江苏省 苏科版 初三物理 上学期 第十二章 机械能和内能 汇编之热机效率类计算有答案.docx
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江苏省苏科版初三物理上学期第十二章机械能和内能汇编之热机效率类计算有答案
第十二章机械能和内能汇编之热机效率类计算
1.2017年5月5日,拥有我国自主知识产权的C919大型客机在上海浦东机场成功首飞。
若客机在空中以720km/h的速度沿水平直线匀速飞行5分钟,受到的阻力是其重力的0.1倍;客机发动机靠完全燃烧航空煤油提供能量,其机械效率为75%;已知客机质量m=7.5×104kg.(g取10N/kg)
(1)求客机在这段时间内通过的路程和发动机的功率
(2)求发动机在这段时间内燃烧航空煤油的质量。
(假设航空煤油的热值q=5×108J/kg)
2.在一次测试中,某家用小汽车沿水平道路以72km/h的速度匀速行驶1.5h,消耗汽油6L.(g=10N/kg,汽油的密度p=0.7×103kg/m3,汽油的热值q=4.6×107J/kg)
(1)若该车连同乘客总质量为1800kg,轮胎与地面接触的总面积为600cm2,则静止时汽车对水平路面的压强是多大?
(2)测试中,若平均阻力为500N,牵引力做功的功率是多大?
(3)在本次测试中,该车内燃机的效率是多大?
(计算结果精确到1%)
3.
一辆使用乙醇汽油为燃料的轿车,以108km/h的速度在水平高速公路上匀速行驶120km,发动机动力推动轿车前进做功的功率为15kW.已知乙醇汽油的热值q=4×107Jkg,乙醇汽油完全燃烧产生的内能转化为发动机动力推动轿车前进做功的效率是25%.在这段路程中,问:
(1)轿车行驶的时间为多少秒?
(2)发动机动力做的功?
(3)汽车受到的阻力?
(4)消耗乙醇汽油的质量?
4.物理兴趣小组的同学在热水器中加了2kg的水,让热水器正常工作,并绘制出通加热过程中水温随时间的变化情况图,求:
(1)加热2min,水的温度升高了多少℃
(2)加热6min,水吸收了多少热量?
(3)该热水器正常工作4min放出热量2.4×105J的热量则该热水器的效率为多少?
5.“绿水青山就是金山银山”,环境保护、低碳生活已经成为全社会的共识。
某市的公交公司引入了一款电动客车取代原来的普通燃油客车,它的整车质量是3.5t,轮胎与路面的总接触面积是0.2m2.当它以30m/S的速度沿水平路面匀速行驶时,受到的阻力是3000N.请回答下列问题:
(g=10N/g)
(1)电动客车静止时对水平路面的压强是多大?
(2)电动客车以30m/s的速度沿水平路面匀速行驶时,它的输出功率是多大?
(3)若燃油客车的输出功率与电动客车相同,燃油客车的效率为40%,行驶1h,要燃烧多少升的燃油?
(燃油的热值是3.24×107J/L)
6.2014成都“西博会”展示的某型号的房车测试时,在一段平直公路上匀速行驶了36km,用时半小时,车的总质量为3×103 kg,受到的阻力为车重的0.1倍,其中g=10N/kg.求:
(1)该房车的行驶速度;
(2)该房车牵引力所做的功;
(3)已知这一过程消耗燃油1.5×10-2m3,则热机在这一过程中消耗的总能量(假设燃油完全燃烧,燃油密度为0.8×103kg/m3,燃油热值q为4.5×107J/kg);
(4)该房车发动机的热机效率.
7.一辆水陆两栖坦克总重3×105N,它的发动机是一台新型内燃机,两条履带与地面接触的总面积为5m2.(ρ水=1.0×103kg/m3g=10N/kg)
(1)该坦克要从水平冰面上经过,冰层能承受的最大压强为7×104Pa,请用计算说明坦克能否安全通过?
(2)该坦克涉水过河漂浮在水面上时,求它排开水的体积是多大?
(3)一次执行任务时,该坦克在平直公路上匀速行驶1200m,用时2min,发动机牵引力的功率保持600kW恒定不变,发动机消耗了4.5kg的燃料(燃料的热值为4.0×107J/kg),求发动机提供的牵引力是多大?
发动机的效率是多大?
8.汽车已进入百姓家庭,汽车发动机性能的好坏倍受人们关注.在汽车发动机的设计过程中,既要考虑能量的有效利用,又要考虑发动机的冷却问题.[汽油热值为4.6×107J/kg,汽油密度为0.7×103kg/m3,水的比热容为4.2×103J/(kg•℃)]
(1)为了防止发动机过热,汽车的冷却系统常用水的循环来降低发动机的温度.5kg水在冷却系统中温度升高50℃,所吸收的热量是多少?
(2)假如5kg水温度升高50℃,吸收的热量由燃气热水器燃烧天然气来提供,燃烧天然气体积为0.1m3(假设天然气完全燃烧).已知天然气的热值为3.2×107J/m3.求该热水器的效率?
(3)10L汽油在汽车发动机汽缸内燃烧30min,可以释放出多少能量(假设汽油完全燃烧)?
若发动机输出的功率为6×104 W,则此汽车发动机的效率是多少?
(汽车发动机效率的计算结果精确到1%)
9.建筑工地上有一台大型汽车吊,把100t建筑材料从地面吊到15m高处,在这过程中,汽车吊消耗柴油的质量为2.0kg(柴油的热值为q=4.3×107J/kg,取g=10N/kg),求:
(1)汽车吊做的有用功是多少?
(2)完全燃烧2.0kg柴油释放的内能是多少?
(3)该过程中汽车吊的效率为多少?
10.我国自主研制的“红旗HQ3”无人驾驶汽车在某段平直公路上进行测试,汽车以18m/s的速度匀速行驶了5min,消耗燃油0.3kg,汽车发动机的牵引力是1000N.已知燃油的热值为4.5×107J/kg。
试求:
(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量是多少?
(2)汽车牵引力所做的功是多少?
(3)发动机的效率是多少?
答案和解析
1.【答案】解:
(1)客机的速度v=720km/h=200m/s,t=5min=300s,
由v=得客机通过的路程:
s=vt=200m/s×300s=6×104m;
由于客机沿水平直线匀速飞行,
则二力平衡条件可得牵引力:
F=f=0.1G=0.1mg=0.1×7.5×104kg×10N/kg=7.5×104N;
发动机的功率:
P===Fv=7.5×104N×200m/s=1.5×107W;
(2)飞机发动机在这段时间内所做的功:
W=Fs=7.5×104N×6×104m=4.5×109J;
由η=得,燃料燃烧放出的热量:
Q===6×109J,
由Q=mq得,燃烧燃料的质量:
m′===12kg。
答:
(1)客机在这段时间内通过的路程为6×104m;发动机的功率为1.5×107W;
(2)发动机在这段时间内燃烧航空煤油的质量12kg。
【解析】
(1)已知客机的速度和行驶的时间,根据公式s=vt可求通过的路程;
客机匀速运动,牵引力等于客机受到的阻力,根据公式P=Fv可求发动机的功率。
(2)根据W=Fs求出飞机发动机在这段时间内所做的功:
然后根据η=
求出燃料燃烧放出的热量,再根据Q=mq求出燃料的质量。
本题考查路程、牵引力、功和功率、热值等的计算,综合性强,关键是公式及其变形的灵活运用,要知道客机做匀速运动时牵引力等于受到的阻力。
2.【答案】解:
(1)该车静止在水平路面上时,对路面的压力:
F压=G=mg=1800kg×10N/kg=1.8×104N,
轮胎与地面接触的总面积为600cm2=6×10-2m2,
汽车对路面的压强:
p===3×105Pa;
(2)汽车行驶的速度:
v=72km/h=20m/s,
已知平均阻力f=500N,
因汽车匀速行驶时受到的阻力和牵引力是一对平衡力,大小相等,
所以,牵引力F=f=500N,
牵引力做功的功率:
P===Fv=500N×20m/s=1×104W。
(3)消耗汽油的体积:
V=6L=0.006m3,
由ρ=可得,消耗汽油的质量:
m′=ρV=0.7×103kg/m3×0.006m3=4.2kg,
汽油完全燃烧放出的热量:
Q放=m′q=4.2kg×4.6×107J/kg=1.937×108J,
这段时间内该发动机所做的功:
W=Pt=1×104W×1.5×3600s=5.4×107J;
该车内燃机的效率:
η==×100%≈28%。
答:
(1)静止时汽车对水平路面的压强是3×105Pa;
(2)测试中,若平均阻力为500N,牵引力做功的功率是1×104W;
(3)在本次测试中,该车内燃机的效率是28%。
【解析】
(1)小汽车静止在水平路面上时对地面的压力和自身的重力相等,根据G=mg求出其大小,根据p=
求出对路面的压强;
(2)先进行速度单位的换算,已知平均阻力为500N,汽车匀速行驶时受到的阻力和牵引力是一对平衡力,大小相等,根据P=
=
=Fv求出汽车的功率;
(3)知道消耗汽油的体积,根据密度公式求出消耗汽油的质量,根据Q放=mq求出汽油完全燃烧释放的热量,再根据效率公式求出该发动机的效率。
本题是力学和热学的综合题,考查了学生对密度公式、压强公式、燃料完全燃烧放热公式、功率公式、效率公式的掌握和运用,利用所学知识,计算解决实际问题,学以致用。
3.【答案】解:
(1)轿车的速度v=108km/h=30m/s,行驶路程s=120km=1.2×105m,
则根据v=可得,行驶的时间为:
t===4×103s;
(2)因为P=,
所以发动机动力做的功:
W=Pt=15×103W×4×103s=6×107J;
(3)因为P===Fv,
所以汽车的牵引力:
F===500N;
轿车以108km/h的速度在水平高速公路上匀速行驶,受力平衡,
所以,受到的阻力:
f=F=500N;
(4)因为η=25%,η=。
所以,乙醇汽油燃烧放出的热量为:
Q放===2.4×108J,
根据Q放=mq可得,乙醇汽油的质量为:
m===6kg。
答:
(1)轿车行驶的时间为4×103s;
(2)发动机动力做的功6×107J;
(3)汽车受到的阻力500N;
(4)消耗乙醇汽油的质量为6kg。
【解析】
(1)利用速度公式计算轿车行驶的时间;
(2)利用P=
计算发动机动力做的功;
(3)利用P=
=
=Fv计算汽车的牵引力,然后利用二力平衡得出受到的阻力;
(4)已知汽车发动机的效率为25%,可利用公式Q放=
计算出乙醇汽油燃烧放出的热量,再利用公式m=
计算出乙醇汽油的质量。
此题为热学和力学综合题,主要考查了速度公式、功、功率,以及热机的效率的相关计算,同时考查二力平衡条件及其应用,关键是各种公式的熟练运用。
4.【答案】解:
(1)水温升高△t=30℃-20℃=10℃;
(2)水吸收热量Q=cm△t=4.2×103J/(kg•℃)×2kg×30℃=2.52×105J;
(3)热水器工作4min放出热量为:
Q吸=cm△t=4.2×103J/(g·℃)×2kg×20℃=1.68×105J
Q放=2.4×105J
热水器的效率为:
。
答:
(1)加热2min,水的温度升高了10℃;
(2)加热6min,水吸收了2.52×105J的热量;
(3)该热水器的效率为70%。
【解析】
解决此类综合性的题目,要结合相关的物理公式分析求解。
根据图象可以读出在各时间段内水的温度,利用公式Q吸=cm△t计算水吸收的热量,利用效率的公式
求出热水器的效率。
5.【答案】解:
(1)电动客车整车质量是3.5t,其重力G=mg=3.5×103kg×10N/kg=3.5×104N,电动客车对地面的压力F=G=3.5×104N,电动客车轮胎与路面的总接触面积是0.2m2,受力面积:
S=0.2m2,电动客车静止时对水平路面的压强是:
p===1.75×105Pa;
(2)当电动客车以30m/s的速度沿水平路面匀速行驶时,受到的阻力是3000N,根据二力平衡,电动客车的牵引力等于阻力,F=f=3000N,它的输出功率是:
P===Fv=3000N×30m/s=9×104W;
(3)若燃油客车的输出功率与电动客车相同,即P=9×104W,行驶1h,做的有用功:
W有用=Pt=9×104W×1×3600s=3.24×108J,燃油客车的效率为40%,
根据η===,故要燃烧的燃油:
V===25L。
答:
(1)电动客车静止时对水平路面的压强是1.75×105Pa;
(2)电动客车以30m/S的速度沿水平路面匀速行驶时,它的输出功率是=9×104W;
(3)若燃油客车的输出功率与电动客车相同,燃油客车的效率为40%,行驶1h,要燃烧25升的燃油。
【解析】
(1)已知电动客车整车质量,根据G=mg求其重力,电动客车对地面的压力F=G,已知电动客车轮胎与路面的总接触面积即受力面积,根据p=
求电动客车静止时对水平路面的压强;
(2)当电动客车以30m/s的速度沿水平路面匀速行驶时,受到的阻力是3000N,根据二力平衡,求出电动客车的牵引力,根据P=
=
=Fv求出输出功率;
(3)根据燃油客车的输出功率与电动客车相同,根据W有用=Pt求出行驶1h做的有用功;
根据η=
=
=
变形公式求要燃烧的燃油。
本题以当前的环保热点为背景,考查重力、压强、功率、热值、效率与二力平衡的知识,综合性较强。
6.【答案】解:
(1)v===72km/h;
(2)车重G=mg=3×103kg×10N/kg=3×104N,
车受到的阻力:
f=0.1×G=0.1×3×104N=3×103N,
因为车匀速行驶,
所以牵引力F=f=3×103N,
牵引力做功:
W有用=Fs=3×103N×36000m=1.08×108J,
(3)由ρ=得消耗燃油的质量:
m=ρV=0.8×103kg/m3×1.5×10-2m3=12kg,
燃油完全燃烧放出的热量(消耗的总能量):
W总=Q放=mq=12kg×4.5×107J/kg=5.4×108J,
(4)房车的牵引力所做的功就是有用功,燃油完全燃烧放出的热量就是房车所做的总功,
η=×100%=×100%=20%.
答:
(1)该房车的行驶速度为72km/h;
(2)该房车牵引力所做的功为1.08×108J;
(3)热机在这一过程中消耗的总能量为5.4×108J;
(4)该房车的效率为20%.
【解析】
(1)知道车行驶的路程和时间,利用v=
求车的速度;
(2)知道车的质量,利用G=mg求车重,而受到的阻力为车重的0.1倍,可求车受到的阻力;由于车匀速行驶,车受到的牵引力和阻力是一对平衡力,大小相等,可求牵引力大小,又知道行驶的路程,利用W=Fs求牵引力做功;
(3)知道燃油的密度和体积,利用m=ρV求燃油的质量,再利用Q放=mq求燃油完全燃烧放出的热量,即热机消耗的总能量;
(4)利用效率公式求该房车的效率.
本题为力学、热学、电学的综合题,综合考查了学生对重力公式、密度公式、功的公式、燃料完全燃烧放热公式、效率公式、二力平衡条件的了解与掌握,要求灵活运用相关公式.
7.【答案】解:
(1)一辆水陆两栖坦克总重3×105N,对冰面的压力等于其重力,
坦克对冰面的压强:
p====6×104Pa<7×104Pa,故坦克能安全通过;
(2)该坦克过河漂浮在水面上时,其受到的浮力等于重力,即F浮=G=3×105N,
由F浮=ρ水gV排得排开水的体积:
V排===30 m3;
(3)该坦克在平直公路上匀速行驶的速度:
v===10m/s,
因匀速行驶,且P===Fv,则发动机提供的牵引力:
F===6×104N,
4.5kg的燃料完全燃烧放出的热量:
Q=mq=4.5kg×4.0×107J/kg=1.8×108J,
发动机的效率:
η===×100%=40%,
答:
(1)冰层能承受的最大压强为7×104Pa,该坦克能从水平冰面上安全通过;
(2)该坦克涉水过河漂浮在水面上时,它排开水的体积是30 m3;
(3)发动机提供的牵引力是6×104N,发动机的效率是40%。
【解析】
(1)坦克在对冰面的压力等于其重力,已知受力面积,利用p=
求压强大小,并与冰层能承受的最大压强比较;
(2)坦克在水中航行时,处于漂浮状态,受到的浮力等于自重,利用F浮=ρ水gV排求排开水的体积;
(3)已知坦克在平直公路上匀速行驶的距离与时间,v=
求其速度,根据P=
=
=Fv求出发动机提供的牵引力;
已知发动机消耗了4.5kg的燃料和燃料的热值为4.0×107J/kg,根据Q=mq求放出的热量,根据η=
=
×100%求发动机的效率。
本题考查了压强公式、功率公式、物体浮沉条件的应用、功、燃料放出热量及效率的计算,综合性强。
8.【答案】解:
(1)水温升高50℃吸收的热量:
Q吸=cm△t=4.2×103 J/(kg•℃)×5kg×50℃=1.05×106J;
(2)天然气放出的热量为:
Q放=vq=0.1m3×3.2×107J/m3=3.2×106J;
该热水器的效率为:
;
(3)汽油的体积V=10L=0.01m3,
汽油的质量为:
m=ρV=0.7×103kg/m3×0.01m3=7kg,
这些汽油完全燃烧放出的热量:
Q放=mq=7kg×4.6×107J/kg=3.22×108J;
发动机工作时间:
t=30min=1800s,
发动机做的有用功:
W=Pt=6×104W×1800s=1.08×108J,
发动机的效率:
。
答:
(1)5kg水在冷却系统中温度升高50℃,所吸收的热量是1.05×106J;
(2)10L汽油在汽车发动机汽缸内燃烧30min,可以释放出3.22×108J的能量;此汽车发动机的效率是34%。
【解析】
(1)知道水的质量、水温度的升高值和水的比热容,利用吸热公式求水吸收的热量;
(2)根据公式Q=vq计算天然气放出的热量,根据效率公式计算热水器的效率;
(3)知道汽油的体积,利用密度公式求汽油的质量,再利用燃料完全燃烧放热公式求汽油燃烧可以释放的能量(总能量);
知道发动机的输出功率和工作时间,利用W=Pt可求有用功,再利用效率公式求发动机的效率。
本题考查了学生对密度公式、吸热公式、功率公式、燃料完全燃烧放热公式、效率公式的掌握和运用,知识点多、综合性强,要求灵活运用公式,属于难题!
9.【答案】解:
(1)建筑材料的质量m=100t=105kg,
建筑材料的重力为:
G=mg=105kg×10N/kg=106N,
汽车吊做的有用功为:
W有用=Gh=106N×15m=1.5×107J。
(2)柴油完全燃烧释放的内能(即柴油完全燃烧放出的热量):
Q放=m柴油q=2.0kg×4.3×107J/kg=8.6×107J;
(3)汽车吊的效率为:
η==×100%≈17.4%。
答:
(1)汽车吊做的有用功是1.5×107J;
(2)完全燃烧2.0kg柴油释放的内能是8.6×107J;
(3)该过程中汽车吊的效率为17.4%。
【解析】
(1)知道建筑材料的质量,可利用公式G=mg计算出建筑材料的重力,又知道上升的高度,可利用公式W有用=Gh计算出汽车吊做的有用功。
(2)知道柴油的质量和柴油的热值,可利用公式Q放=mq计算出柴油完全燃烧放出的热量,即燃烧柴油释放的内能。
(3)利用效率公式η=
计算出汽车吊的效率。
此题主要考查的是学生对功的计算公式、热值的计算和热机效率计算公式的理解和掌握,在计算过程中要注意单位的换算。
10.【答案】解:
(1)汽油完全燃烧放出的热量:
Q放=mq=0.3kg×4.5×107J/kg=1.35×107J;
(2)汽车匀速行驶的时间t=5min=300s:
由v=可得:
s=vt=18m/s×300s=5400m,
汽车发动机所做的有用功:
W=Fs=1000N×5400m=5.4×106J;
(3)汽油机的效率:
η=×100%=×100%=40%。
答:
(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量是1.35×107J;
(2)汽车牵引力所做的功是5.4×106J;
(3)发动机的效率是40%。
【解析】
(1)知道消耗汽油的质量,利于Q放=mq求出汽油完全燃烧放出的热量;
(2)知道汽车匀速行驶的时间和速度,根据v=
求出汽车匀速行驶的路程,根据W=Ft求出汽车牵引力所做的功;
(3)根据η=
×100%求出汽油机的效率。
本题考查了速度公式和做功公式、燃料完全燃烧释放热量公式、效率公式的综合应用,掌握好相应的公式不难解答。