2024年中考物理經(jīng)典培優(yōu)模型練：機械能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化模型

專題06機械能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化模型

1.“運20”是我國自主研發(fā)的大型運輸機，它的發(fā)動機是一種熱機，通過航空煤油在氣

室中燃燒，從噴口向后高速噴出氣體，使發(fā)動機獲得向前的推力，若“運20”在高空中飛

行時，在恒定的水平推力尸作用下，以200ni/s的速度沿水平方向勻速航行l(wèi)h,需要燃

燒航空煤油4800kg,已知飛機發(fā)動機提供的機械功率是3.2xl07W,航空煤油的熱值為

^=4.0xl07J/kg.則在這lh內(nèi)：

(1)航空煤油完全燃燒放出的熱量是多少？

(2)該發(fā)動機的熱機效率是多大？

【答案】(1)1.92xlOHJ；(2)60%

【詳解】

解(1)由題干已知消耗航空煤油的質(zhì)量為4800kg,航空煤油的熱值為4.0xl07j/kg,則航

空煤油完全燃燒放出的熱量是為

Q放=mq=4800kgx4.0xl07J/kg=1.92xlOnJ

(2)飛機發(fā)動機所做的有用功為

FF=P?=3.2xl07Wxlx3600s=l.l52xlOnJ

該發(fā)動機的熱機效率為

W1.152xlO"J

〃=——=-----------—=60%

0放1.92X10UJ

答：(1)航空煤油完全燃燒放出的熱量是1.92X10UJ；

(2)該發(fā)動機的熱機效率是60%。

2.隨著重視環(huán)境，新能源車開始普及。某品牌純電動汽車續(xù)航里程約為500km,電池

容量為70kW?h。普通家用充電樁充電功率為7kW。另一品牌燃油車油箱容積為80L,

勻速行駛時能提供的牽引力大約是2000N,加滿一箱汽油大約能勻速行駛400km.

(1)若使用普通家用充電樁，給上述純電動汽車充滿一次電需要多長時間？

(2)上述燃油車加滿一箱油，油的質(zhì)量是多少？(汽油密度取0.7xl03kg/m3)

(3)上述燃油車一箱汽油完全燃燒能釋放多少熱量？(汽油的熱值取4.5x1071/1%)

(4)上述燃油車的熱機效率大約是多少？(小數(shù)點后保留1位小數(shù))

【答案】(1)10h；(2)56kg；⑶2.52X109J;(4)31.7%

【詳解】

解：(1)根據(jù)P=/可得，使用普通家用充電樁，給上述純電動汽車充滿一次電需要

的時間

W70kW-h,

t=——=----------=10h

P7kW

⑵燃油車加滿一箱油，油的質(zhì)量是

加油=。油廠=0,7x103kg/m3x80xl0-3m3=56kg

(3)油車一箱汽油完全燃燒能釋放的熱量

Q=q油加油=4.5x107J/kgx56kg=2.52xl09J

(4)燃油車燒完一箱油做的有用功

^=^=2000Nx400xl000m=8xl08J

燃油車的熱機效率大約是

W8X108J、，皿

n=——=-----------=31.7%

Q2.52X109J

答：(1)使用普通家用充電樁，給純電汽車充滿一次電需要10h；

(2)上述燃油車加滿一箱油，油的質(zhì)量是56kg；

(3)上述燃油車一箱汽油完全燃燒能釋放的熱量為2.52xlO9J；

(4)上述燃油車的熱機效率大約是31.7%。

3.新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車已是發(fā)展趨勢。某品牌純電汽車續(xù)航里程約為500km,

電池容量為76kW-h.普通家用充電樁充電功率為8kW。同類型號的燃油車油箱容積為

60L,勻速行駛時能提供的牽引力大約是500N,加滿一箱汽油能勻速行駛800km0(汽

油密度取0.7x1o3kg/m3,汽油的熱值為4.5xlO7J/kg)

(1)若使用普通家用充電樁，給上述純電汽車充滿一次電需要多長時間?

(2)上述燃油車的熱機效率大約是多少?

(3)計算兩種汽車的百公里能耗，并說明能耗不同的主要原因.

【答案】(1)9.5h；(2)21.2%；(3)純電汽車百公里能耗5.472xl()7j、燃油車百公里能

耗2.3625xl08j,電動汽車的效率高于燃油汽車

解：(1)純電汽車充滿一次電需要的時間為

W76kW-hcu,

t=——=----------=9.5h

P8kW

(2)燃油車加滿一箱油的質(zhì)量

m=p々0.7x103kg/m3x60xl0-3m3=42kg

一箱汽油完全燃燒釋放的熱量

QL=42kgx4.5x107J/kg=1.89xlO9J

消耗一箱汽油燃油車做的功

眸Fs=500Nx800x103m=4x108J

燃油車的熱機效率

〃上=**21.2%

Q放1.89xlO9J

(3)純電汽車百公里能耗

76kW，h=15.2kW-h=5.472xl07J

5

燃油車百公里能耗

=4=1.89x10J=2.3625x1)J

88

能耗不同的主要原因是電動汽車的效率高于燃油汽車。

答：(1)若使用普通家用充電樁，給上述純電汽車充滿一次電需要9.5h；

(2)上述燃油車的熱機效率大約是21.2%；

(3)純電汽車百公里能耗5.472X107J、燃油車百公里能耗2.3625x108，電動汽車的效率

高于燃油汽車。

4.如圖所示為某種型號的多功能灑水車，它空載時的質(zhì)量為3t,配備了一個內(nèi)深為1m

的大容量水箱，底部有一個面積為0.003m2的放水孔。若多功能灑水車在水平地面上勻

速行駛時受到的阻力恒為總重的0.08倍，某次該車滿載(裝滿)后由靜止開始在水平面

上啟動，在啟動(加速)過程中，發(fā)動機消耗100g柴油-測得汽車牽引力的功率及其瞬

時速度隨時間的變化情況分別如圖甲和圖乙所示。已知g=10N/kg,p^=l.OxlO3kg/m3,q

^=4.0xl07J/kg,燃油完全燃燒。求：

(1)該灑水車滿載時，若用質(zhì)量不計的小鋼片從外部堵住放水孔，則需對小鋼片施加的

外力至少是多少N?

(2)該灑水車在啟動(加速)過程中熱機效率是多少？

(3)該灑水車水箱的容積是多少nP?

P/kW

120

0t/s

圖甲

【答案】(1)30N；(2)45%；(3)7m3

【詳解】

解：(1)水對小孔的壓強為

p-p水gh=1.0xl03kg/m3x1ON/kgxlm=104Pa

若用質(zhì)量不計的小鋼片從外部堵住放水孔，則需對小鋼片施加的外力至少是

//=^5=104Pax0.003m2=30N

(2)該灑水車在啟動(加速)過程中所做的有用功為

^=P?=120X103WX15S=1.8X106J

柴油燃燒放出的熱量為

?？?用柴油q柴油=100xl0-3kgx4.0xl07J/kg=4X106J

該灑水車在啟動(加速)過程中熱機效率是

及里xl00%=1.8X106J

n=x100%=45%

。總4X106J

(3)多功能灑水車在水平地面上勻速行駛時受到的阻力等于牽引力，則阻力為

P120X103W

=8x103N

v15m/s

則滿載時的總重力為

8X103N

G=^—105N

0.080.08

滿載時的總質(zhì)量為

G105N

冽總==104kg

g10N/kg

則水的質(zhì)量為

用水=m&-m車=104kg-3xl03kg=7xlO3kg

水的體積等于水箱的容積，則水箱的容積為

答：(1)該灑水車滿載時，若用質(zhì)量不計的小鋼片從外部堵住放水孔，則需對小鋼片施

加的外力至少是30N；

(2)該灑水車在啟動(加速)過程中熱機效率是45%；

(3)該灑水車水箱的容積是7m3。

5.如圖所示是利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程駕駛的汽車，其質(zhì)量為1.5t,車輪與地面接觸的總

面積為750cm2,該車在水平路面上勻速直線行駛13.8km,用時lOmin,消耗汽油2kg,

這一過程中汽車發(fā)動機的輸出功率為46kW,求：(汽油熱值為q汽=4.6xl07j/kg,g取

10N/kg)

(1)汽車在該路段的速度；

(2)汽車靜止在水平地面上時，對地面的壓強;

(3)在這一過程中汽車受到的阻力；

(4)在這一過程中汽車發(fā)動機的效率。

【答案】(1)23m/s；(2)2xlO5Pa；(3)2000N；(4)30%

【詳解】

解：(1)汽車在該路段的速度為

s13.8km1.38xl04m”，

v=—=---------=---------------=23mzs

t1Omin600s

(2)汽車靜止在水平地面上時，對地面的壓力為

F=G=mg=1.5xlO3kgxlON/kg=1.5xlO4N

則對地面的壓強為

FISxlO'N

p=—=2xlO5Pa

S750xlO^m2

(3)汽車勻速行駛時受到的牽引力為

46kW4.6xl()4w

=2000N

V23m/s23m/s

汽車在水平公路上勻速直線行駛時受到的阻力和牽引力是一對平衡力，大小相等，所以,

在這一過程中汽車受到的阻力為2000N。

(4)牽引力做的有用功為

吟用=Ps=2000Nx1.38x10%=2.76xl(fJ

汽油完全燃燒放出的熱量為

。放=m汽q汽=2kgx4.6xl07J/kg=9.2xIO8J

在這一過程中汽車發(fā)動機的效率為

x100%=2,76*1?」x100%=30%

0放9.2xlO8J

答：(1)汽車在該路段的速度為23m/s；

(2)汽車靜止在水平地面上時，對地面的壓強為2xlO5pa；

(3)在這一過程中汽車受到的阻力為2000N；

(4)在這一過程中汽車發(fā)動機的效率為30%.

6.如圖所示是慶祝中華人民共和國成立70周年的閱兵式，我國自主研發(fā)的具有世界先

進水平的99A式主戰(zhàn)坦克通過天安門廣場接受檢閱時的畫面。已知一輛99A式坦克的

質(zhì)量為52t,其靜止在地面上時履帶與地面的接觸面積為4m2。若坦克以5m/s的速度勻

速在天安門廣場上通過500m的距離時，坦克發(fā)動機的功率為lOOOkW。(柴油的熱值q

取4xl07j/kg,g取10N/kg,發(fā)動機的效率為40%)求：

(1)坦克靜止時對水平地面上的壓強？

(2)坦克受到的阻力是多少？

(3)坦克消耗柴油的質(zhì)量是多少？

【答案】(1)1.3xlO5Pa；(2)2xlO5N；(3)6.25kg

【詳解】

解：(1)坦克靜止時對水平地面上的壓力

F=G=mg=52x103kgxlON/kg=5.2xlO5N

坦克靜止時對水平地面上的壓強

F=52xl0^=13xl()5pa

S4m2

(2)若坦克以5m/s的速度勻速在天安門廣場上通過500m的距離時，坦克發(fā)動機的功率

為lOOOkW,根據(jù)

P=L更3

tt

所以，坦克的牽引力

F，=PJ000X103W=2X105N

v5m/s

由于坦克勻速直線行駛時處于平衡狀態(tài)，受到的阻力和牽引力是一對平衡力，所以，坦

克受到的阻力

/=F=2xlO5N

(3)坦克牽引力做的功

^=F5=2xl05Nx500m=lxlO8J

由〃=M知道，所消耗的柴油完全燃燒釋放的熱量

匕=包=2,5、1。嚀

〃40%

由0/=〃應(yīng)知道，坦克消耗柴油的質(zhì)量

口二組二叁￡二6.25kg

,油q柴油4xlO7J/kg6

答：(1)坦克靜止時對水平地面上的壓強為1.3xlO5Pa；

(2)坦克受到的阻力是2X105N；

(3)坦克消耗柴油的質(zhì)量是6.25kg。

7.我國自主研發(fā)的某品牌汽車進行技術(shù)測試，已知汽車的總質(zhì)量為2t,該車在某段長

1.2km的水平路面做勻速直線運動，用時40s,汽車在行駛過程中受到的阻力為車重的

0.2倍，汽車在此過程中消耗的汽油產(chǎn)生了lxl()7j熱量。恁取i0N/kg)

求在該段測試過程中:

⑴汽車的行駛速度;

⑵汽車受到的重力;

(3)汽車的牽引力做的功;

汽車發(fā)動機的熱機效率。

【答案】(1)30m/s；(2)20000N；(3)4.8xlO6J；(4)48%

【詳解】

解：(1)已知該汽車運動時間為Q40s,行駛距離為

s=1.2km=1200m

因此，汽車的行駛速度

v=-=1200m=30m/s

40s

(2)汽車受到的重力為

G=mg=2000kgx10N/kg=20000N

(3)因汽車勻速行駛時處于平衡狀態(tài)，受到的牽引力尸和阻力/是一對平衡力，則牽引

力為

F=/^0.2G=0.2x20000N=4000N

則此過程中汽車牽引力做的功

^ft=4000Nx1200m=4.8xl06J

(4)汽油燃燒的熱量為。=lxi()7j,牽引力做功為g4.8*106j,則發(fā)動機的效率為

W48x1O6T

/；=—xlOO%=-———xl00%=48%

QlxlO7J

答：(1)汽車的行駛速度為30m/s；

(2)汽車受到的重力為20000N；

(3)汽車的牽引力做的功為4.8xl06j；

(4)汽車發(fā)動機的熱機效率為48%。

8.一臺推土機的推力為4.3X104N,勻速推著土總行程達800m,共消耗2kg柴油，求

該推土機裝的柴油機的熱機效率。柴油熱值(4.3xl()7j/kg),求：

(1)推土機做的有用功；

(2)柴油完全燃燒放出的熱量；

(3)柴油機效率。

【答案】(1)3.44X107J;(2)8.6X107J;(3)40%

【詳解】

解：(1)推土機做的有用功

=F5=4.3xl04Nx800m=3.44xl07J

(2)柴油完全燃燒放出的熱量

77

。放=mq=2kgx4.3xl0J/kg=8.6xlOJ

(3)柴油機的效率

W344X107J

〃=——xl00%=------x100%=40%

7

Q放8.6xlOJ

答：⑴推土機做的有用功是3.44x1是J；

(2)柴油完全燃燒放出的熱量是8.6xl07j；

(3)柴油機效率是40%。

9.氫氣動力汽車環(huán)保、高效，一輛氫氣動力試驗汽車的總質(zhì)量為1.5xl()3kg,2min內(nèi)

汽車在水平路面上勻速行駛了2.4x10、，消耗了30g的氫氣此過程汽車發(fā)動機產(chǎn)生的牽

引力為1.0x及N。(氫氣的熱值取1.4xlO8J/kg,水的比熱容為4.2x1j/(kg，C),g取(1ON/kg)

求：

(1)30g氫氣完全燃燒放出的熱量可以使100kg的水升高多少

(2)汽車牽引力做功的功率；

(3)汽車發(fā)動機的效率。

【答案】(1)10°C;(2)2X104W;(3)57.1%

【詳解】

解：(1)30g氫氣完全燃燒釋放的熱量

0放=mq=0.03kgxl.4xlO8J/kg=4.2xlO6J

水吸收的熱量為

6

e?=ett=4.2xioj

由。吸=c〃?ZV得，升高的溫度為

.=旦=—"T______曰。(

c水”水4.2x103J/(kg-℃)x100kg

(2)牽引力做的功

少=4=1.0xICPNx2.4x103m=2.4xIO。j

牽引力的功率

P=—=2,4X106J=2x104W

t2x60s

(3)汽車發(fā)動機的效率

w24X106J

r)=——xl00%=-----100%=57.1%

0放4.2X106J

答：(1)30g氫氣完全燃燒放出的熱量可以使100kg的水升高10℃;

(2)汽車牽引力做功的功率為2xlO，W；

(3)汽車發(fā)動機的效率為57.1%。

10.中國首次火星探索任務(wù)“天問一號”探測器的成功發(fā)射，是我國綜合國力和創(chuàng)新能力

提升的重要標志，如圖所示是某火箭發(fā)射時的場景，目前運載火箭一般使用液體氫作為

燃料，液態(tài)氧作為助燃劑，氫的熱值為L4xl08j/kg。

(1)某火箭發(fā)射時攜帶6x104kg液態(tài)氫燃料，這些燃料完全燃燒最多能將多少千克初溫

為20℃的水加熱至沸騰？[c^=4.2x103J/(kg-℃),當?shù)卮髿鈮簽?標準大氣壓】

(2)氫能源車的發(fā)動機工作時將液態(tài)氫轉(zhuǎn)化為氫氣在氣缸中燃燒，某次測試中，一輛氫

能源車以70kW的功率勻速行駛20min,消耗了2kg燃料，求該發(fā)動機的效率。

【答案】(1)2.5xl07kg；(2)30%

【詳解】

解：⑴氫的熱值q=1.4xI08j/kg,質(zhì)量切=6、104kg,完全燃燒釋放的熱量為

Q=qmi=\A^108J/kgx6x104kg=8.4xl012J

初溫為20℃的水加熱至沸騰溫度的變化量為

Az=100℃-20℃=80℃

由Q=cmNt可知能夠加熱的水的質(zhì)量為

8.4xlO12J

Q=2.5xl07kg

3

C水4.2X10J/(kg-℃)x80℃

(2)汽車行進時功率

P=70kW=7xl04W

用的時間

Z=20min=1200s

則汽車做的有用功

W產(chǎn)尸7x104wx1200S=8.4X107J

消耗燃料的質(zhì)量“2=2kg可知工作過程總功為

Q=4加2=1.4x108J/kgx2kg=2.8xl08J

可知發(fā)動機效率

8.4x107J

=30%

8

Q2~2.8xlOJ

答：(1)可將2.5x107kg的水加熱至沸騰;

(2)發(fā)動機的機械效率為30%。

11.在山區(qū)一般喜歡買大排量的車子，為了節(jié)能減排，我們內(nèi)地一般不必要買太大排量

的車。一款新型汽車以某一速度在一段平直的公路上勻速行駛一段距離，消耗了4kg汽

油，其發(fā)動機的效率為40%,則在這段運動過程中，[已知：汽油的熱值為4.6x10,J/kg]

求：

(1)汽油完全燃燒放出的熱量；

(2)該汽車發(fā)動機做的有用功；

(3)該車在高速路上勻速行駛時平均牽引力為1000N,則燃燒4kg汽油行駛的距離。

【答案】⑴1.84x10。；⑵7.36X107J;(3)73.6km

【詳解】

解：(1)汽油完全燃燒放出的熱量

°放==4kgx4.6x1O,J/kg=l.84x1()8j

W

(2)發(fā)動機的效率為40%,由〃=7/可知，該汽車發(fā)動機做的有用功為

87

%=/7gtt=40%x1.84xlOJ=7.36xlOJ

(3)由少=八可知，該車燃燒4kg汽油行駛的距離

7.36X107J