第十四章 第3节 热机的效率-【拔尖特训】2025-2026学年新教材九年级全一册物理(人教版2024)

18 第3节　热机的效率 ▶ “答案与解析”见P7 1. “长征五号”系列运载火箭为“天问 一号”“嫦娥五号”等多项重要航天 器发射任务立下了汗马功劳。“长 征五号”系列运载火箭采用液氧和液氢作为 燃料,燃料燃烧后放出的热量多。上述文字 说明液氢具有 ( ) A. 较高的热值 B. 较大的比热容 C. 较多的热量 D. 较大的内能 2. (2024·衡水期末)下列说法中,正确的是 ( ) A. 热机消耗的燃料越多,效率就越低 B. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率 C. 热机做的有用功越多,效率就越高 D. 热机效率高,将内能转化为机械能的比例 就大 3. 如图所示,为了比较酒精和碎纸片的热值,用 两只相同规格的烧杯装相等质量的水,取质 量相等的酒精和碎纸片,分别放入两个燃烧 皿中,点燃后给烧杯加热,使酒精和碎纸片 (填“完全燃烧”或“燃烧相 等时间”),通过比较 (填“加热 时间”或“升高的温度”)来比较酒精和碎纸片 热值的大小。 (第3题) 4. (2024·长治期末)小明家天然气热水器的热 效率是84%,他某次洗澡,耗水40kg,自来水 进热水器的温度是24℃,出热水器的温度是 40℃。水的内能是通过 (填“做功” 或“热传递”)的方式增大的,这些水的内能增 大量是 J,小明这次洗澡消耗天然气 m3。已知水的比热容是4.2× 103J/(kg·℃),天然气的热值是3.2× 107J/m3。 5. 如图所示,用甲、乙两种燃料分别对 质量和初温相同的水进行加热,两图 中的装置均相同。燃料的质量用m 表示(水未沸腾),下列说法中,正确的是 ( ) A. 组装实验装置时,先固定上面铁圈的高度 B. 若Δt相同,则m 越大,燃料的热值越大 C. Δt m 的值越大,燃料的热值越大 D. m Δt 的值越大,燃料的热值越大 (第5题) (第7题) 6. 甲、乙两台汽油机,甲的功率是乙的2倍,甲的 效率是30%,乙的效率是20%,那么甲、乙在 相同时间内所消耗汽油的质量之比为 ( ) A. 3∶4 B. 2∶3 C. 3∶2 D. 4∶3 7. 新情境·社会热点 (2024·湖南)2024年4月 25日,搭载着神舟十八号载人飞船的长征二 号F遥十八运载火箭(如图)在酒泉卫星发射 中心成功发射。下列说法中,正确的是( ) A. 火箭的燃料燃烧得越充分,热值越大 B. 火箭发动机工作 过 程 中 的 热 机 效 率 是100% C. 火箭“体内”的燃料温度很低时,内能为零 D. 火箭搭载着飞船升空的过程中,飞船的重 力势能越来越大 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 物理(人教版)九年级全一册 19 8. (2024·济南期末)电池是电动汽车的核心部 件之一,“能量密度”是电池的一个重要参数, 指电池在单位体积或单位质量下所能储存的能 量多少。某锂电池的能量密度为150W·h/kg, 从物理学的角度分析,能量密度相当于物理 学中的 (填“效率”“功率”或“热 值”)。随着技术的进步,柴油机的工作效率 得到了提高,效率越高,当柴油燃烧释放相同 的热量时,用来做有用功的能量 (填 “越多”“越少”或“不变”)。 9. 内燃机的大量使用,促进了社会的进步,使人 们享受到现代文明的成果,但同时又给人类 带来了污染,若二氧化碳排放过多,则会导致 。内燃机废气和冷却水带走总热 量的60%,使内燃机成为城市 的 “元凶”之一。汽油在发动机内燃烧不充分时 会冒“黑烟”,这时发动机的效率 (填 “升高”“降低”或“不变”),如图所示为某汽车 内燃机工作时的能量流向图,该内燃机的热 机效率是 。 (第9题) 10. (2024·长治期末)学习了热值之后,小聪设 计了一个实验来比较酒精和碎纸片的热值 大小,如图所示。 (第10题) (1) 安装实验装置时,应按照 (填 “自下而上”或“自上而下”)的顺序。 (2) 实验过程中应该控制燃料和水的质量 (填“相等”或“不相等”),燃料完全 燃烧后,通过比较 (填“加热 时间”或“温度计示数的变化”)来比较燃料 燃烧放出的热量的多少。 (3) 实验数据记录如表所示,分析表中数据 可知, 的热值较大。 燃 料 加热前水温/℃ 燃料燃尽时水温/℃ 酒精 15 30 碎纸片 15 20 (4) 由于燃料燃烧放出的热量不能完全被 水吸收,通过实验得到的燃料热值与实际相 比,会 (填“偏大”“偏小”或“不变”)。 11. 新情境·现代科技 (2024·太原期末)如图所 示为我国自主研发的大型水陆两栖飞机“鲲 龙”AG600,这款飞机设计用于执行应急救 援、森林灭火和水上救援等多样化的特种任 务。某次执行任务时,该飞机发动机以恒定 的牵引力飞行600m,消耗了50kg的航空 燃油,工作效率为40%,燃油的热值q燃油= 4.2×107J/kg。请计算: (1) 50kg航空燃油完全燃烧放出的热量。 (2) 飞机发动机的牵引力。 (第11题) 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 第十四章　内能的利用 30次,完成120个冲程。 4. D 5. D 解析:吸气冲程中,汽油机吸入 空气和汽油的混合气体,气体温度较 低;在压缩冲程,活塞压缩汽油与空气 形成的燃料混合物,活塞对气体做功, 将机械能转化为气体的内能,使气缸 内气体内能增加;做功冲程中,高温高 压气体对活塞做功,内能转化机械能; 排气冲程中,气缸内的废气排出;相比 而言,吸气冲程中的气体温度较低,内 能最小。故D正确。 6. A 解析:打气时,水火箭中气体的 内能增大,故A正确;水火箭的水不 是燃料,故B错误;水火箭升空是内 能转化为机械能,水火箭升空与热机 的做功冲程原理相同,故C、D错误。 7. (1) 热传递 转移 (2) 塞子冲出 时试管口出现白雾 机械 做功 (3) 加热 做功 解析:(1) 酒精燃烧 是将酒精内部的化学能转化为内能释 放出来,然后将内能通过热传递转移 给水和试管,使水的内能增加,温度升 高。水沸腾后由于汽化形成大量的水 蒸气,水的内能转移到水蒸气,此过程 的实质是能量的转移。(2) 实验时观 察到的现象是塞子冲出时试管口出现 白雾,试管口处出现的“白雾”是因为 水蒸气对外做功,内能减少,温度降 低,使水蒸气遇冷液化形成白雾。塞 子冲出试管口是因为管内的水蒸气对 外做功,将它的内能转化为塞子的机 械能,此过程和汽油机的做功冲程相 似,汽油机做功冲程中燃气推动活塞 做功,燃 气 内 能 转 化 为 机 械 能。 (3) 热量可以从温度高的物体传到温 度低的物体,内能从一个物体转移到 另外一个物体,利用内能可以加热。 内能可以向机械能转化,内能可以 做功。 8.(1) 由p= F S 可得,燃气对活塞的 平均压力F=pS=9.0×105Pa× 30×10-4m2=2700N (2) 一个做 功冲程中燃气对活塞做的功 W = Fs=2700N×50×10-3m=135J (3) 因飞轮每转2r对外做功1次,所 以飞轮1min转动1800r,做功900 次,则燃气对活塞做的总功 W总 = W×900=135J×900=121500J,汽 油机的功率P= W总 t = 121500J 60s = 2025W 对汽油机功率的正确认知 由F=pS 可求出燃气对活塞 的平均压力;利用活塞移动的距 离,由W=Fs计算出一个做功冲 程中燃气对活塞做的功。飞轮(曲 轴)每转动2r对外做功1次,飞轮 1min转 动 1800r,对 外 做 功 900次,燃气对活塞做的总功除以 做功时间即为汽油机的功率。 9. (1) 内 做功 (2) B (3) 气体 对外做功,内能减少,温度降低 解析:(1) 四冲程汽油机的做功冲程 是利用燃料燃烧产生的高温高压的燃 气推动活塞做功,空气发动机使用压 缩空气为动力,与四冲程汽油机的做 功冲程能量转化相同,都是将内能转 化为机械能。(2) 松开鼓起来的气球 时,气球飞出去,这是因为气球向外喷 气时,自身也获得一个反作用力;空气 动力汽车工作时,压缩的气体对外做 功,将内能转化为机械能;以空气发动 机为动力装置的汽车,靠气缸内空气 膨胀对外做功,而不是燃烧空气产生 能量;空气动力汽车工作时能量会有 一定的损失,因此能量不可能完全被 利用。(3) 空气发动机排出的尾气温 度低于周围空气的温度,这主要是因 为气体对外做功,内能减小,温度 降低。 第3节　热机的效率 1. A 2. D 3. 完全燃烧 升高的温度 4. 热传递 2.688×106 0.1 解析:加热过程中水吸收热量,这是通 过热传递的方式改变水的内能;水的 内能增大量即水吸收的热量Q吸= cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)× 40kg×(40℃-24℃)=2.688× 106J;由η= Q吸 Q放×100% 可知,天然气 完全燃烧放出的热量Q放 = Q吸 η = 2.688×106J 84% =3.2×10 6J,由Q放= Vq 可知,消耗天然气的体积V= Q吸 q = 3.2×106J 3.2×107J/m3=0.1m 3。 5. C 解析:燃料的热值大小不能直 接测量,需要通过水吸收热量的多少 来体现燃料燃烧放出热量的多少,而 水吸收热量的多少跟水的质量和升高 的 温 度 有 关,因 此 可 以 利 用 c水m水Δt水=mq来比较热值大小。要 用燃料燃烧时产生的外焰加热,所以 应先固定燃料的位置,再固定铁圈的 位置,所以应按从下往上的顺序进行 调节,故A错误;若Δt相同,由q= c水m水Δt m 可知,m 越大,燃料的热值越 小,故B错误;Δtm 的值越大,由q= c水m水Δt m 可知,燃料的热值越大,故C 正确;m Δt 的值越大,Δt m 的值越小,由 q= c水m水Δt m 可知,燃料的热值越小, 故D错误。 6. D 解析:设甲的功率为P甲,效率 为η甲,乙的功率为P乙,效率为η乙, 汽油的热值为q,做功时间为t,甲在 时间t内做的有用功W甲=P甲t,乙在 时间t内做的有用功W乙=P乙t。由 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 7 题意知P甲∶P乙=2∶1,η甲∶η乙= 30%∶20%=3∶2;则甲在时间t内 消耗的总能量Q甲= W甲 η甲 = P甲t η甲 ,甲在 时间t内的耗油量m甲= Q甲 q = P甲t η甲q ; 同理可以得到乙在时间t内的耗油量 的表达式m乙= P乙t η乙q 。甲、乙两汽油机 在相同时间内的耗油量之比m甲∶ m乙 = P甲t η甲q ∶ P 乙t η乙q = P甲 η甲 ∶ P乙 η乙 = P甲η乙 P乙η甲 =21× 2 3=4∶3 。 7. D 解析:热值是燃料本身的一种 特性,热值由燃料本身决定,与燃料是 否充分燃烧无关,故A错误;火箭发 动机工作过程中,会有热量的损失、克 服机械摩擦消耗部分能量、燃料不可 能完全燃烧等因素的存在,所以热机 效率不会达到100%,故B错误;一切 物体在任何情况下都有内能,故C错 误;火箭搭载着飞船升空的过程中,飞 船的质量不变,高度增大,所以重力势 能越来越大,故D正确。 8. 热值 越多 9. 温室效应加剧 热岛效应 降低 34% 解析:内燃机在使用过程中,排 放过多的二氧化碳,使得温室效应加 剧,废气和冷却水带走的热量是热岛 效应的“元凶”之一;汽车发动机工作 时将内能转化为机械能,冒“黑烟”说 明燃烧不充分,用来做有用功的能量 占燃料完全燃烧放出总能量的比例就 小,所以效率降低;由能量流向图可 知,该内燃机的效率η=100%- 31%-28%-7%=34%。 10. (1) 自下而上 (2) 相等 温度 计示数的变化 (3) 酒精 (4) 偏小 解析:(1) 安装器材时,需用外焰加 热,故应按照自下而上的顺序安装器 材。(2) 为保证实验结论的可靠性, 实验时应取质量相等的两种燃料,分 别给装有质量相等的水的两个相同的 烧杯加热,直到两种燃料完全燃烧完; 本实验燃料完全燃烧放出热量的多少 是通过水吸收的热量进行比较的,而 水吸收的热量是通过水升高的温度, 即温度计示数的变化进行比较的。 (3) 由表中数据可知,用酒精加热的 水温度升得高,由Q吸=c水mΔt可知, 这些水吸收的热量多,说明酒精燃烧 放出的热量多,由q= Q放 m 可知,酒精 的热值大。(4) 因为在加热过程中存 在热量损失,并且燃料不可能完全燃 烧,所以测得的热值会偏小。 11. (1) 50kg航空燃油完全燃烧放出 的热量Q放=mq燃油=50kg×4.2× 107J/kg=2.1×109J (2) 根据η= W Q放×100% 可知,牵引力做的功W= ηQ放 =40%×2.1×109J=8.4× 108J,飞机发动机的牵引力F=Ws= 8.4×108J 600m =1.4×10 6N 专题特训一　热量的 综合计算 1. (1) 水的质量m=ρ水V水=1.0× 103kg/m3×2×10-3m3=2kg,水吸 收的热量Q吸=c水m(t-t0)=4.2× 103J/(kg·℃)×2kg×(70℃- 20℃)=4.2×105J (2) 天然气完全 燃烧放出的热量Q放 =qV=4.0× 107J/m3×0.03m3=1.2×106J (3) 天 然 气 灶 的 效 率η= Q吸 Q放× 100%=4.2×10 5J 1.2×106J×100%=35% 2. (1) 水 吸 收 的 热 量 Q吸 = c水mΔt=c水ρ水V水 (t-t0)=4.2× 103J/(kg·℃)×1.0×103kg/m3× 40×10-3 m3×(40℃-15℃)= 4.2×106J (2) 天然气释放的热量 Q放 =q天然气V=3.2×107J/m3× 0.16m3=5.12×106J (3) 该热水 器的 热 效 率 η= Q吸 Q放 ×100% = 4.2×106J 5.12×106J×100% ≈82%,由 于 82%<84%,故小华家热水器未达到 最低标准 3. (1) 体积为0.01m3的可燃冰完全 燃 烧 放 出 的 热 量 Q放 =Vq = 0.01m3×7×108J/m3=7×106J (2) 依 题 意 得,水 吸 收 的 热 量 Q吸=cmΔt=4.2×103J/(kg·℃)× 100kg×15℃=6.3×106J,可燃冰释 放出的热量被利用的效率η= Q吸 Q放× 100%=6.3×10 6J 7×106J×100%=90% (3) 若(2)中水吸收的热量用来加热 质量为20kg、初温为30℃的水,水升 高 的 温 度 Δt' = Q吸 cm' = 6.3×106J 4.2×103J/(kg·℃)×20kg =75℃, 此时水的末温t=t0+Δt'=30℃+ 75℃=105℃,在一个标准大气压下, 水的沸点为100℃,则水的温度升高 Δt″=t'-t0=100℃-30℃=70℃ 4. (1) 汽 车 平 均 速 度 v=st = 360km 4h =90km /h (2) 消耗汽油的 质量 m=ρV=0.8×103kg/m3× 25×10-3m3=20kg,完全燃烧释放 的热量Q=qm=4.5×107J/kg× 20kg=9×108J (3) 汽车发动机做 的机械功W=Pt=25×103 W×4× 3600s=3.6×108J,发动机的效率 η= W Q ×100% = 3.6×108J 9×108J × 100%=40% 5. (1) 该火箭发射时携带6×104kg 液态氢燃料,这些燃料完全燃烧放出 的热量Q放=mq=6×104kg×1.4× 108J/kg=8.4×1012J (2) 若(1)中放 出的热量只有20%被水吸收,则水吸收 的热量Q吸=20%Q放=20%×8.4× 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 􀥈 8