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D
铁块
铝块

$2.1×10^3$
酒精
转换法
铜块
铝块

【分析】
我们首先明确解题核心是利用吸热公式$Q=cm\Delta t$的变形$c=\frac{Q}{m\Delta t}$,结合题目给出的质量、吸热、升温的已知条件,先推导三个物体的比热容大小关系,再逐一验证每个选项是否正确:
1. 先整理已知条件:质量关系$m_甲=m_乙>m_丙$,从柱状图得吸热关系$Q_甲=Q_乙=Q$,$Q_丙=2Q$,升温关系$\Delta t_甲<\Delta t_乙=\Delta t_丙$。
2. 先对比甲、乙:两者吸热相等、质量相等,升温甲更小,因此甲的比热容大于乙;再对比乙、丙:两者升温相等,丙吸热是乙的2倍,且$m_乙>m_丙$,代入公式可推导出丙的比热容大于乙的2倍,由此可知三者中乙的比热容最小。
3. 再逐个分析选项,排除错误选项得到正确结论。
【解析】
解:
已知条件整理:
① 质量:$m_甲=m_乙>m_丙$;
② 吸收热量:由图可知$Q_甲=Q_乙=Q$,$Q_丙=2Q$;
③ 升高温度:$\Delta t_甲<\Delta t_乙=\Delta t_丙$。
根据比热容定义式$c=\frac{Q}{m\Delta t}$推导:
1. 对比甲、乙:$Q_甲=Q_乙$,$m_甲=m_乙$,$\Delta t_甲<\Delta t_乙$,代入得$c_甲=\frac{Q}{m_甲\Delta t_甲}$,$c_乙=\frac{Q}{m_乙\Delta t_乙}$,因此$c_甲>c_乙$。
2. 对比乙、丙:$Q_丙=2Q_乙$,$\Delta t_乙=\Delta t_丙$,$m_乙>m_丙$,代入得$c_丙=\frac{2Q}{m_丙\Delta t_丙}$,$c_乙=\frac{Q}{m_乙\Delta t_乙}$,两式作比可得$\frac{c_丙}{c_乙}=\frac{2m_乙}{m_丙}$,由于$m_乙>m_丙$,因此$\frac{c_丙}{c_乙}>2$,即$c_丙>2c_乙$。
逐一判断选项:
选项A:由推导可知三者中$c_乙$最小,并非甲的比热容最小,A错误。
选项B:推导得$c_丙>2c_乙$,并非等于2倍,B错误。
选项C:末温$t=t_0+\Delta t$,已知$\Delta t_甲<\Delta t_乙$,若甲的初温$t_{0甲}$高于乙的初温$t_{0乙}$,是可以满足$t_{0甲}+\Delta t_甲 = t_{0乙}+\Delta t_乙$的,即两者末温有可能相等,C错误。
选项D:物体放热公式为$Q_放=cm\Delta t$,若降低相同温度$\Delta t$:
甲和乙对比:$c_甲>c_乙$,$m_甲=m_乙$,因此$Q_{甲放}>Q_{乙放}$;
乙和丙对比:由$c_丙 m_丙=2c_乙 m_乙$,代入放热公式得$Q_{丙放}=c_丙 m_丙 \Delta t=2c_乙 m_乙 \Delta t=2Q_{乙放}$,因此$Q_{丙放}>Q_{乙放}$;
综上可得乙放出的热量一定最少,D正确。
【答案】D
【知识点】热量公式应用,比热容计算
【点评】本题属于比热容的定性推导题型,重点考察对吸热、放热公式的灵活变形应用,需要注意控制变量的分析逻辑,避免忽略质量的大小关系误判B选项,同时要明确“升高的温度”和“末温”是完全不同的物理量,不要混淆概念错选C。
【难度系数】0.6
【分析】
我们可以分两个场景逐步推导解题:首先思考第一个空,相等时间内冰块从两块金属吸收的热量近似相等,也就是两金属放出的热量相同,已知二者质量相等、c铁<c铝,利用放热公式的变形Δt=Q放/(cm)就能判断,Q放和m相同时,比热容越小温度降低量越大,降温就越快。再思考第二个空,题目说明冰块足够大,最终两块金属的末温都会降到0℃,二者初温都是30℃,因此全过程的温度变化量Δt完全相同,再用放热公式Q放=cmΔt判断,m和Δt相同时,比热容越大的金属总放热量越多,冰熔化需要吸热,放热量多的金属能熔化更多的冰,就能得到第二空的结果。
【解析】
1. 判断相等时间内的降温快慢:
经过相等的一段时间,冰块从铁块和铝块处吸收的热量相等,即两金属块放出的热量Q放相等,已知m铁=m铝,且c铁<c铝,根据放热公式变形可得Δt = Q放/(cm),在Q放、m相同的条件下,比热容越小,温度降低量Δt越大,因此铁块的温度降低更多,温度下降更快。
2. 判断最终熔化冰的多少:
由于冰块足够大,最终铁块和铝块的末温都等于冰的温度0℃,二者初温均为30℃,因此整个过程两金属的温度变化量Δt完全相同;又因为m铁=m铝,c铁<c铝,根据放热公式Q放=cmΔt,在m、Δt相同的条件下,比热容越大的金属放出的总热量越多,因此铝块放出的总热量更多,冰吸收的热量更多,熔化的冰也就更多。
【答案】铁块 铝块
【知识点】比热容;热量计算;熔化吸热
【点评】本题的易错点是容易混淆“相等时间段放热”和“最终热平衡全过程放热”两个场景的等量条件,不少同学会误将短时间放热相等的条件套用到全过程分析中,解题时要先明确不同阶段的已知等量关系,再对应选用放热公式推导,避免逻辑错误。
【难度系数】0.6
【分析】
这道题的核心是利用放热公式结合控制变量的思路解题:首先明确已知条件,水和待测液体质量相等,相同时间放出的热量相等,且水的比热容大于待测液体。根据放热公式$Q_{放}=cm\Delta t$变形可得$c=\frac{Q}{m\Delta t}$,当Q和m都相同时,温度降低量$\Delta t$越小,物质的比热容就越大。接下来观察图像,相同时间内甲的温度下降幅度更小,说明甲的比热容更大,对应已知比热容更大的水,那么比热容更小的乙就是待测液体。最后选取相同放热时间,读出两者的温度变化量,通过比例关系就能算出待测液体的比热容。
【解析】
1. 判断物质种类:
已知水和液体的质量$m$相等,相同时间内放出的热量$Q$相等,根据放热公式$Q_{放}=cm\Delta t$,可得$c = \frac{Q}{m\Delta t}$,在$Q$、$m$均相同的条件下,温度变化量$\Delta t$越大,比热容$c$越小。
由图像可知,二者初温均为$60° C$,相同放热时间下,甲的温度降低量小于乙的温度降低量,因此$c_甲>c_乙$。结合题目给出的$c_{水}>c_{液体}$,可以判断甲是水,乙是该种液体。
2. 计算液体的比热容:
选取放热15min的节点,水的温度变化$\Delta t_{水}=60° C-40° C=20° C$,待测液体的温度变化$\Delta t_{液}=60° C-20° C=40° C$。
由于二者放出的热量相等、质量相等,因此满足$c_{水}m\Delta t_{水}=c_{液}m\Delta t_{液}$,约去质量$m$后代入数值计算:
$c_{液}=\frac{c_{水}·\Delta t_{水}}{\Delta t_{液}}=\frac{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg· ° C)} × 20° C}{40° C}=2.1×10^3\ \mathrm{J/(kg· ° C)}$
【答案】
乙;$2.1×10^3$
【知识点】
比热容计算;放热公式应用
【点评】
本题结合温度-时间图像考查比热容的推导与计算,核心是利用控制变量法,在质量、放热相同的前提下,通过温度变化量反推比热容的大小关系,不需要额外获取质量、放热的具体数值,通过比例关系即可快速得到结果,能帮助学生加深对比热容物理意义的理解。
【难度系数】
0.6
【分析】
我们可以围绕比热容的核心公式$Q=cm\Delta t$逐步推导解题:
1. 针对实验一:两个规格完全相同的电加热器,相同时间内放出的热量相等,因此可以用加热时间的长短间接反映液体吸收热量的多少。已知酒精和煤油质量相等,升高相同的$10° C$时,酒精的加热时间更长,说明酒精吸收的热量更多,代入$Q=cm\Delta t$,$m$、$\Delta t$相同时$Q$越大则$c$越大,就能得到比热容的大小关系;这种将不易直接测量的吸热多少转换为容易测量的加热时间的方法就是转换法。
2. 针对实验二:金属块初始温度都是$0° C$,最终和对应容器的水达到热平衡,金属的末温等于水的末温。铜块所在容器水的末温是$20° C$,铝块所在容器水的末温是$17° C$,计算两者的温度变化就能得到谁的温度变化更大;再根据水的质量相等、初温都是$23° C$,水降温越多则放出的热量越多,容器隔热的情况下水放出的热量全部被金属吸收,就能得到谁吸收的热量更多,最后代入$c=\frac{Q}{m\Delta t}$比较金属的比热容大小即可。
【解析】
(1) ③ 质量相等的酒精和煤油升高相同温度时,酒精加热时间更长,说明酒精吸收的热量更多,由$Q=cm\Delta t$可知酒精的比热容更大。
④ 实验中无法直接测量液体吸收热量的具体数值,通过加热时间的长短来间接反映液体吸收热量的多少,这种实验方法是转换法。
(2) ④ 铜块初始温度为$0° C$,最终末温为$20° C$,温度变化量为$20° C$;铝块初始温度为$0° C$,最终末温为$17° C$,温度变化量为$17° C$,因此铜块的温度变化更大。
两容器内水的质量相等、初温都是$23° C$,甲容器水降温$3° C$,乙容器水降温$6° C$,由$Q_{放}=c_{水}m_{水}\Delta t_{水}$可知乙容器的水放出的热量更多,容器隔热,水放出的热量全部被金属吸收,因此铝块从水中吸收的热量更多。
质量相等的铜和铝,铝吸收的热量更多、温度变化更小,由$c=\frac{Q}{m\Delta t}$可知铝的比热容更大。
【答案】
(1) 酒精;转换法 (2) 铜块;铝块;铝
【知识点】
比热容探究实验;转换法;热量计算公式
【点评】
本题是比热容相关的创新型探究题,跳出了常规“加热液体比较比热容”的固定实验框架,第二问通过低温金属与温水的热传递场景设置考点,解题时需要分别梳理金属、水的初末温度,避免混淆两者的温度变化和吸放热关系,能够有效检验学生对$Q=cm\Delta t$公式的灵活运用能力。
【难度系数】
0.6
【分析】
我们可以围绕比热容的核心公式$Q=cm\Delta t$逐步推导解题:
1. 针对实验一:两个规格完全相同的电加热器,相同时间内放出的热量相等,因此可以用加热时间的长短间接反映液体吸收热量的多少。已知酒精和煤油质量相等,升高相同的$10° C$时,酒精的加热时间更长,说明酒精吸收的热量更多,代入$Q=cm\Delta t$,$m$、$\Delta t$相同时$Q$越大则$c$越大,就能得到比热容的大小关系;这种将不易直接测量的吸热多少转换为容易测量的加热时间的方法就是转换法。
2. 针对实验二:金属块初始温度都是$0° C$,最终和对应容器的水达到热平衡,金属的末温等于水的末温。铜块所在容器水的末温是$20° C$,铝块所在容器水的末温是$17° C$,计算两者的温度变化就能得到谁的温度变化更大;再根据水的质量相等、初温都是$23° C$,水降温越多则放出的热量越多,容器隔热的情况下水放出的热量全部被金属吸收,就能得到谁吸收的热量更多,最后代入$c=\frac{Q}{m\Delta t}$比较金属的比热容大小即可。
【解析】
(1) ③ 质量相等的酒精和煤油升高相同温度时,酒精加热时间更长,说明酒精吸收的热量更多,由$Q=cm\Delta t$可知酒精的比热容更大。
④ 实验中无法直接测量液体吸收热量的具体数值,通过加热时间的长短来间接反映液体吸收热量的多少,这种实验方法是转换法。
(2) ④ 铜块初始温度为$0° C$,最终末温为$20° C$,温度变化量为$20° C$;铝块初始温度为$0° C$,最终末温为$17° C$,温度变化量为$17° C$,因此铜块的温度变化更大。
两容器内水的质量相等、初温都是$23° C$,甲容器水降温$3° C$,乙容器水降温$6° C$,由$Q_{放}=c_{水}m_{水}\Delta t_{水}$可知乙容器的水放出的热量更多,容器隔热,水放出的热量全部被金属吸收,因此铝块从水中吸收的热量更多。
质量相等的铜和铝,铝吸收的热量更多、温度变化更小,由$c=\frac{Q}{m\Delta t}$可知铝的比热容更大。
【答案】
(1) 酒精;转换法 (2) 铜块;铝块;铝
【知识点】
比热容探究实验;转换法;热量计算公式
【点评】
本题是比热容相关的创新型探究题,跳出了常规“加热液体比较比热容”的固定实验框架,第二问通过低温金属与温水的热传递场景设置考点,解题时需要分别梳理金属、水的初末温度,避免混淆两者的温度变化和吸放热关系,能够有效检验学生对$Q=cm\Delta t$公式的灵活运用能力。
【难度系数】
0.6