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解:
(1) 金属块放出的热量:
$Q_{\mathrm{放}}=c_{\mathrm{金属}}m(t_1-t)=0.875×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×2\ \mathrm{kg}×(90\ ℃-40\ ℃)=8.75×10^4\ \mathrm{J}$
(2) 水吸收的热量:
$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}(t-t_2)=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×5\ \mathrm{kg}×(40\ ℃-38\ ℃)=4.2×10^4\ \mathrm{J}$
(3) 金属块放出的热量和水吸收的热量不相等,造成该现象的原因是热传递过程中有部分热量散发到空气中,存在热量损失。
D
D
不变
$2.8×10^3$
$50.4\%$
解:
(1) 汽车行驶的速度
$v=\dfrac{s}{t}=\dfrac{2.7\ \mathrm{km}}{\dfrac{2}{60}\ \mathrm{h}}=81\ \mathrm{km/h}=22.5\ \mathrm{m/s}$
汽车牵引力的功率$P=81\ \mathrm{kW}=8.1×10^4\ \mathrm{W}$
由$P=Fv$得,汽车的牵引力
$F=\dfrac{P}{v}=\dfrac{8.1×10^4\ \mathrm{W}}{22.5\ \mathrm{m/s}}=3600\ \mathrm{N}$
汽车匀速直线行驶,受力平衡,受到的阻力$f=F=3600\ \mathrm{N}$
(2) 汽车牵引力做的功
$W=Fs=3600\ \mathrm{N}×2.7×10^3\ \mathrm{m}=9.72×10^6\ \mathrm{J}$
由$\eta=\dfrac{W}{Q_放}×100\%$得,氢气完全燃烧放出的热量
$Q_放=\dfrac{W}{\eta}=\dfrac{9.72×10^6\ \mathrm{J}}{40\%}=2.43×10^7\ \mathrm{J}$
由$Q_放=mq$得,消耗氢气的质量
$m=\dfrac{Q_放}{q_{氢气}}=\dfrac{2.43×10^7\ \mathrm{J}}{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}\approx0.17\ \mathrm{kg}$
【分析】
拿到这道题先梳理已知条件:金属块在90℃的水中加热足够长时间,说明金属块初始温度就等于90℃,放入冷水后最终热平衡温度为40℃。第一问求金属块放出的热量,直接套用物体放热公式,代入金属的比热容、质量、降低的温度即可计算。第二问求水吸收的热量,套用吸热公式,代入水的比热容、质量、升高的温度就能算出结果。第三问对比前两问的热量数值,就能发现二者不相等,结合实际热传递的场景分析,理想状态下金属放出的热全部被水吸收,但实际过程中除了水之外,容器、周围空气都会吸收部分热量,因此会出现热量不相等的情况。
【解析】
(1) 金属块在90℃水中加热足够长时间,因此金属块初温$t_1=90\ ℃$,热平衡后末温$t=40\ ℃$,已知$m_{\mathrm{金属}}=2\ \mathrm{kg}$,$c_{\mathrm{金属}}=0.875×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据放热公式:
$Q_{\mathrm{放}}=c_{\mathrm{金属}}m_{\mathrm{金属}}(t_1-t)$
代入数值计算:
$Q_{\mathrm{放}}=0.875×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×2\ \mathrm{kg}×(90\ ℃-40\ ℃)=8.75×10^4\ \mathrm{J}$
(2) 已知水的质量$m_{\mathrm{水}}=5\ \mathrm{kg}$,水的初温$t_2=38\ ℃$,末温$t=40\ ℃$,$c_{\mathrm{水}}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据吸热公式:
$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}(t-t_2)$
代入数值计算:
$Q_{\mathrm{吸}}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×5\ \mathrm{kg}×(40\ ℃-38\ ℃)=4.2×10^4\ \mathrm{J}$
(3) 对比计算结果可知$Q_{\mathrm{放}}>Q_{\mathrm{吸}}$,二者不相等。实际热传递过程中,金属块放出的热量除了被水吸收之外,还有部分热量被装水的容器吸收,还有部分热量散发到周围空气中,存在热量损失,因此二者数值不相等。
【答案】
(1) $8.75×10^4\ \mathrm{J}$
(2) $4.2×10^4\ \mathrm{J}$
(3) 不相等;热传递过程中有部分热量散失到空气中(或被容器吸收),存在热量损失。
【知识点】
吸放热公式计算,热传递,热量损耗
【点评】
本题是热学基础计算题,前两问直接考察吸放热公式的应用,难度较低,第三问打破了理想热平衡下$Q_{\mathrm{吸}}=Q_{\mathrm{放}}$的固有认知,引导学生结合实际实验场景分析误差来源,加深对热传递过程的理解,避免死记硬背理想结论。
【难度系数】
0.8
【分析】
这道题是热学概念的辨析题,我们可以逐个对照知识点排查选项:
1. 首先回忆火箭燃料的选用要求:火箭需要燃料在质量相同时释放尽可能多的能量来获得更大推力,优先选择热值大的燃料,由此判断A的正误。
2. 接着回忆热值的定义:热值是燃料本身的固有属性,只和燃料种类有关,和燃烧充分程度、燃料质量都无关,由此判断B的对错。
3. 然后分析火箭发动机的能量转化过程:燃料燃烧释放内能,高温高压燃气向外喷出将内能转化为火箭的机械能,该过程是通过做功实现的,并非热传递,由此判断C的正误。
4. 最后对照热机的定义:所有将内能转化为机械能的装置都属于热机,即可验证D选项是否正确。
【解析】
我们逐个分析选项:
A选项:火箭发动机选用热值大的燃料,相同质量的燃料完全燃烧时可释放更多热量,为火箭提供更大推力,并非利用比热容大的特性,A错误。
B选项:热值是燃料的固有特性,仅由燃料的种类决定,与燃料燃烧是否充分没有关系,B错误。
C选项:火箭发动机工作时,将燃料燃烧释放的内能通过做功的方式转化为机械能,并非通过热传递获得机械能,C错误。
D选项:热机的工作原理是将内能转化为机械能,火箭发动机工作时也将内能转化为机械能,属于热机,D正确。
【答案】D
【知识点】
热值的特性,热机定义,内能转化方式
【点评】
本题属于热学基础概念辨析题,难度较低,易错点在于混淆热值、比热容的应用场景,以及误认为燃烧充分程度会改变燃料热值,解题时要牢牢把握各物理概念的定义和本质属性,不要被错误表述误导。
【难度系数】0.8
【分析】
首先明确本题的核心逻辑:不计热量损失时,燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收。先写出水吸收热量的公式$Q_吸=c_水m_水\Delta t$,燃料完全燃烧放热公式$Q_放=mq$,由$Q_吸=Q_放$可建立等量关系$mq=c_水m_水\Delta t$。本实验中被加热的水的质量$m_水$、水的比热容$c_水$均为定值,因此可以通过对该等式变形得到热值$q$的表达式,再逐一对照选项分析各物理量的关系,即可判断正误。
【解析】
不计热量损失,燃料完全燃烧释放的热量全部被水吸收,因此满足热平衡关系:
$Q_放 = Q_吸$
代入对应公式得:
$mq = c_水m_水\Delta t$
由于实验中水的质量$m_水$、水的比热容$c_水$均为固定值,对公式变形可得热值的表达式:
$q = \frac{c_水m_水\Delta t}{m}$
逐一分析选项:
A选项:当燃料质量$m$相同时,$\Delta t$越小,由$q$的表达式可知分子$\Delta t$减小,计算得到的$q$越小,即燃料热值越小,A错误。
B选项:当水升高的温度$\Delta t$相同时,燃料质量$m$越大,由$q$的表达式可知分母$m$增大,计算得到的$q$越小,即燃料热值越小,B错误。
C、D选项:将$q$的表达式进一步变形可得$q = \frac{c_水m_水}{\frac{m}{\Delta t}}$,其中$c_水m_水$为定值,因此热值$q$与$\frac{m}{\Delta t}$(即$m$和$\Delta t$的比值)成反比:$m$和$\Delta t$的比值越大,热值$q$越小;$m$和$\Delta t$的比值越小,热值$q$越大。因此C错误,D正确。
【答案】
D
【知识点】
燃料热值,吸热公式,热平衡方程
【点评】
本题是热值探究实验的推导类题型,核心是利用不计热损失的条件建立燃料放热和水吸热的等量关系,通过公式变形分析物理量的比例关系,易错点是容易混淆$m$、$\Delta t$的比值和热值的正反比关系,需要通过严谨的公式推导判断,避免凭直觉错选。
【难度系数】
0.6
【分析】
这是一道热学综合计算题,我们可以分三步逐步推导:
1. 第一空判断比热容变化:首先明确比热容是物质的固有物理属性,只和物质的种类、状态有关,和温度高低、吸收热量多少无关,红汤沸腾后物质种类和状态都没有发生改变,因此直接判断比热容的变化情况。
2. 第二空求红汤的比热容:先利用已知的清汤比热容,通过吸热公式算出清汤从20℃升温到100℃吸收的总热量,结合题目给出的“相同时间红汤和清汤吸热相同”的条件,清汤总加热时长是9min,红汤沸腾仅用时6min,按时间比例算出红汤沸腾前吸收的热量,再对吸热公式变形,代入红汤的质量、温度变化量,即可求出红汤的比热容。
3. 第三空求燃气灶加热效率:先根据天然气的体积和热值算出天然气完全燃烧释放的总热量,总加热时长为9min,这段时间内红汤和清汤吸热速率完全相同,因此9min内红汤吸收的总热量和清汤沸腾吸收的热量相等,总有效吸热为两者吸热之和,最后用总有效吸热除以天然气总放热就能得到加热效率。
【解析】
1. 判断比热容变化:
比热容是物质的物理属性,仅与物质的种类和状态有关,与温度、吸收的热量无关,因此红汤沸腾后继续加热,其比热容不变。
2. 计算牛油红汤的比热容:
菌菇清汤从20℃升温到100℃的温度变化Δt=100℃-20℃=80℃,根据吸热公式可得清汤吸收的热量:
$Q_{吸清汤}=c_{清汤}m\Delta t=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×1.5\ \mathrm{kg}×80\ \mathrm{℃}=5.04×10^5\ \mathrm{J}$
清汤从加热到沸腾总用时$t_清=6\ \mathrm{min}+3\ \mathrm{min}=9\ \mathrm{min}$,红汤沸腾用时$t_红=6\ \mathrm{min}$,相同时间两者吸热相同,因此红汤沸腾前吸收的热量:
$Q_{吸红前}=\dfrac{t_红}{t_清}×Q_{吸清汤}=\dfrac{6\ \mathrm{min}}{9\ \mathrm{min}}×5.04×10^5\ \mathrm{J}=3.36×10^5\ \mathrm{J}$
对吸热公式变形得红汤的比热容:
$c_{红汤}=\dfrac{Q_{吸红前}}{m\Delta t}=\dfrac{3.36×10^5\ \mathrm{J}}{1.5\ \mathrm{kg}×80\ \mathrm{℃}}=2.8×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$
3. 计算天然气灶的加热效率:
$0.05\ \mathrm{m^3}$天然气完全燃烧放出的总热量:
$Q_放=Vq=0.05\ \mathrm{m^3}×4×10^7\ \mathrm{J/m^3}=2×10^6\ \mathrm{J}$
总加热时长为9min,这段时间内红汤和清汤吸热速率相同,因此9min内红汤吸收的总热量也等于$5.04×10^5\ \mathrm{J}$,总有效吸热:
$Q_{吸总}=5.04×10^5\ \mathrm{J}+5.04×10^5\ \mathrm{J}=1.008×10^6\ \mathrm{J}$
加热效率:
$\eta=\dfrac{Q_{吸总}}{Q_放}×100\%=\dfrac{1.008×10^6\ \mathrm{J}}{2×10^6\ \mathrm{J}}×100\%=50.4\%$
【答案】
不变;$2.8×10^3$;$50.4\%$
【知识点】
比热容的特性;吸热公式应用;热效率计算
【点评】
本题的易错点是计算加热效率时容易忽略红汤沸腾后3分钟也在持续吸热,误以为总有效吸热仅为清汤的吸热量,解题时要紧扣“相同时间红汤和清汤吸热相同”的条件,确认总加热9分钟内两者的总吸热相等,避免漏算红汤沸腾后的吸热部分。
【难度系数】
0.6
【分析】
这是一道力热综合的基础计算题,我们可以分两小问梳理解题思路:
1. 第一问求行驶阻力:汽车做匀速直线运动时水平方向受力平衡,阻力大小和牵引力大小相等,因此只需要求出牵引力即可。题目给出了牵引力的功率,我们可以先通过已知的行驶路程和时间算出汽车的行驶速度,再利用功率的推导公式P=Fv变形求出牵引力,最后通过二力平衡条件得到阻力的大小。
2. 第二问求消耗氢气的质量:先计算出牵引力做的有用功,结合已知的发动机效率,根据热机效率公式η=W/Q放求出氢气完全燃烧释放的总热量,最后利用燃料完全燃烧放热公式Q放=mq变形,就能算出消耗氢气的质量,按要求保留两位小数即可。
【解析】
(1)统一单位后计算汽车行驶速度:
已知行驶路程$s=2.7\ \mathrm{km}=2.7×10^3\ \mathrm{m}$,行驶时间$t=2\ \mathrm{min}=120\ \mathrm{s}$
汽车的速度:$v=\dfrac{s}{t}=\dfrac{2.7×10^3\ \mathrm{m}}{120\ \mathrm{s}}=22.5\ \mathrm{m/s}$
已知牵引力功率$P=81\ \mathrm{kW}=8.1×10^4\ \mathrm{W}$,根据功率推导式$P=\dfrac{W}{t}=\dfrac{Fs}{t}=Fv$,变形得牵引力:
$F=\dfrac{P}{v}=\dfrac{8.1×10^4\ \mathrm{W}}{22.5\ \mathrm{m/s}}=3600\ \mathrm{N}$
汽车沿平直公路匀速直线行驶,水平方向牵引力和阻力为一对平衡力,二力大小相等,因此阻力$f=F=3600\ \mathrm{N}$。
(2)计算牵引力做的有用功:
$W=Fs=3600\ \mathrm{N}×2.7×10^3\ \mathrm{m}=9.72×10^6\ \mathrm{J}$
已知发动机效率$\eta=40\%$,根据热机效率公式$\eta=\dfrac{W}{Q_放}×100\%$,变形得氢气完全燃烧放出的总热量:
$Q_放=\dfrac{W}{\eta}=\dfrac{9.72×10^6\ \mathrm{J}}{40\%}=2.43×10^7\ \mathrm{J}$
根据燃料完全燃烧放热公式$Q_放=mq_{氢气}$,变形得消耗氢气的质量:
$m=\dfrac{Q_放}{q_{氢气}}=\dfrac{2.43×10^7\ \mathrm{J}}{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}\approx0.17\ \mathrm{kg}$
【答案】
(1)$3\ 600\ \mathrm{N}$ (2)$0.17\ \mathrm{kg}$
【知识点】
功率公式应用、二力平衡、热值计算
【点评】
本题是力学功率和热机热值结合的经典基础综合题,属于中考常考的力热计算题型,解题核心是利用匀速运动的受力特点关联阻力和牵引力,顺着“有用功→总放热→燃料质量”的逻辑链条逐步推导即可,解题过程注意统一各物理量的单位,最后按要求对结果保留小数位数。
【难度系数】
0.7