12.4 热机与社会发展-【通成学典】2026-2027学年九年级上册物理拔尖特训(沪粤版·新教材)

第十二章内能与热机 12.4热机与社会发展 边一阶·基础通关 融通新授知识，夯实双基 1.中国“探月工程”总设计师吴伟仁院士是我们学习的榜样。如果请你协助吴院士设计一辆在月球 上使用的月球车，但月球上没有大气，下列动力装置适用的是 () A.柴油机 B.汽油机 C.空气喷气发动机 D.电动机 2.*[2025深圳校级期中]如图所示是四冲程汽油机的工作示意图，下列说法正确的是 A.靠飞轮惯性完成的冲程是甲、丙、丁 B.在一个工作循环中工作过程依次是丁、丙、乙、甲 C.乙图冲程的能量转化：机械能转化为内能 罨奢宽害 D.若飞轮转速为3000r/min,则该汽油机1s做功50次 丙 (第2题图) 3.[2025深圳模拟]某型号飞机，其热机每消耗100kg燃油可让飞机获得2.1×10°J的机械能。若 燃油热值q取4.2×10J/kg,则100kg燃油完全燃烧产生的热量为 J,该热机效率为 。若要提高热机效率，请给出一条建议： 扫二阶·素能攀升 强化运用能力，提升素能▲ 4.我国研制的全球首款本体热效率达53.09%的柴油机正式亮相世界内燃机大会，刷新了柴油机热 效率的世界纪录。下列内燃机的四个冲程，气缸内气体的内能最小的是 () B 5.[2025武威期中]关于四冲程汽油机和柴油机，下列说法不正确的是 A.柴油机的顶部有喷油嘴，汽油机的顶部有火花塞 B.柴油机吸入气缸的是空气，汽油机吸入气缸的是汽油和空气的混合物 C.在做功冲程中，柴油机的点火方式是点燃式，汽油机的点火方式是压燃式 D.柴油机比较笨重，它的功率比汽油机的大 6.某型号汽油机工作时的热损失情况分别为：气缸散热损失30%，废气带走35%，机械摩擦损耗 10%,由于汽油容易挥发等原因，其利用率只有90%，则2kg汽油能利用的部分完全燃烧获得的 机械能是（汽油的热值为4.6×10J/kg)》 () A.2.48×10J B.3.02×107J C.0.88×10J D.2.07×10J 7.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,则下列说法正确的是(q汽迪=4.6×10'J/kg) 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6.9×10J 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 (第7题图) 25 拔尖特训·物理（沪粤版）九年级 8.如图所示是四冲程内燃机工作循环中的 冲程。若此内燃机1s内对外做功 20次，则曲轴的转速是 r/min。在一个工作循环中消耗了20g汽油(q汽油=4.6× 10'J/kg),若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为 J。 (第8题图) 9.新型混合动力汽车具有节能、低排放等优点。当混合动力汽车启动时，内燃机不工作，蓄电池向车 轮输送能量；当需要高速行驶或蓄电池电量过低时，内燃机启动，既可以向车轮输送能量，又可以 给蓄电池充电，所受阻力与车速的关系如图所示。在某次测试中，由内燃机提供能量，汽车以 50km/h的速度匀速行驶了0.5h,消耗汽油8kg。(汽油热值取4.5×107J/kg) (1)求测试中牵引力做的功。 (2)求测试中消耗的汽油完全燃烧放出的热量。 (3)若该次测试中蓄电池增加的电能为2.6×10？J,则此过程中内燃机的效率为多少？ f/N 6000- 5000- 4000 3000- 2000 1000 01 102030405060u/(kmh') (第9题图) 道三阶·思维拓展 深度探究创新，拓展思维▲ 10.新养科学探究与实践)为提高内燃机的效率，科学家在传统四冲程发动机的基础上发明了六冲 程发动机。六冲程发动机一个工作循环内完成了两个做功冲程。六冲程发动机的效率约为传 统四冲程发动机的1.45倍，则在做功相同的情况下，六冲程发动机节省的燃料约为传统四冲程 发动机消耗燃料的 (选填“31”或“42”)%。 11.小欣同学看到一些小汽车的尾部都标有“0.8“1.6”“1.8”或“2.0”等字样，他上网查询 得知这是汽车发动机“排气量”的数值。所谓排气量就是发动机气缸的工作容积，是 指所有气缸内活塞从下止点到达上止点所扫过的容积之和。一般情况下发动机的 “排气量”越大，功率越大。汽车发动机每一个工作循环都要经历四个冲程，带动曲轴 现有一辆汽车，其发动机排气量为1.8L,最大功率为74kW,当该发动机以最大功率工作时，曲 轴的转速为5200r/min。发动机工作时的最佳空燃比（空气和燃油的质量比）为14：1，压缩比 (气缸总容积与燃烧室容积之比)是10：1，若发动机在最大功率时汽油和空气的混合密度为 1.35kg/m3,汽油的热值为4.6×10J/kg、密度为0.71×103kg/m3。 (1)求这台发动机在最大功率时的热机效率。（结果精确到0.1%） (2)发动机在最大功率时，汽车的最高速度为175k/h,在此情况下汽车每百千米消耗汽油多 少升？（结果保留一位小数） 26 >“答案与解析”见PI3所以，甲液体的比热容大，所以若甲、乙两种液体中，一种 液体是水，则这种液体一定是甲液体，故①正确；由图可 知：乙液体的初温是60℃，放热12min后乙液体的末温是 20℃，乙温度降低了40℃，故②错误；读图可得，甲在 12min内由60℃降低到40℃，降低的温度是60℃一 40℃=20℃，甲液体已判断出是水，所以甲放出的热量 Qm=c水m△t=4.2×103J/(kg·℃)×0.5kg×20℃= 4.2X10J,故③错误；0~12min乙液体放出的热量Q数 c乙mz×(60℃一20℃)，由题知，水和乙液体的质量相同， 即m*=mz,4.2X103J/(kg·℃)Xm*X(60℃-40℃) czmz×(60℃-20℃)，解得cz=2.1×103J/(kg·℃)， 故④正确。 9.4.2×10670% C解析)水吸收的热量Qs=c水m(t一to)=4.2×10J/ (kg·℃)×20kg×(65℃一15℃)=4.2×10J;天然气完 全燃烧释放的热量Qm=V天然气=0.15m×4.0×10J/m= 6.0×10J:该热水器的实际效率7= Qs×100% Q 4.2×10J×100%=70%。 6.0×10J 10.3.77×10 〔解析)冰从一20℃升高到0℃吸收的热量Q1 c*m△=2.1×103J/(kg·℃)×100×103kg×[0℃ (一20℃)]=4.2×10J,100g0℃的冰全部熔化成相同温 度的水，吸收的热量Q2=入*m=3.35×10°J/kg×100× 103kg=3.35×10J,1个标准大气压下100g的冰从 一20℃全部熔化成0℃的水，需要吸收的热量Q= Q服1十Q厥2=4.2×103J+3.35×101J=3.77×10J。 11.2.52×1041.4×10 〔解析)由图知，水在16min内由初温t。=10℃升高至末 温t=40℃，则水在16min内吸收的热量Q水=c水m(t t)=4.2×10J/(kg·℃)×0.2kg×(40℃-10℃)= 2.52×10J;由于用相同的电加热器加热，相同时间内吸 收的热量相同，则另一种液体加热8min,吸收的热量 Qa=×2.52×10J=1.26X10'J:由Qa=0m△y可知， 另一种液体的比热容c=Q怎 1.26×10J m△70.3kgX(50℃-20℃) 1.4×10J/(kg·℃)。 12.解：(1)合金钢制刀具放人火炉中加热到830℃，所以， 合金钢制刀具的初温tn=830℃；刀具浸没在水中放出的 热量Q台放=c台全铜m台主钢(t,一t)=0.42X10J/(kg·℃)× 1kg×(830℃-30℃)=3.36×10J(2)不计热量散失， 则Q水服=Q台效=3.36X10J,由Q水服=c水m*(t一t*),得 Q水股 3.36×10J m*-c*t-t体)42X10J/kg·℃)X(30℃-10℃) 4kg 13.C当将金属球放入甲容器中时，金属球放出的热量与 水吸收的热量相等，即Q全=Q本。设金属球的质量为m金、 比热容为c全、水的质量为m水、水的比热容为c水，则Q全= c全Xm全X(65℃-45℃)，Q*=c*×m*×(45℃一 25℃)，因为Q全=Q水，所以c全×m全×(65℃-45℃)= c东Xm*X(45℃-25℃)，化简得m本=： 〔鱼m一；当将金属 球放人乙容器中时，乙容器中的水放出的热量与金属球吸 收的热量相等，即Q'=Q',由于甲、乙容器中的水的质 量相等，又是同一个金属球，所以仍设金属球的质量为 m全、比热容为c全、水的质量为水、水的比热容为c水，设 乙容器中水的初温为t,则Q水'=c水Xm水×(t,一60℃)， Q全'=c主Xm全×(60℃-45℃)，因为Q*'=Q全'，即 c本Xm*×(t。一60℃)=c全×m全×(60℃-45℃)，又因 器是-子解得4=5℃ 14.A初温相同、体积相同的两块金属甲、乙放出了相同 热量，甲的末温比乙的低，即Q甲=Qz,△手>△乙；△t甲= 80。出：8可码，0切温指同的 C甲m甲 c年m甲C乙m乙 甲，乙吸收相同热量时，Q年'=Q2','=Q年 ,△tz'= C手n甲 Q,△t'>△2'，甲的末温年=△1年'+乙的末温 c乙m乙 tz=△tz'十to,可得t甲>tz,甲的末温比乙的高，但无法 判断甲、乙比热容哪一个大，故A正确，B、C、D错误。 12.4热机与社会发展 1.D柴油机、汽油机、空气喷气发动机都需要利用空气中 的氧气来助燃，而月球表面没有空气，燃料不能燃烧，所以 柴油机、汽油机、空气喷气发动机都不能使用，所以应该使 用电动机，故A、BC错误，D正确。 2.C甲图中排气门开启，进气门关闭，气体流出气缸，是 排气冲程；乙图中两气门都关闭，活塞上行，气缸容积变小， 是压缩冲程：丙图中两气门都关闭，火花塞点火，活塞下行， 气缸容积变大，是做功冲程；丁图中进气门开启，排气门关 闭，气体流人气缸，是吸气冲程：所以正确的排序是丁、乙、 丙、甲；汽油机的一个工作循环有四个冲程，只有在做功冲 程中使机器获得动力，内能转化为机械能，其他三个冲程 均为辅助冲程，依靠飞轮惯性完成，即依靠飞轮惯性完成 冲程的是甲、乙、丁，故A、B错误；乙图是压缩冲程，压缩冲 程中机械能转化为内能，故C正确：四冲程汽油机的飞轮 转速为3000r/min,则该飞轮1s转50圈。因为一个工作 循环飞轮转2圈，完成四个工作冲程，做功1次，所以1s飞 轮转50圈，共25个工作循环，共100个冲程，共做功 25次，故D错误。 方法归纳 判断热机冲程的方法 一看气门开闭；二看活塞运动方向。 进气门开， 吸气 开 排气门闭 冲程 闭 排气门开， 排气 进气门闭 冲程 活塞向上 压缩 都 运动 冲程 活塞向下 做功 运动 冲程 3.4.2×1050% 改善燃烧条件（合理即可） 〔解析)100kg燃油完全燃烧产生的热量Q煎=mq= 100kg×4.2×10J/kg=4.2×10J,该热机效率7= 里×1O0%=2-X10】50%,若要提高热机效率，给 W 4.2×10J 出的建议为改善燃烧条件尽可能让燃油完全燃烧等。 4.D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；压缩冲程中，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，内能转化为机械能；排气冲程中，将气缸内的废气 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。 5.C柴油机和汽油机的结构不同：柴油机的顶部有喷油 嘴，汽油机的顶部有火花塞，故A正确：在吸气冲程中，柴 油机吸入气缸的只是空气，汽油机吸入气缸的是汽油和空 气的混合物，故B正确；在做功冲程中，汽油机的点火方式 叫，点燃式，柴油机的点火方式叫压燃式，故C错误；柴油机 的飞轮质量更大，所以比汽油机笨重；柴油机的压缩比比 汽油机的高，在做功冲程中气体压缩程度更大，能提供更 大的动力，所以柴油机比汽油机的功率更大，故D正确。 6.D由于汽油容易挥发等原因，其利用率只有90%，则 2kg汽油能利用的质量m=2kg×90%=1.8kg,汽油完 全燃烧放出的热量Qm=gm=4.6×10J/kg×1.8kg= 8.28×10J,由题可知，汽油机的效率7=100%一30% 35%-10%=25%,则获得的机械能W=Q做7=8.28× 10J×25%=2.07×10J,故D正确。 7.B由图知，活塞向上运动，进气门和排气门都关闭，因 此图示冲程是压缩冲程，故A错误；完全燃烧5kg汽油放 出的热量Qm=q汽注m=4.6×10J/kgX5kg=2.3×10°J, _W有用×100%可得，有用功W有用=Q7=2.3× 由1=Q做 10J×30%=6.9×10J,故B正确：曲轴每转两圈对外做 功一次，所以1min转动1800r,对外做功900次，则该汽 油机在1s内做功的次数为测-15，故C错误：汽油机消 耗的燃料越少，其做的有用功也可能少，其效率不一定就 越高，故D错误。 8.做功24002.76X10 〔解析)图中，内燃机两气门都关闭，火花塞点火，活塞由上 向下运动，气缸容积变大，是做功冲程。四冲程内燃机的曲 轴转2圈，完成4个冲程，并对外做功1次：内燃机每秒内 对外做功20次，曲轴转40圈，则每分钟对外做功1200次，曲 轴转2400圈，因此曲轴的转速为2400r/min。已知m= 20g=0.02kg,Q数=q汽速m=4.6×10J/kg×0.02kg= 9.2×105J,燃料放出的总热量相当于机械做的总功，由热 机效率公式？= W有用X100%得，w有用=7Q数=30%× Q故 9.2×10°J=2.76×10°J。 9.解：(1)汽车行驶的路程s=t=50km/h×0.5h= 25km=2.5×10m,由图像可知，当汽车速度为50km/h 时，所受阻力为4000N,由于汽车匀速行驶，汽车的牵引力 和阻力是平衡力，牵引力F=∫=4000N,牵引力做功W= Fs=4000N×2.5×10m=1×108J(2)燃料完全燃烧 放出的热量Q拉=mg=8kg×4.5×10J/kg=3.6×10°J (3)内燃机燃烧转换的有用功W有用一W+W电一1× 10J+2.6×10J=1.26×10J,内燃机的效率7= W里×10%=：26X10X10%=35% Q 3.6×10°J 10.31 〔解析)假设四冲程发动机的效率为1，六冲程发动机的效 率=1.45×1。燃料节省百分比为(1-2)×100%，代 72 入2=1.45×71，可得节省百分比约为31%。 11.解：(1)发动机功率最大时，1min做的有用功W有用 74×103W×60s=4.44×10J;1min内，曲轴转动5200r, 则吸人汽油和空气的混合物次数为5200r=2600:发动机 2r 工作时的最佳空燃比（空气和燃油的质量比）为14：1，则 汽油质量占油气混合物总质量的；排气量为1.8L的汽 车，气缸总容积V-18L×9-2L1min内发动机消耗 汽油的质量m=2600×pV=2600×5X1.35kg/m× 2×103m3=0.468kg,汽油完全燃烧放出的热量Q粒= mg=0.468kg×4.6×107J/kg=2.1528×10J;综上所 述，这台发动机在最大功率时的热机效率？= W有用X Q拉 100%= 4.44X10】×100%≈20.6%(2)汽车以最 2.1528×107J 高速度175kmh前进10m所用的时间1=号 100km=4h=240 175km/h7 7 min,汽车每行驶100km消耗汽油 的质量m=a.468mm×2学min-0 kg,汽车每行 2808 驶100km消耗汽油的体积V'= 176kg p0.71×103kg/m3 22.6×103m3=22.6L 跨学科实践燃油汽车与电动汽车的 对比研究 1.(1)燃油汽车车尾有排气管，电动汽车没有排气管 (2)化学内(3)采用更先进的充电技术缩短充电时间 〔解析)(1)可以看外观，燃油汽车车尾有排气管，电动汽 车没有排气管：或燃油汽车需要加油，电动汽车需要充电。 (2)燃油汽车的能量转化为化学能·内能·机械能。 (3)结合题意，可采用更先进的充电技术缩短充电时间。 2.解：(1)由测试数据知道正常行驶100km消耗的汽油 的体积V=8×103m3,汽油的密度P汽油=0.7×103kg m,所以由p一受可知正常行驶10km消耗的汽油的质 量m=p汽速V=0.7×103kg/m3×8×103m3=5.6kg (2)牵引力做的功W有用=F=600NX10m=6×10'J, 汽油完全燃烧放出的热量Q=mg汽速=5.6kg×4.5× 10J/kg=2.52×10°J:燃油汽车的效率汽= W有更X Q 6×10J 100% 2.52×10×100%≈23.8%：电动汽车的效率 W有用×100%= 6×107J 7电一W包 X100%≈83.3% 20×3.6×10J 专题特训二热学综合计算 1.解：(1)牛奶吸收的热量Q:=c牛奶m牛奶(t一t0)=2.5× 10J/(kg·℃)X200X103kgX(50℃-20℃)=1.5× 10J(2)若不考虑热量损失，热水放出的热量Q放=Qs= 1.5×10J,根据Q放=cm△t得热水的质量m= Q拉 1.5×101J c水(t水一t) =42×10J/kg·℃)X(70℃-50℃）≈ 0.179kg 2.解：(1)由Q数=cm(t,一t)得铁的比热容c= Q 7.56×10J m(1,-t)3kg×(590℃-30℃=0.45X103J/(kg·℃) (2)铁板在此降温过程中放出的热量Q拉=cm'△t= 0.45×103J/(kg·℃)×2kg×60℃=5.4×10J 3.解：(1)水吸收的热量Qs=c水m*(t一t)=4.2× 103J/(kg·℃)×4kg×(70℃-20℃)=8.4×10J (2)煤气完全燃烧放出的热量Q数=mg煤气=0.05kg× 4.2×10J/kg=2.1×10J(3)煤气炉加热的效率7= 82×w⅓-8x10%-40% Q 4.解：(1)水吸收的热量Q版=c水n*△t=4.2×103J/ (kg·℃)×1kg×(100℃-10℃)=3.78×105J(2)由 Q做=g可得，木炭完全燃烧放出的热量Q数=m木米· 9*米=0.1kg×3.4×10J/kg=3.4×10J(3)由题意可 知，若改用燃气加热，水仍需吸收3.78×10J的热量，则由 Q×100%可得，燃气实际需提供的总热量Q:' Q压_3.78X10」=3.78×10J,由Q=mg可得，所需燃 10% _Qm=3.78×10】=0.1kg 气的质量mg气=q袋气3.78X10J/kg 5.解：(1)由表格数据可知，燃气平均压强p=9.0×10Pa, 活容司积S=30m=3X10m,由b=5可知微功冲 程中燃气对活塞的平均压力F=S=9.0×10Pa×3× 103m=2700N(2)一个做功冲程燃气对活塞做的功 W=FL=2700N×5×102m=135J(3)因飞轮每转两 圈对外做功一次，所以飞轮1min转动1800周，做功 900次，则燃气对活塞做的总功W台=W×900=135J× 900=1.215×10,该汽油机的功率P=W t 1.215×10」=2025W(4)1min消耗汽油的质量m= 1×60s 8g=8×103kg,汽油完全燃烧释放的热量Q放=mg=8X 103kg×4.6×10J/kg=3.68×10J,则汽油机的效率 ,=W×10%=5215X101X100%≈3.0% 3.68×10°J 6.解：(1)30L汽油完全燃烧释放的热量Q做=qV= 3.3×10J/L×30L=9.9×10】(2)根据7Q