s内做功30次 D. 汽油机消耗的燃料越少,效率一定越高 B 解析:由图可知,活塞向上运动,进气门和排气门都关闭,因此是压缩冲程,故A错误;完全燃烧5kg的汽油放出的热量Q放=mq汽油=5kg×4.6×107J/kg= 2.3×108J,由η=×100%可得,有用功W有=Q放η=2.3×108J×30%=6.9× 107J,故B正确;飞轮每转两圈对外做功一次,所以1min转动1800r,汽油机对外做功900次,则该汽油机1s内做功15次,故C错误;汽油机消耗的燃料越少,其效率不一定越高,故D错误｡ [跟踪训练] 3. 如图是新农村建设中广泛使用的一种小型农用柴油机,铭 牌部分信息如表所示,其中活塞行程是指一个冲程活塞移动 的距离｡该柴油机为单缸四冲程内燃机,压缩冲程中气缸内气 体内能增加是通过　　　　方式实现的;正常工作1min,柴油 机输出的有用功为　　 　　J,消耗柴油　　　　kg,做功冲程中燃气对活塞的平均压力为　　　　N｡(q柴油取4.0×107J/kg) 做功 (第3题) 4.8×105 0.03 4000 型　号 ✕✕ 活塞行程 100mm 转　速 2400r/min 输出功率 8kW 效　率 40% 解析:柴油机的压缩冲程中,活塞压缩气体做功,活塞的机械能转化为气缸内气体的内能;根据P=知柴油机输出的有用功W=Pt=8×103W×60s= 4.8×105J;根据效率公式η=×100%得柴油完全燃烧放出的热量Q放= ==1.2×106J;利用Q=mq知消耗柴油的质量m=== 0.03kg;飞轮每转两圈对外做功一次,所以飞轮1min转动2400r,要对外做功1200次,做一次的功W'===400J;做功冲程中燃气对活塞的平均压力F===4000N｡ 1 2 3 4 5 6 7 1. 易错题 (2023·营口)关于温度､内能､热量,下列说法正确的是 (　　) A. 温度高的物体含有的热量多 B. 物体吸收热量,温度一定升高 C. 气体膨胀对外做功,自身内能会减少 D. 热传递过程中,温度从高温物体传递给低温物体 C 解析:热量是一个过程量,不能说“含有”,A错误;物体吸收了热量,温度可能不变,比如晶体熔化时,不断吸收热量,但温度不变,B错误;气体膨胀对外做功后,自身的内能减少,温度降低,C正确;热传递过程中是热量从温度高的物体传递到温度低的物体,传递的不是温度,D错误｡ 对温度､内能､热量的区别和联系的认识 温度是一个状态量,不能“传递”和“转移”;内能是能量的一种形式,跟温度关系密切,也是一个状态量;热量反映了热传递过程中内能转移的多少,是内能转移的量度,是一个过程量,要用“吸收”或“放出”来表示,而不能说“具有”或“含有”｡ 1 2 3 4 5 6 7 2. 初温均为60℃的甲､乙两种液体在实验室自然冷却(m甲<m乙),两种液体每秒散出的热量相同,这两种液体的温度—散热时间的图线如图所示,下列说法中,正确的是 (　　) A. 第150s时两液体温度相同,内能一定相同 B. 甲液体第30s时的分子动能大于第6s时的分 子动能 C. 乙液体向周围空气传递了热量,说明乙液体 的内能比周围空气的内能大 D. 根据图中0~60s的图线及题中信息,可知甲液体的比热容比乙液体的大 D 1 2 3 4 5 6 7 解析:物体内能的大小与温度､质量､状态有关,故第150s时两液体温度相同,内能不一定相同,A错误;分子动能与分子运动的速度有关,由图可知,甲液体第30s时的温度小于第6s时的温度,因温度越高分子运动越剧烈,故甲液体第30s时的分子动能小于第6s时的分子动能,B错误;乙液体传递了热量给周围空气,说明乙液体的温度比周围空气的温度高,因物体内能的大小与温度､质量､状态有关,故不能说明乙液体的内能比周围空气的内能大,C错误;根据两种液体每秒放出的热量相同,据图中0~60s,甲､乙液体的温度—散热时间的图线重合,说明甲､乙液体放出相同的热量后降温相同, 因m甲<m乙,根据c=,甲的比热容大于乙的比热容,D正确｡ 1 2 3 4 5 6 7 3. 有质量相同､比热容不同､温度不同的甲､乙､丙三种液体,甲的温度是44℃,乙的温度是32℃,丙的温度是24℃,若将甲和乙混合后,温度为36℃;若将乙和丙混合后,温度为30℃;若将甲和丙混合后,温度为(不计热损失) (　　) A. 36℃ B. 34℃ C. 32℃ D. 30℃ A 1 2 3 4 5 6 7 解析:甲和乙混合时,甲液体放热,乙液体吸热,根据热平衡Q放=Q吸得,c甲m甲　(t甲-t1)=c乙m乙(t1-t乙),即c甲m甲×(44℃-36℃)=c乙m乙×(36℃-32℃),则c甲m甲=c乙m乙 ①;乙和丙混合时,乙液体放热,丙液体吸热,根据热平衡Q放'=Q吸'得,c乙m乙(t乙-t2)=c丙m丙(t2-t丙),即c乙m乙×(32℃-30℃)=c丙m丙×(30℃-24℃),则c丙m丙=c乙m乙 ②;甲和丙混合时,甲液体放热,丙液体吸热,设热平衡时的温度为t,根据热平衡Q放″=Q吸″得,c甲m甲(t甲-t)=c丙m丙(t-t丙),即c甲m甲× (44℃-t)=c丙m丙×(t-24℃) ③,将①②代入③中可得,c乙m乙(44℃-t)=c乙m乙(t-24℃),解得t=36℃,故A正确｡ 1 2 3 4 5 6 7 4. 如图所示,不旋转的铝件在强大压力作用下顶住高速旋转的铜件,通过 　　　　的方式使两者接触处温度急剧升高,内能增大,这样铜和铝接触处的分子相互渗透,由于分子间存在　　　　力的作用,两者紧密结合在一起,这就是先进的“旋转焊接”技术｡ 做功 引 1 2 3 4 5 6 7 解析:改变物体内能的方式有做功和热传递两种,铝件和铜件间是通过克服摩擦力做功的方式使两者接触处温度急剧升高的｡温度越高,分子运动越剧烈,铜和铝接触处的分子相互渗透,由于分子间引力使两者紧密结合在一起｡ 1 2 3 4 5 6 7 5. (2024·大庆)如图所示是一定质量的某种物质在熔化时温 度随时间变化的图像,则这种物质是　　 　　(选填“晶体” 或“非晶体”),在AB段物质处于　　　 　　(选填“固态” “液态”或“固液共存态”),t1时物质的内能　　 　　(选填“大 于”“小于”或“等于”)t2时物质的内能｡若相同时间内该物质吸收热量相等,由图像可知,这种物质液态时的比热容　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)固态时的比热容｡ 晶体 (第5题) 固液共存态 小于 大于 1 2 3 4 5 6 7 6. (2023·南充)某单缸四冲程汽油机,飞轮每分钟转3000转,则每秒对外做功　　　　次,每次对外做功115J,该汽油机的效率为25%,连续工作1h需消耗汽油　　　　kg(q汽油=4.6×107J/kg)｡ 25 0.9 解析:飞轮每转动两转,完成四个冲程,对外做功一次｡飞轮的转速n= =50r/s,每秒对外做功25次｡连续工作1h,飞轮对外做功W=115J×25× 3600=1.035×107J,消耗汽油放出的热量Q放===4.14×107J,消耗汽油的质量m===0.9kg｡ 1 2 3 4 5 6 7 7. 一块铅锡合金的比热容为0.16×103J/(kg·℃),已知铅的比热容是0.13×103J/(kg·℃),锡的比热容是0.22×103J/(kg·℃)｡问该合金中铅和锡的质量之比是多少? 解析:设合金质量为m､比热容为c;合金中铅的质量为m1､比热容为c1;锡的质量为m2､比热容为c2;合金升温为Δt｡合金吸热Q=cmΔt ①,铅吸热Q1= c1m1Δt ②,锡吸热Q2=c2m2Δt ③｡又因为质量关系为m=m1+m2 ④,热量关系为Q=Q1+Q2 ⑤,将①②③三式代入⑤式整理得cm=c1m1+c2m2 ⑥｡将④ 式代入⑥式得c(m1+m2)=c1m1+c2m2,则===｡该合金中铅､锡的质量之比为2∶1｡ 1 2 3 4 5 6 7 $$