12.4 机械能与内能的相互转化-2024-2025学年九年级上册物理考点解读与训练（苏科版）

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2024-2025学年九年级上册物理考点解读与训练

12.4 机械能与内能的相互转化

1、做功——改变内能的另一种方式

（1）做功：对物体做功，物体的内能增加；物体对外做功内能减少；

（2）做功使物体的内能改变的实质：其他形式的能量（如机械能）与内能之间的相互转化。

2、内燃机的四个冲程

（1）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；

（2）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；

（3）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的，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气缸；

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，把废气排出气缸。

（4）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；

（5）一个工作循环中对外做功1次，活塞往复2次，曲轴转2周，飞轮转2圈。

3、燃料的热值及其计算

（1）热值概念：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值，符号时q。

①对于气体燃料而言，热值的定义是1m³的某种燃料完全燃烧时放出的热量。

②热值是燃料的一种属性。

（2）热值单位：焦/千克（J/kg），读作焦每千克。

（3）公式：Q=mq

M——燃料的质量——单位千克（kg）；

q——燃料的热值——单位焦/千克（J/kg）；

Q——燃烧放出的热量——单位焦耳（J）。

（4）热值的物理意义：热值表示一定质量的燃料在完全燃烧时所放出的热量的多少，如木炭的热值为3．40×10⁷J/kg。

（5）同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值不同。

4、热机的效率

（1）定义：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，叫做热机的效率，

其表达式为：，由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1；

（2）热机在工作过程中造成能量损失的因素有： ①燃料很难全部燃烧； ②排出的废气带走能量； ③热机部件要散热； ④克服运转机件之间的摩擦消耗能量。

（3）提高热机效率的方法： ①尽量让燃料充分燃烧； ②设法利用废气的能量； ③减少能量损失； ④保证良好的润滑。

【考点1  做功——改变内能的另一种方式】

【典例1-1】）勤劳智慧的景颇族的祖先曾发明一种活塞式点火器，如图所示。以牛角作套筒，木质推杆前端粘附艾绒。取火时，一手握住套筒，另一手猛推推杆，艾绒即燃，随即将杆拔出，口吹立见火苗。手推杆入筒的过程中，筒内密封气体的（　　）

A．密度不变                                                 B．内能增大

C．分子数增加                                              D．分子动能减小

【典例1-2】如图所示的火柴是实验室常用的点火工具。我们常将火柴头与擦火皮摩擦点燃火柴，这种点燃火柴的方式是通过_______的方式改变了火柴头的内能；火柴燃烧时我们能闻到一股味道，这与分子在 _____________________运动有关。

【变式1-1】下列实例中，用做功的方式来改变物体内能的是（　　）

A．刚煮熟的鸡蛋放在冷水中，鸡蛋的温度降低

B．用热水袋暖手，手的温度升高

C．热水倒入茶杯，茶杯的温度升高

D．两手相互摩擦，手的温度升高

【变式1-2】2023年5月10日，搭载天舟六号货运飞船的长征七号遥七运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射升空。在加速升空的过程中，天舟六号相对运载火箭是 _______的。如图乙是用可乐瓶自制的水“火箭”，用气筒向瓶内打气过程中是通过 _______方式使瓶内空气的内能增大的，增加到一定值时，水便冲开塞子喷射出来，使水“火箭”升空的力的施力物体是 ______________。

【考点2  内燃机的四个冲程】

【典例2-1】光发动机可用于卫星的能源补充，原理如图，密闭气室中N₂O₄在光照下会分解，使气室气压增大，推动活塞右移，无光条件下发生逆反应，控制光照即可实现活塞往复运动。活塞右移过程相当于汽油机的（　　）

A．吸气冲程              B．压缩冲程               C．做功冲程              D．排气冲程

【典例2-2】如图是汽油机两个冲程的示意图，汽油机原理是工作时把燃料燃烧产生的内能转化成为 　   　能，其中是通过_______图中的冲程来实现的。

【变式2-1】随着人民生活水平的不断提高，小汽车已进入千家万户，小汽车的发动机一般都是四冲程汽油机。如图所示是四冲程汽油机的工作示意图，其中表示压缩冲程的是（　　）

【变式2-2】单位质量的气体物质，在体积不变的条件下温度升高1℃所吸收的热量称为该气体的定容比热，已知氦气的定容比热为3100J/（kg•℃）。如图1所示，质量为0．02kg的氢气被密封在圆柱形气缸内，气缸内氮气气压与外界大气压相同。用力把活塞AB固定，当氢气的温度从20℃升高到30℃时，氮气吸收的热量是 _______J。撤去力，氢气推动活塞做功，这一过程的能量转化形式与图 　  　汽油机工作冲程相同。

【考点3  燃料的热值及其计算】

【典例3-1】汽油的热值为4．6×10⁷J/kg。这个数值究竟有多大？我们可以通过一个具体例子来认识汽油热值的大小：一个50kg的中学生，爬走10层楼，每层楼的层高为3m，如果汽油完全燃烧获得热量的焦耳数和该中学生克服重力做的功相等，则所需汽油的质量m₀的值约为（　　）

A．33g                       B．3．3g                     C．0．33g                 D．0．033g

【典例3-2】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 _______J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 _______kg的煤气，这是通过_______的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 _______（选填“变大”“变小”或“不变”）[水的比热容c_水＝4．2×10³J/（kg•℃），煤气的热值q_煤气＝4．2×10⁷J/kg]

【变式3-1】用两套如图甲所示的相同装置，完成课本实验①“探究不同物质吸热升温现象”和实验②“比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量”。实验①②中燃料点燃直至燃尽，烧杯内液体的温度随时间变化的图像均如图乙所示（不计热损失）。以下判断正确的是（　　）

A．实验①②都要控制燃料质量和液体质量相等

B．实验①②都通过温度计上升的示数反映吸收热量的多少

C．若图像一、二为实验①的数据所绘，则两种物质比热容之比为1：4

D．若图像一、二为实验②的数据所绘，则两种燃料的热值之比为5：4

【变式3-2】（多选）小华把质量相同的液体A和液体B分别装入两个相同的容器内，用相同的热源给它们加热，液体的温度随时间变化的图象如图所示，c_A＝4．2×10³J/（kg•℃），若不计热量损失，下列说法正确的是（　　）

A．燃料燃烧一半时，剩余燃料的热值变小

B．液体A的吸热能力比液体B的弱

C．液体A和液体B升高相同的温度，液体A吸收的热量多

D．液体B的比热容为2．1×10³J/（kg•℃）

【变式3-3】小刚同学常听大人们牢骚说天然气质量不好，他就想测一下家中使用的天然气的热值。于是，他在家里将装有5kg水的水壶放到天然气灶上去烧，用温度计测量水从20℃加热至80℃的过程中，观察到天然气表的数字变化了0．07m³。他通过上网查阅得知他家使用的天然气灶的效率约为36%，则在这个过程中水吸收的热量是______________。由此小明算出天然气的热值是 ______________。

【考点4  热机的效率】

【典例4-1】目前，燃油汽车的热机效率都不高，下列符合汽车热机能量流向的是（　　）

【典例4-2】图甲所示是汽油机的_______冲程，该冲程中燃气的内能是通过_______方式改变的。某汽车发动机的能量流向如图乙所示，该热机的效率是 _______A，完全燃烧0．7kg的汽油，废气带走的能量是 _______J。（q_汽油＝4．6×10⁷J/kg）

【典例4-3】某型号汽车在车型测试中，在一段平直公路上匀速行驶了36km，用时0．5小时，车的总质量为3t，受到的阻力为车重的0．1倍，其中g＝10N/kg，q_燃油＝4．5×10⁷J/kg。求：

（1）该汽车牵引力所做的功。

（2）已知这一过程消耗燃油12kg，则该汽车发动机的效率。（假设燃油完全燃烧）。

（3）若该汽车在平直的公路上匀速行驶的路程为s，发动机牵引力为F，其发动机效率η，汽油的热值为q，请推导该汽车在这段路程内消耗汽油质量m的表达式。

【变式4-1】一辆使用汽油为燃料的小汽车，以72km/h的速度在水平路面上匀速行驶时，发动机的实际输出功率为20kW。若小汽车行驶的路程为108km，已知汽油的热值q＝4．6×10⁷J/kg。小汽车发动机的效率为25%。则下列说法正确的是（　　）

A．运动的时间为1h             B．发动机所做的有用功为1．08×10⁸J

C．汽车所受的阻力为2000N    D．消耗汽油的质量为5kg

【变式4-2】如图所示，是最新一款无人驾驶汽车原型图，汽车自动驾驶时使用雷达传感器以及激光测距器来了解周围的交通状况。该款车以72km/h的速度在一段平的公路上匀速行驶了9km时，消耗汽油1．4kg，假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，汽油完全燃烧放出的热量为 ______________，汽车行进过程中受到的阻力为 　   　_______N。（汽油的热值是4．5×10⁷J/kg）

【变式4-3】中国国产第五代隐身战斗机“歼﹣20”已成功列装中国空军部队。“歼﹣20”的发动机是一种热机，通过航空燃油在气室中燃烧，从喷口向后高速喷出气体，使发动机获得向前的推力。假设“歼﹣20”某次在高空中飞行，在恒定的水平推力1．5×10⁵N作用下，沿水平方向匀速航行了360km，用时0．5h，燃烧航空油2250kg。（航空油的热值为q＝4．0×10⁷J/kg）在“歼﹣20”的这一次航行中，求：

（1）航行的速度。

（2）发动机的功率。

（3）发动机的热机效率。

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参考答案

【考点1  做功——改变内能的另一种方式】

【典例1-1】B

【分析】猛推推杆时间较短，气体来不及吸放热，主要是外界对气体做功，气体内能增加，温度升高，压强增大。

【解答】解：封闭的气体被推杆压缩过程中，活塞对气体做功，所以气体内能增加，则温度升高，分子动能增加，气体体积减小，因为是封闭的气体，质量不变，所以分子数不会增加；

由ρ＝可知，筒内密封气体的密度变大。

故选：B。

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