資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
2023-2024人教版9年物理全冊同步學講練測學案（全國通用）
第十四章 內能的利用 專題14.3 能量的轉化和守恒
1.知道各種形式的能是可以相互轉化的。
2. 知道各種能在轉化的過程中，能量的總量是保持不變的。
3. 能列舉出日常生活中能量守恒的實例。
閱讀本節課教材，參考教材完成教師給出的知識點問題的填空：
知識點1. 能量守恒定律
1.能的轉化和轉移：各種形式的能量都可以在一定條件下相互 .用熱傳遞的方法改變內能，實質上是內能從高溫物體_____到低溫物體的過程；用做功的方法改變內能，實質上是內能和機械能相互的_____過程。
2.能量守恒定律：能量既不會憑空消滅，也不會憑空產生，它只會從一種形式 為其他形式，或者從一個物體 到另一個物體，而在轉化和轉移的過程中，能量的 保持不變.
知識點2. 能量轉換裝置的效率問題
這個問題屬于難點，是與本節有關的拓展性知識。是學生開闊實驗，提高物理思維素養的好素材。
能量轉換裝置的效率等于_____的能量與輸入_____的之比，用百分數表示。根據定義，若W為轉換的能量，Q為輸入的總能量，η為能量轉換裝置的效率，則：
考點1. 能量轉化和轉移
【例題1】（2023北京） 如圖所示，在試管內裝適量水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時間后，橡膠塞被推出，管口出現大量“白氣”。下列說法正確的是（　　）
A. 管口出現的“白氣”是水蒸氣
B. 水蒸氣推出橡膠塞導致水蒸氣內能增加
C. 水被加熱的過程中，其內能是通過做功的方式改變的
D. 水蒸氣推出橡膠塞的過程中，橡膠塞的動能是由水蒸氣的內能轉化來的
考點2. 能量守恒定律
【例題2】（2023甘肅金昌）汽車在剎車過程中，機械能轉化為地面和輪胎的內能，這些內能將無法自動地轉化為汽車的機械能，這種現象說明自發的能量轉化過程是有一定______性的，但在能量的轉化和轉移過程中，能的總量_____（選填“不斷減少”、“保持不變”或“不斷增加”）。
【演練1】（2022湖南益陽）下列能量轉化或轉移的情景中，屬于能量轉移的是（　?。?br/>A. 燃料燃燒時發熱
B. 用熱水袋取暖
C. 鉆木取火
D. 電動機帶動水泵把地下水送到地面
【演練2】 （2022江蘇連云港）知識梳理是學習的一種重要方法，請將動能、能、機械能、內能填在下列知識結構圖對應的序號框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
根據能量守恒定律分析能量轉化的思路
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有能量轉化的過程，都服從能量守恒定律。根據能量守恒定律，在分析自然現象時，如果發現某種形式的能量減少，一定能找到另一種形式的能量增加；反之，當某種形式的能量增大時，也一定可以找到另一種形式的能量減少。
（滿分100分，答題時間45分鐘，根據下面給出的試題答案與解析自測自評）
一、選擇題（本大題4小題，每小題5分，共20分）
1. 內燃機的能量流向圖如圖所示。內燃機的效率為（　　）
A. 7% B. 28% C. 31% D. 34%
2. 2022年6月5日，中國載人航天飛船神舟十四號發射成功。如圖所示，飛船在空中加速上升時的能量轉化情況是（　?。?br/>A. 飛船的動能轉化為重力勢能，動能減小
B. 飛船的重力勢能轉化為動能，重力勢能減小
C. 燃料燃燒產生的內能轉化為飛船的機械能
D. 沒有發生能量的轉化，飛船的機械能不變
3.目前長沙城區的老居民小區正在進行水路改造，改造中用到了一種打孔工具﹣﹣沖擊鉆，沖擊鉆工作時，鉆頭在電動機的帶動下不斷地沖擊墻壁，打出圓孔，如圖所示，沖擊鉆在工作過程中，其能量轉化關系是（　?。?br/>A．內能轉化為機械能
B．內能轉化為電能
C．只有機械能和內能的轉化
D．有電能、機械能和內能的轉化
4.能量的轉化是自然界普遍的現象．下列關于能量轉化的觀點錯誤的是（ ）
水果電池 光合作用 鉆木取火 電磁感應
A. 水果電池是電能轉化為化學能 B. 光合作用是光能轉化為化學能
C. 鉆木取火是機械能轉化為內能 D. 電磁感應現象是電能轉化為機械能
二、填空題（本大題4小題，9個空，每空3分，共27分）
1. （2022廣東）圖表示四沖程汽油機處于_______沖程。汽車尾氣帶走的能量______（選填“能”或“不能”）自動匯集回來轉化成燃料的化學能，這反映了能量的轉化具有________。
2. 常用打火機的打火方式有兩種，一種是用一個粗糙的小輪摩擦“火石”打火；另一種是利用高壓電裝置打火。從能量轉化角度看，前者是把______能轉化為內能；后者是把_____能轉化為內能。
3. （2022黑龍江牡雞）2022年6月5日，“神州十四號”火箭發射成功，火箭使用液態氫作燃料是因為液態氫的_____較大；火箭向下噴射燃氣獲得推力加速上升，是_____能轉化為機械能。
4. 現代電動汽車為了節能，都安裝了能量回收裝置，在汽車剎車時帶動發電機，將汽車的______能轉化為電能，為汽車提供后續運動的能量。有人認為，只要不斷改進，這種汽車就可以一邊行駛，一邊發電，永遠運動下去，這種觀念違背了______。
三、實驗題（本大題1小題，共12分）
1. （2022江蘇揚州）利用氣球可以完成下列實驗：
（1）在氣球上粘上小塑料顆粒，代表宇宙中天體，氣球膨脹時，任意一個塑料顆粒周圍的其他的塑料顆粒都與它______，可模擬宇宙膨脹現象。
（2）如圖1所示，充滿氣體的氣球向左噴氣而向右飛出，說明______，此過程發生的能量轉化與圖_____（選填“2”或“3”）中的能量轉化是一致的。
四、簡答題（本大題2小題，每小題各8分，共16分）
1.有人曾設想制造一種不消耗任何能量和燃料，卻源源不斷對外做功的機器，人們把這種機器叫永動機。這種機器有可能制成嗎？
2. 飛越蒼彎，筑夢星河。2022年6月5日10時44分07秒，神舟十四號載人飛船成功發射?；鸺c火后，向下快速噴出氣體，推動火箭加速上升。請你結合實際，分析并解答下列問題：
（1）火箭向下快速噴出氣體，推動火箭加速上升，此過程包含哪些力學知識，請你說出兩點。
（2）請分析發射過程中存在哪些能量轉化。
五、計算題（本大題2小題，共25分）
1.（10分）小華家使用的是天然氣熱水器，該熱水器的銘牌標明了它的熱效率，表示該熱水器工作時，天然氣完全燃燒所消耗的化學能，有多大比例轉化為水的內能。
小華嘗試估測該熱水器的熱效率，以核對銘牌上的數值是否準確。他把家里自動洗衣機的“水量”設置為40L，用熱水器輸出的熱水注入洗衣機，當注入水的體積達到40L時洗衣機便會自動停止注水。已知當時自來水的溫度是15℃，熱水器輸出熱水的溫度為40℃，注入前天然氣表的示數是2365.89m3，注水后變為2366.05m3，天然氣的熱值為3.2×107J/m3。請你估測該熱水器的熱效率。
2. （15分）2022年北京冬奧會示范運營1000多輛氫燃料電池車（如圖所示），該車排放物是水，不產生任何污染物，是當前世界新能源汽車重要的發展方向。假設某國產氫燃料電池車總質量為5×103kg。在某次測試中該車勻速行駛時受到的阻力是車重的0.02倍，在0.5h內行駛了28km的路程，消耗的氫能源為0.4kg（不考慮氫能源燃料消耗對車質量的影響）。求該測試過程中氫燃料電池車：（已知q氫=1.4×108J/kg，g取10N/kg）
（1）行駛的平均速度為多少km/h；
（2）牽引力做功；
（3）氫能源燃燒釋放的能量轉化為機械能的效率。
焦耳對能量轉化和守恒定律的貢獻
這個人就是英國的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命導師馬克思同歲，1818年出生于英國曼徹斯特，父親是一個富有的釀酒廠主。焦耳從小跟著父親學習釀酒，沒有上過什么正規的學校，曾經在一個家庭學校里學習過。1834年，16歲的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼徹斯特文學與哲學學會的道爾頓的門下學習。很難想象現在的教授會收兩個沒上過什么正規學校的小屁孩做自己的學生，不過，當年這位大化學家的經濟狀況也確實不大好。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學習了兩年算術和幾何，后來道爾頓因中風而退休。跟隨道爾頓的這段經歷影響了焦耳的一生。大師的指導對他的成長起了關鍵的作用，使他對科學研究發生了濃厚的興趣，并學到了他理論與實踐相結合的科學研究方法。之后焦耳進入曼徹斯特大學就讀。畢業后回家經營啤酒廠，直到1854年賣出啤酒廠之前，這一直都是他的“正業”，科學只是焦耳的一個業余愛好。
在1831年法拉第發現電磁感應定律之后，從英國開始，掀起了一場席卷歐洲和北美的電氣熱潮。1838年，20歲的焦耳也投入到了這場電氣熱潮之中，開始研究起磁電機來。在實驗過程中他注意到電機和電路中的發熱現象，他認為這和機械運動中的摩擦現象一樣，都會造成動力的損失，于是他就開始進行電流的熱效應研究。
1840年，22歲的焦耳向英國皇家學會提交了論文《電的金屬導體產生的熱和電解時電池組放出的熱》，文中介紹了他的實驗。他把纏在玻璃管上的導電線圈放入盛水的容器中，通電后測量水的溫度變化。實驗中他使用不同的導線、改變電流強度，得到多組實驗數據。通過計算最后他得出結論：“在一定時間內伏打電流通過金屬導體產生的熱與電流強度的平方及導體電阻的乘積成正比?！边@就是著名的焦耳定律。
焦耳認為，電可以看成是攜帶、安排和轉變化學熱的一種重要媒介，在電池中“燃燒”一定的化學“燃料”，在電路中就會發出相應大小的熱，和這些燃料在氧氣中燃燒所得的熱應該是一樣多。
在研究了化學能向電能和熱能的轉化之后，焦耳又開始研究機械能與電能和熱能之間的轉化，并進行了大量的熱功當量實驗。焦耳在磁電機線圈的轉軸上繞兩條細線，在相距約27.4米處安裝兩個定滑輪，細線跨過滑輪掛有砝碼，砝碼的重量可以調整，線圈浸在量熱器的水中。根據水的溫度變化可以計算出熱量，根據砝碼的重量及下落的距離可以計算出機械功。焦耳記錄下13組實驗數據，取其平均值得出如下結果：“能使1磅的水升溫1華氏度的熱量等于把838磅重物提升一英尺的機械功。”從這個結果可以得出熱功當量為4.511焦耳/卡，現代的公認值為4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，測量水通過多孔塞之后的升溫，得到熱功當量為772磅·英尺/英熱單位（即4.145焦耳/卡），與現代的公認值相比，誤差僅有百分之一。焦耳并沒有就此罷手，他從1843年采用磁電機開始測量當量，直至1878年最后一次發表實驗結果，共做了400多次實驗，分別以固體、流體、氣體多種物質為對象，運用了不同原理的各種方法，涉及機械力學、電磁學、化學、熱力學、流體力學等各個領域，以日益精確的數據，為熱和功的相當性提供了詳實可靠的證據，使能量轉化與守恒定律的確立具備了牢固的實驗基礎。而他本人則從25歲的小伙變成了花甲老人。
學習目標
自學知識點梳理
考點例題精講
對點演練
解題方法歸納
課時減負課外小驗
科學精神與擔當
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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2023-2024人教版9年物理全冊同步學講練測學案（全國通用）
第十四章 內能的利用 專題14.3 能量的轉化和守恒
1.知道各種形式的能是可以相互轉化的。
2. 知道各種能在轉化的過程中，能量的總量是保持不變的。
3. 能列舉出日常生活中能量守恒的實例。
閱讀本節課教材，參考教材完成教師給出的知識點問題的填空：
知識點1. 能量守恒定律
1.能的轉化和轉移：各種形式的能量都可以在一定條件下相互 轉化 .用熱傳遞的方法改變內能，實質上是內能從高溫物體轉移到低溫物體的過程；用做功的方法改變內能，實質上是內能和機械能相互轉化的過程。
2.能量守恒定律：能量既不會憑空消滅，也不會憑空產生，它只會從一種形式 轉化 為其他形式，或者從一個物體 轉移 到另一個物體，而在轉化和轉移的過程中，能量的 總量 保持不變.
知識點2. 能量轉換裝置的效率問題
這個問題屬于難點，是與本節有關的拓展性知識。是學生開闊實驗，提高物理思維素養的好素材。
能量轉換裝置的效率等于轉換的能量與輸入的總能量之比，用百分數表示。根據定義，若W為轉換的能量，Q為輸入的總能量，η為能量轉換裝置的效率，則：
考點1. 能量轉化和轉移
【例題1】（2023北京） 如圖所示，在試管內裝適量水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時間后，橡膠塞被推出，管口出現大量“白氣”。下列說法正確的是（　?。?br/>A. 管口出現的“白氣”是水蒸氣
B. 水蒸氣推出橡膠塞導致水蒸氣內能增加
C. 水被加熱的過程中，其內能是通過做功的方式改變的
D. 水蒸氣推出橡膠塞的過程中，橡膠塞的動能是由水蒸氣的內能轉化來的
【答案】D
【解析】A．管口出現的“白氣”是水蒸氣液化成的小水滴，故A錯誤；
BD．水蒸氣推出橡膠塞，水蒸氣的內能轉化為橡膠塞的機械能，水蒸氣內能減小，故B錯誤，D正確；
C．水被火焰加熱的過程中，其內能是通過熱傳遞的方式改變的，故C錯誤。
故選D。
考點2. 能量守恒定律
【例題2】（2023甘肅金昌）汽車在剎車過程中，機械能轉化為地面和輪胎的內能，這些內能將無法自動地轉化為汽車的機械能，這種現象說明自發的能量轉化過程是有一定______性的，但在能量的轉化和轉移過程中，能的總量_____（選填“不斷減少”、“保持不變”或“不斷增加”）。
【答案】 方向 保持不變
【解析】汽車在剎車過程中，機械能可以自發地轉化為地面和輪胎的內能，但這些內能將無法自發地轉化為汽車的機械能，這說明自發的能量轉化過程是有一定方向性的。
由能量守恒定律可知，在能量的轉化和轉移過程中，能的總量保持不變。
【演練1】（2022湖南益陽）下列能量轉化或轉移的情景中，屬于能量轉移的是（　　）
A. 燃料燃燒時發熱
B. 用熱水袋取暖
C. 鉆木取火
D. 電動機帶動水泵把地下水送到地面
【答案】B
【解析】A．燃料燃燒時，將化學能轉化為內能，屬于能量的轉化，故A不符合題意；
B．用熱水袋取暖，是熱傳遞過程，內能從熱水袋轉移到其它物體向上，屬于能量的轉移，故B符合題意；
C．鉆木取火，是克服摩擦做功，將機械能轉化為內能，屬于能量轉化，故C不符合題意；
D．電動機帶動水泵把地下水送到地面，電動機工作時將電能轉化為機械能，屬于能量的轉化，故D不符合題意。故選B。
【演練2】 （2022江蘇連云港）知識梳理是學習的一種重要方法，請將動能、能、機械能、內能填在下列知識結構圖對應的序號框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
【答案】 （1）能 （2）機械能 （3）內能 （4）動能
【解析】能量的種類比較多：有光能、機械能、內能等；其中機械能包括動能和勢能。
根據能量守恒定律分析能量轉化的思路
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有能量轉化的過程，都服從能量守恒定律。根據能量守恒定律，在分析自然現象時，如果發現某種形式的能量減少，一定能找到另一種形式的能量增加；反之，當某種形式的能量增大時，也一定可以找到另一種形式的能量減少。
（滿分100分，答題時間45分鐘，根據下面給出的試題答案與解析自測自評）
一、選擇題（本大題4小題，每小題5分，共20分）
1. 內燃機的能量流向圖如圖所示。內燃機的效率為（　　）
A. 7% B. 28% C. 31% D. 34%
【答案】D
【解析】內燃機的效率是指用來做有用功的能量與燃料完全燃燒放出的能量之比，所以，結合能量流向圖可知，該內燃機的效率為34%。故選D。
2. 2022年6月5日，中國載人航天飛船神舟十四號發射成功。如圖所示，飛船在空中加速上升時的能量轉化情況是（　?。?br/>A. 飛船的動能轉化為重力勢能，動能減小
B. 飛船的重力勢能轉化為動能，重力勢能減小
C. 燃料燃燒產生的內能轉化為飛船的機械能
D. 沒有發生能量的轉化，飛船的機械能不變
【答案】C
【解析】AB．載人飛船加速上升時，質量不變、速度增大、高度增大，所以動能和重力勢能均增大，故AB錯誤；
CD．載人飛船加速上升時，因為動能和重力勢能均增大，所以機械能增大，是由燃料燃燒產生的內能轉化而來的，故C正確，D錯誤。
3.目前長沙城區的老居民小區正在進行水路改造，改造中用到了一種打孔工具﹣﹣沖擊鉆，沖擊鉆工作時，鉆頭在電動機的帶動下不斷地沖擊墻壁，打出圓孔，如圖所示，沖擊鉆在工作過程中，其能量轉化關系是（　?。?br/>A．內能轉化為機械能
B．內能轉化為電能
C．只有機械能和內能的轉化
D．有電能、機械能和內能的轉化
【答案】D
【解析】（1）當電流通過電動機時，電流做功，消耗電能轉化為機械能和內能；
（2）鉆頭沖擊墻壁，克服摩擦做功，將機械能轉化為內能；
由此分析可知，在該過程中存在電能、機械能和內能的轉化。
4.能量的轉化是自然界普遍的現象．下列關于能量轉化的觀點錯誤的是（ ）
水果電池 光合作用 鉆木取火 電磁感應
A. 水果電池是電能轉化為化學能 B. 光合作用是光能轉化為化學能
C. 鉆木取火是機械能轉化為內能 D. 電磁感應現象是電能轉化為機械能
【答案】AD
【解析】A. 水果電池是化學能轉化為電能
B. 光合作用是光能轉化為化學能
C. 鉆木取火是機械能轉化為內能
D. 電磁感應現象是機械能轉化為電能
二、填空題（本大題4小題，9個空，每空3分，共27分）
1. （2022廣東）圖表示四沖程汽油機處于_______沖程。汽車尾氣帶走的能量______（選填“能”或“不能”）自動匯集回來轉化成燃料的化學能，這反映了能量的轉化具有________。
【答案】 排氣 不能 方向性
【解析】由圖示知，汽缸的進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，是排氣沖程。
燃料燃燒放出的能量中有部分熱散失，被尾氣帶走，而尾氣帶走的能量不會再自動變成燃料的化學能，這是因為能量的轉化具有方向性。
2. 常用打火機的打火方式有兩種，一種是用一個粗糙的小輪摩擦“火石”打火；另一種是利用高壓電裝置打火。從能量轉化角度看，前者是把______能轉化為內能；后者是把_____能轉化為內能。
【答案】 機械 電
【解析】小輪摩擦“火石”的過程，消耗了機械能，產生了內能，將機械能轉化為內能。
利用高壓電裝置打火時，消耗了電能，產生了內能，將電能轉化為內能。
3. （2022黑龍江牡雞）2022年6月5日，“神州十四號”火箭發射成功，火箭使用液態氫作燃料是因為液態氫的_____較大；火箭向下噴射燃氣獲得推力加速上升，是_____能轉化為機械能。
【答案】 熱值 內
【解析】火箭使用液態氫作燃料是因為液態氫的熱值比較大，相同質量的燃料，液態氫完全燃燒釋放的熱量多。
火箭向下噴射燃氣獲得推力加速上升，是燃料燃燒釋放的內能，是將燃料的化學能轉化為內能，再將內能轉化為機械能，從而實現了火箭升空。
4. 現代電動汽車為了節能，都安裝了能量回收裝置，在汽車剎車時帶動發電機，將汽車的______能轉化為電能，為汽車提供后續運動的能量。有人認為，只要不斷改進，這種汽車就可以一邊行駛，一邊發電，永遠運動下去，這種觀念違背了______。
【答案】 機械 能量守恒定律
【解析】運動的汽車具有機械能，剎車時帶動發電機，把汽車的機械能轉化為電能儲存起來。
能量既不會消滅也不會創生，能量在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變，這就是能量守恒定律，汽車一邊行駛，一邊發電，永遠運動下去的觀念違背了能量守恒定律，不可能實現。
三、實驗題（本大題1小題，共12分）
1. （2022江蘇揚州）利用氣球可以完成下列實驗：
（1）在氣球上粘上小塑料顆粒，代表宇宙中天體，氣球膨脹時，任意一個塑料顆粒周圍的其他的塑料顆粒都與它______，可模擬宇宙膨脹現象。
（2）如圖1所示，充滿氣體的氣球向左噴氣而向右飛出，說明______，此過程發生的能量轉化與圖_____（選填“2”或“3”）中的能量轉化是一致的。
【答案】 （1）遠離 （2）力的作用是相互的 3
【解析】（1）為了形象的說明宇宙大爆炸，課本上將一個粘有小塑料顆粒的氣球看成宇宙，小塑料顆粒代表宇宙中的天體，氣球膨脹時，任意一個塑料顆粒周圍的其他的塑料顆粒都與它遠離，表示宇宙中的天體在相互遠離，這里運用的是類比法。
（2）充滿氣體的氣球向左噴氣而向右飛出，說明力的作用是相互的。
充滿氣體的氣球向左噴氣而向右飛出，氣球內的氣體向外噴出，氣體對外做功，內能轉化為球的機械能，由圖2可知，進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，屬于壓縮沖程，壓縮沖程的能量轉化是機械能轉化為內能；由圖3可知，進氣門和排氣門都關閉，活塞向下運動，屬于做功沖程，做功沖程的能量轉化是內能轉化為機械能，所以充滿氣體的氣球向左噴氣而向右飛出過程發生的能量轉化與圖3中的能量轉化是一致的。
四、簡答題（本大題2小題，每小題各8分，共16分）
1.有人曾設想制造一種不消耗任何能量和燃料，卻源源不斷對外做功的機器，人們把這種機器叫永動機。這種機器有可能制成嗎？
【答案】見解析
【解析】高處的水具有一定的機械能W總，在水向下流動時，對水輪機做功，水輪機轉動，把低處的水抽到高處。而水輪機做機械運動的各部件間有摩擦，會有部分機械能轉化為內能W內能，只有一部分能量W抽水用來對外做功抽水。
根據能量守恒定律可知： W總=W內能+ W抽水，最后抽水的能量小于原來水的總能量，使流下的水不能全部抽回。
2. 飛越蒼彎，筑夢星河。2022年6月5日10時44分07秒，神舟十四號載人飛船成功發射。火箭點火后，向下快速噴出氣體，推動火箭加速上升。請你結合實際，分析并解答下列問題：
（1）火箭向下快速噴出氣體，推動火箭加速上升，此過程包含哪些力學知識，請你說出兩點。
（2）請分析發射過程中存在哪些能量轉化。
【答案】（1）見解析；（2）見解析
【解析】（1）火箭向下快速噴出氣體，推動火箭加速上升，可得物體間力的作用是相互的；火箭加速上升可得力可以改變物體的運動狀態；有力產生時至少出現兩個物體，可得力是物體對物體的作用。
（2）燃料燃燒過程中，化學能轉化為內能；火箭加速上升過程中，內能轉化為機械能；與空氣摩擦過程中，機械能轉化為內能。
五、計算題（本大題2小題，共25分）
1.（10分）小華家使用的是天然氣熱水器，該熱水器的銘牌標明了它的熱效率，表示該熱水器工作時，天然氣完全燃燒所消耗的化學能，有多大比例轉化為水的內能。
小華嘗試估測該熱水器的熱效率，以核對銘牌上的數值是否準確。他把家里自動洗衣機的“水量”設置為40L，用熱水器輸出的熱水注入洗衣機，當注入水的體積達到40L時洗衣機便會自動停止注水。已知當時自來水的溫度是15℃，熱水器輸出熱水的溫度為40℃，注入前天然氣表的示數是2365.89m3，注水后變為2366.05m3，天然氣的熱值為3.2×107J/m3。請你估測該熱水器的熱效率。
【答案】見解析
【解析】水吸收的熱量
Q吸=cmΔt
=4.2×103J/( kg·℃) ×103kg /m3×40×10-3m3×(40-15) ℃
=4.2×106J，
天然氣用量V=2366.05m3 -2365.89m3=0.16 m3，
天然氣完全燃燒放熱
Q放=Vq=0.16m3 ×3.2×107J/m3 =5.12×106J，
該熱水器的效率為
=4.2×106J/5.12×106J=0.82=82%
2. （15分）2022年北京冬奧會示范運營1000多輛氫燃料電池車（如圖所示），該車排放物是水，不產生任何污染物，是當前世界新能源汽車重要的發展方向。假設某國產氫燃料電池車總質量為5×103kg。在某次測試中該車勻速行駛時受到的阻力是車重的0.02倍，在0.5h內行駛了28km的路程，消耗的氫能源為0.4kg（不考慮氫能源燃料消耗對車質量的影響）。求該測試過程中氫燃料電池車：（已知q氫=1.4×108J/kg，g取10N/kg）
（1）行駛的平均速度為多少km/h；
（2）牽引力做功；
（3）氫能源燃燒釋放的能量轉化為機械能的效率。
【答案】（1）56km/h；（2）2.8×107J；（3）50%
【解析】（1）氫燃料電池車0.5h內行駛了28km的路程，根據可得，車行駛的平均速度為
（2）氫燃料電池車總質量為5×103kg，受到的重力為
G=mg=5×103kg×10N/kg=5×104N
車勻速行駛時受到的阻力是車重的0.02倍，汽車做勻速直線運動，牽引力和阻力是一對平衡力，所以車受到的牽引力為
F=f=0.02G=0.02×5×104N=103N
牽引力做的功為
W=Fs=103N×28×103m=2.8×107J
（3）消耗0.4kg的氫能源，放出的熱量為
Q放=mq=0.4kg×1.4×108J/kg=5.6×107J
氫能源燃燒釋放的能量轉化為機械能的效率為
焦耳對能量轉化和守恒定律的貢獻
這個人就是英國的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命導師馬克思同歲，1818年出生于英國曼徹斯特，父親是一個富有的釀酒廠主。焦耳從小跟著父親學習釀酒，沒有上過什么正規的學校，曾經在一個家庭學校里學習過。1834年，16歲的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼徹斯特文學與哲學學會的道爾頓的門下學習。很難想象現在的教授會收兩個沒上過什么正規學校的小屁孩做自己的學生，不過，當年這位大化學家的經濟狀況也確實不大好。焦耳兄弟倆跟隨道爾頓學習了兩年算術和幾何，后來道爾頓因中風而退休。跟隨道爾頓的這段經歷影響了焦耳的一生。大師的指導對他的成長起了關鍵的作用，使他對科學研究發生了濃厚的興趣，并學到了他理論與實踐相結合的科學研究方法。之后焦耳進入曼徹斯特大學就讀。畢業后回家經營啤酒廠，直到1854年賣出啤酒廠之前，這一直都是他的“正業”，科學只是焦耳的一個業余愛好。
在1831年法拉第發現電磁感應定律之后，從英國開始，掀起了一場席卷歐洲和北美的電氣熱潮。1838年，20歲的焦耳也投入到了這場電氣熱潮之中，開始研究起磁電機來。在實驗過程中他注意到電機和電路中的發熱現象，他認為這和機械運動中的摩擦現象一樣，都會造成動力的損失，于是他就開始進行電流的熱效應研究。
1840年，22歲的焦耳向英國皇家學會提交了論文《電的金屬導體產生的熱和電解時電池組放出的熱》，文中介紹了他的實驗。他把纏在玻璃管上的導電線圈放入盛水的容器中，通電后測量水的溫度變化。實驗中他使用不同的導線、改變電流強度，得到多組實驗數據。通過計算最后他得出結論：“在一定時間內伏打電流通過金屬導體產生的熱與電流強度的平方及導體電阻的乘積成正比?！边@就是著名的焦耳定律。
焦耳認為，電可以看成是攜帶、安排和轉變化學熱的一種重要媒介，在電池中“燃燒”一定的化學“燃料”，在電路中就會發出相應大小的熱，和這些燃料在氧氣中燃燒所得的熱應該是一樣多。
在研究了化學能向電能和熱能的轉化之后，焦耳又開始研究機械能與電能和熱能之間的轉化，并進行了大量的熱功當量實驗。焦耳在磁電機線圈的轉軸上繞兩條細線，在相距約27.4米處安裝兩個定滑輪，細線跨過滑輪掛有砝碼，砝碼的重量可以調整，線圈浸在量熱器的水中。根據水的溫度變化可以計算出熱量，根據砝碼的重量及下落的距離可以計算出機械功。焦耳記錄下13組實驗數據，取其平均值得出如下結果：“能使1磅的水升溫1華氏度的熱量等于把838磅重物提升一英尺的機械功。”從這個結果可以得出熱功當量為4.511焦耳/卡，現代的公認值為4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，測量水通過多孔塞之后的升溫，得到熱功當量為772磅·英尺/英熱單位（即4.145焦耳/卡），與現代的公認值相比，誤差僅有百分之一。焦耳并沒有就此罷手，他從1843年采用磁電機開始測量當量，直至1878年最后一次發表實驗結果，共做了400多次實驗，分別以固體、流體、氣體多種物質為對象，運用了不同原理的各種方法，涉及機械力學、電磁學、化學、熱力學、流體力學等各個領域，以日益精確的數據，為熱和功的相當性提供了詳實可靠的證據，使能量轉化與守恒定律的確立具備了牢固的實驗基礎。而他本人則從25歲的小伙變成了花甲老人。
學習目標
自學知識點梳理
考點例題精講
對點演練
解題方法歸納
課時減負課外小測驗
科學精神與擔當
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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