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1. (2025·徐州沛县期中)阅读短文,回答问题.
人工心肺
人工心肺就像发动机,为人体输送氧气与营养提供动力.心动过缓时,医生会将心脏起搏器植入人体内辅助心脏正常工作.起搏器是一种电子装置,它产生的电脉冲(周期性变化的电流)刺激心脏收缩,从而提高心率.频率适应性起搏器能根据患者的活动情况调整起搏频率,起搏频率指起搏器每分钟发放电脉冲的次数.
体外膜肺氧合(简称ECMO)技术挽救了许多危重患者的生命,如图甲所示,ECMO技术的原理是将体内的血液引出体外,经过人工心肺旁路氧合后注入病人体内,起到部分心肺替代作用.为使病人维持正常体温,需用热交换器对流入人体的血液进行加热;ECMO的工作电压与家庭电路电压相同,使用中如短时停电,可摇动如图乙所示的摇把,维持血液循环.
血流速度和血流量(血流量指单位时间内通过血管横截面的血液体积)是衡量心肺功能的重要指标.研究表明,血管内血流速度会随血管横截面积的变化而变化,且血液匀速通过血管时,受到的阻力与血液的流速成正比.当血管横截面积为正常值的$n$倍时,测得血管内血液匀速流动的速度$v$与$n$的数值如表所示.
物理九上(SK)
(1)血液经热交换器加热后使病人维持正常体温过程中,是利用
(2)正常人的心脏在一次搏动中泵出血液约80 mL,在一次搏动中推动血液流动的平均压强为$1.6×10^4\ \mathrm{Pa}$,设心脏每分钟搏动75次,则正常人心脏推动血液流动的平均功率为
(3)当心脏主动脉血管的横截面积变化时,其内血液匀速流动,推动血液流动的功率$P$与
A. $n$
B. $\dfrac{1}{n}$
C. $n^2$
D. $\dfrac{1}{n^2}$
人工心肺
人工心肺就像发动机,为人体输送氧气与营养提供动力.心动过缓时,医生会将心脏起搏器植入人体内辅助心脏正常工作.起搏器是一种电子装置,它产生的电脉冲(周期性变化的电流)刺激心脏收缩,从而提高心率.频率适应性起搏器能根据患者的活动情况调整起搏频率,起搏频率指起搏器每分钟发放电脉冲的次数.
体外膜肺氧合(简称ECMO)技术挽救了许多危重患者的生命,如图甲所示,ECMO技术的原理是将体内的血液引出体外,经过人工心肺旁路氧合后注入病人体内,起到部分心肺替代作用.为使病人维持正常体温,需用热交换器对流入人体的血液进行加热;ECMO的工作电压与家庭电路电压相同,使用中如短时停电,可摇动如图乙所示的摇把,维持血液循环.
血流速度和血流量(血流量指单位时间内通过血管横截面的血液体积)是衡量心肺功能的重要指标.研究表明,血管内血流速度会随血管横截面积的变化而变化,且血液匀速通过血管时,受到的阻力与血液的流速成正比.当血管横截面积为正常值的$n$倍时,测得血管内血液匀速流动的速度$v$与$n$的数值如表所示.
物理九上(SK)
(1)血液经热交换器加热后使病人维持正常体温过程中,是利用
热传递
的方式使人体的内能增加的.(2)正常人的心脏在一次搏动中泵出血液约80 mL,在一次搏动中推动血液流动的平均压强为$1.6×10^4\ \mathrm{Pa}$,设心脏每分钟搏动75次,则正常人心脏推动血液流动的平均功率为
1.6
W;若某病人心脏推动血液流动的平均功率为3.6 W,则该病人与正常人血管的横截面积之比为2:3
.(3)当心脏主动脉血管的横截面积变化时,其内血液匀速流动,推动血液流动的功率$P$与
D
成正比.A. $n$
B. $\dfrac{1}{n}$
C. $n^2$
D. $\dfrac{1}{n^2}$
答案
(1)热传递 (2)1.6 $2:3$ (3)D
解析:(1)热交换器加热血液,使血液温度升高,再将血液注入病人体内,让热量从热交换器传递到血液,进而使人体的内能增加,这是利用热传递的方式增加内能。
(2)假设血液在血管中流动时,血管的横截面积为S,心脏搏动一次时,血液流过的长度为h,则心脏在一次搏动中泵出血液的体积V可表示为$V=Sh$,
正常人心脏推动血液流动时做的功$W=Fh=pSh=pV=1.6×$$10^{4}Pa×80mL=1.6×10^{4}Pa×8×10^{-5}m^{3}=1.28J$,
若心脏每分钟搏动75次,则1 min内心脏推动血液流动时做的功$W_{总}=75×1.28J=96J$,
此时心脏推动血液流动的功率$P=\frac {W_{总}}{t}=\frac {96J}{60s}=1.6W;$
已知血液匀速通过血管时,受到的阻力f与血液的流速v成正比,假设比例系数为k,则这三者的关系为$f=kv$,
则心脏推动血液流动的平均功率可表示为$P_{推}=F_{推}v=fv=kv^{2},$
则正常人心脏推动血液流动的平均功率$P_{推1}$与病人心脏推动血液流动的平均功率$P_{推2}$之比可表示为$\frac {P_{推1}}{P_{推2}}=\frac {kv_{1}^{2}}{kv_{2}^{2}}=\frac {v_{1}^{2}}{v_{2}^{2}}=\frac {1.6W}{3.6W}=$$\frac {4}{9}$,则有$\frac {v_{1}}{v_{2}}=\frac {2}{3},$
由表格数据可知,血管内血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比,则有$\frac {n_{2}}{n_{1}}=\frac {v_{1}}{v_{2}}=\frac {2}{3},$
则该病人与正常人血管的横截面积之比$\frac {S_{2}}{S_{1}}=\frac {n_{2}}{n_{1}}=\frac {2}{3}.$
(3)因为血管内血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比,
则有$v=\frac {k_{1}}{n}$($k_{1}$为常数),
因为心脏推动血液流动的平均功率可表示为$P_{推}=F_{推}v=$$fv=kv^{2},$
则$P_{推}=k(\frac{k_{1}}{n})^{2}=\frac{kk_{1}^{2}}{n^{2}},$
因为$k、k_{1}$为常数,则$P_{推}$与$\frac {1}{n^{2}}$成正比,故D符合题意.
解析:(1)热交换器加热血液,使血液温度升高,再将血液注入病人体内,让热量从热交换器传递到血液,进而使人体的内能增加,这是利用热传递的方式增加内能。
(2)假设血液在血管中流动时,血管的横截面积为S,心脏搏动一次时,血液流过的长度为h,则心脏在一次搏动中泵出血液的体积V可表示为$V=Sh$,
正常人心脏推动血液流动时做的功$W=Fh=pSh=pV=1.6×$$10^{4}Pa×80mL=1.6×10^{4}Pa×8×10^{-5}m^{3}=1.28J$,
若心脏每分钟搏动75次,则1 min内心脏推动血液流动时做的功$W_{总}=75×1.28J=96J$,
此时心脏推动血液流动的功率$P=\frac {W_{总}}{t}=\frac {96J}{60s}=1.6W;$
已知血液匀速通过血管时,受到的阻力f与血液的流速v成正比,假设比例系数为k,则这三者的关系为$f=kv$,
则心脏推动血液流动的平均功率可表示为$P_{推}=F_{推}v=fv=kv^{2},$
则正常人心脏推动血液流动的平均功率$P_{推1}$与病人心脏推动血液流动的平均功率$P_{推2}$之比可表示为$\frac {P_{推1}}{P_{推2}}=\frac {kv_{1}^{2}}{kv_{2}^{2}}=\frac {v_{1}^{2}}{v_{2}^{2}}=\frac {1.6W}{3.6W}=$$\frac {4}{9}$,则有$\frac {v_{1}}{v_{2}}=\frac {2}{3},$
由表格数据可知,血管内血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比,则有$\frac {n_{2}}{n_{1}}=\frac {v_{1}}{v_{2}}=\frac {2}{3},$
则该病人与正常人血管的横截面积之比$\frac {S_{2}}{S_{1}}=\frac {n_{2}}{n_{1}}=\frac {2}{3}.$
(3)因为血管内血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比,
则有$v=\frac {k_{1}}{n}$($k_{1}$为常数),
因为心脏推动血液流动的平均功率可表示为$P_{推}=F_{推}v=$$fv=kv^{2},$
则$P_{推}=k(\frac{k_{1}}{n})^{2}=\frac{kk_{1}^{2}}{n^{2}},$
因为$k、k_{1}$为常数,则$P_{推}$与$\frac {1}{n^{2}}$成正比,故D符合题意.
解析
【分析】
这是一道结合人工心肺实际应用场景的信息类物理题，解题思路分步梳理：
1. 第一问：回忆改变内能的两种方式，做功是能量的转化，热传递是能量的转移，热交换器加热血液后输入人体，热量发生转移，可直接判断改变内能的方式。
2. 第二问第一空：推导心脏单次搏动做功的表达式，利用W=Fs，结合F=pS、单次泵血体积V=Sh，可得到变形式W=pV，代入数据算出单次做功，再乘以每分钟搏动次数得到总功，除以60s即可得到平均功率。
3. 第二问第二空：根据题干给出的阻力与流速成正比f=kv，血液匀速时推力等于阻力，可得功率P=Fv=fv=kv²，即功率和流速平方成正比，通过功率比算出流速比，再结合表格规律得到流速v和横截面积倍数n成反比，即可推出横截面积的比值。
4. 第三问：将v与n的反比关系代入P=kv²的表达式，就能推导出功率P和1/n²成正比，选出对应选项。
【解析】
(1) 热交换器加热血液，热量从高温热源传递到血液，再将温热的血液注入人体，使人体内能增加，整个过程只有能量的转移，属于热传递改变内能。
(2) ① 设心脏单次搏动泵出的血液体积为V，推动血液的压强为p，血管横截面积为S，血液被推动的距离为h，单次搏动心脏对血液做功：
$W = Fh = pSh = pV$
代入数据：$V=80\ \mathrm{mL}=8×10^{-5}\ \mathrm{m^3}$，$p=1.6×10^4\ \mathrm{Pa}$
单次做功$W=1.6×10^4\ \mathrm{Pa} × 8×10^{-5}\ \mathrm{m^3} = 1.28\ \mathrm{J}$
心脏每分钟搏动75次，1min内总做功$W_{总}=75×1.28\ \mathrm{J}=96\ \mathrm{J}$
平均功率$P = \frac{W_{总}}{t} = \frac{96\ \mathrm{J}}{60\ \mathrm{s}} = 1.6\ \mathrm{W}$
② 由题意，血液匀速流动时阻力$f=kv$（k为比例系数），推力与阻力平衡$F=f$，因此推动血液的功率：
$P = Fv = fv = kv^2$
可得功率之比$\frac{P_1}{P_2} = \frac{v_1^2}{v_2^2}$，代入$P_1=1.6\ \mathrm{W}$，$P_2=3.6\ \mathrm{W}$：
$\frac{v_1^2}{v_2^2} = \frac{1.6\ \mathrm{W}}{3.6\ \mathrm{W}} = \frac{4}{9} \implies \frac{v_1}{v_2} = \frac{2}{3}$
由表格数据可知，血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比，即$v\propto \frac{1}{n}$，因此$n\propto \frac{1}{v}$，可得$\frac{n_2}{n_1} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{2}{3}$，横截面积S的比值等于n的比值，即病人与正常人血管横截面积之比为2:3。
(3) 由v与n成反比，设$v=\frac{k_1}{n}$（$k_1$为常数），代入功率公式$P=kv^2$得：
$P = k·(\frac{k_1}{n})^2 = \frac{kk_1^2}{n^2}$
k、$k_1$均为常数，因此P与$\frac{1}{n^2}$成正比，故选D。
【答案】
(1) 热传递 (2) 1.6；$2:3$ (3) D
【知识点】
热传递改变内能；功与功率计算；物理量比例推导
【点评】
本题属于结合医疗前沿场景的信息给予题，既考察内能、功和功率的基础核心知识点，又要求学生从题干给定的条件中提取陌生规律，自主推导物理量之间的比例关系，避免死记硬背公式，对学生的信息迁移能力有较好的考察作用。
【难度系数】
0.4
这是一道结合人工心肺实际应用场景的信息类物理题，解题思路分步梳理：
1. 第一问：回忆改变内能的两种方式，做功是能量的转化，热传递是能量的转移，热交换器加热血液后输入人体，热量发生转移，可直接判断改变内能的方式。
2. 第二问第一空：推导心脏单次搏动做功的表达式，利用W=Fs，结合F=pS、单次泵血体积V=Sh，可得到变形式W=pV，代入数据算出单次做功，再乘以每分钟搏动次数得到总功，除以60s即可得到平均功率。
3. 第二问第二空：根据题干给出的阻力与流速成正比f=kv，血液匀速时推力等于阻力，可得功率P=Fv=fv=kv²，即功率和流速平方成正比，通过功率比算出流速比，再结合表格规律得到流速v和横截面积倍数n成反比，即可推出横截面积的比值。
4. 第三问：将v与n的反比关系代入P=kv²的表达式，就能推导出功率P和1/n²成正比，选出对应选项。
【解析】
(1) 热交换器加热血液，热量从高温热源传递到血液，再将温热的血液注入人体，使人体内能增加，整个过程只有能量的转移，属于热传递改变内能。
(2) ① 设心脏单次搏动泵出的血液体积为V，推动血液的压强为p，血管横截面积为S，血液被推动的距离为h，单次搏动心脏对血液做功：
$W = Fh = pSh = pV$
代入数据：$V=80\ \mathrm{mL}=8×10^{-5}\ \mathrm{m^3}$，$p=1.6×10^4\ \mathrm{Pa}$
单次做功$W=1.6×10^4\ \mathrm{Pa} × 8×10^{-5}\ \mathrm{m^3} = 1.28\ \mathrm{J}$
心脏每分钟搏动75次，1min内总做功$W_{总}=75×1.28\ \mathrm{J}=96\ \mathrm{J}$
平均功率$P = \frac{W_{总}}{t} = \frac{96\ \mathrm{J}}{60\ \mathrm{s}} = 1.6\ \mathrm{W}$
② 由题意，血液匀速流动时阻力$f=kv$（k为比例系数），推力与阻力平衡$F=f$，因此推动血液的功率：
$P = Fv = fv = kv^2$
可得功率之比$\frac{P_1}{P_2} = \frac{v_1^2}{v_2^2}$，代入$P_1=1.6\ \mathrm{W}$，$P_2=3.6\ \mathrm{W}$：
$\frac{v_1^2}{v_2^2} = \frac{1.6\ \mathrm{W}}{3.6\ \mathrm{W}} = \frac{4}{9} \implies \frac{v_1}{v_2} = \frac{2}{3}$
由表格数据可知，血流速度v与血管横截面积为正常值的倍数n成反比，即$v\propto \frac{1}{n}$，因此$n\propto \frac{1}{v}$，可得$\frac{n_2}{n_1} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{2}{3}$，横截面积S的比值等于n的比值，即病人与正常人血管横截面积之比为2:3。
(3) 由v与n成反比，设$v=\frac{k_1}{n}$（$k_1$为常数），代入功率公式$P=kv^2$得：
$P = k·(\frac{k_1}{n})^2 = \frac{kk_1^2}{n^2}$
k、$k_1$均为常数，因此P与$\frac{1}{n^2}$成正比，故选D。
【答案】
(1) 热传递 (2) 1.6；$2:3$ (3) D
【知识点】
热传递改变内能；功与功率计算；物理量比例推导
【点评】
本题属于结合医疗前沿场景的信息给予题，既考察内能、功和功率的基础核心知识点，又要求学生从题干给定的条件中提取陌生规律，自主推导物理量之间的比例关系，避免死记硬背公式，对学生的信息迁移能力有较好的考察作用。
【难度系数】
0.4
2.（2025·南通海安市期中）阅读短文，回答问题.
载人飞艇
2024年3月30日，我国自主研制的“祥云”AS700载人飞艇首次完成转场试飞.如图甲，某飞艇升空靠浮力来实现，水平飞行靠发动机燃烧燃油提供动力.发动机输出的能量用于做推动功和辅助功：推动功指克服空气阻力推动飞艇水平飞行做的功；辅助功指发动机驱动飞艇上发电机工作所做的功，辅助功的功率恒定.当飞艇低速（$v≤12\ \mathrm{m/s}$）水平直线飞行时，其受到的空气阻力$F_{\mathrm{阻}}$与速度$v$的关系如图乙所示.飞艇部分参数如表.
题中题138
(1)发动机内的燃油燃烧得越充分，燃油的热值
(2)下列关于飞艇的说法中，正确的是
A. 飞艇匀速下降过程中，重力不做功
B. 飞艇匀速上升过程中，浮力不做功
C. 飞艇上升遇冷空气降温，内能增大
D. 飞艇匀速下降过程中，机械能减小
(3)如图丁是飞艇上的平衡警示局部电路图，其中$\mathrm{S}$为重力开关，金属片$M$可绕$O$点自由转动，当飞艇水平时，$M$在$a、b$中间.当飞艇严重左低右高时红灯亮；当飞艇严重右低左高时绿灯亮.请根据要求补全电路图.
(4)飞艇先后以$4\ \mathrm{m/s}$和$10\ \mathrm{m/s}$的速度水平匀速直线飞行相同的时间，推动功分别为$W_1$和$W_2$，则$W_1:W_2=$
(5)飞艇以$5\ \mathrm{m/s}$的速度水平匀速直线飞行时，若发动机内消耗了$6.25\ \mathrm{kg}$燃油，则完全燃烧$6.25\ \mathrm{kg}$燃油放出的热量为
载人飞艇
2024年3月30日，我国自主研制的“祥云”AS700载人飞艇首次完成转场试飞.如图甲，某飞艇升空靠浮力来实现，水平飞行靠发动机燃烧燃油提供动力.发动机输出的能量用于做推动功和辅助功：推动功指克服空气阻力推动飞艇水平飞行做的功；辅助功指发动机驱动飞艇上发电机工作所做的功，辅助功的功率恒定.当飞艇低速（$v≤12\ \mathrm{m/s}$）水平直线飞行时，其受到的空气阻力$F_{\mathrm{阻}}$与速度$v$的关系如图乙所示.飞艇部分参数如表.
题中题138
(1)发动机内的燃油燃烧得越充分，燃油的热值
不变
（填“变大”“变小”或“不变”）.图丙为四冲程汽油机的做功
冲程的示意图，若该四冲程汽油机每秒钟做功20次，则汽油机的飞轮转速为2 400
$\mathrm{r/min}$.(2)下列关于飞艇的说法中，正确的是
D
.A. 飞艇匀速下降过程中，重力不做功
B. 飞艇匀速上升过程中，浮力不做功
C. 飞艇上升遇冷空气降温，内能增大
D. 飞艇匀速下降过程中，机械能减小
(3)如图丁是飞艇上的平衡警示局部电路图，其中$\mathrm{S}$为重力开关，金属片$M$可绕$O$点自由转动，当飞艇水平时，$M$在$a、b$中间.当飞艇严重左低右高时红灯亮；当飞艇严重右低左高时绿灯亮.请根据要求补全电路图.
(4)飞艇先后以$4\ \mathrm{m/s}$和$10\ \mathrm{m/s}$的速度水平匀速直线飞行相同的时间，推动功分别为$W_1$和$W_2$，则$W_1:W_2=$
4:25
.(5)飞艇以$5\ \mathrm{m/s}$的速度水平匀速直线飞行时，若发动机内消耗了$6.25\ \mathrm{kg}$燃油，则完全燃烧$6.25\ \mathrm{kg}$燃油放出的热量为
$3.125×10^{8}$
$\mathrm{J}$，该过程中飞艇的飞行距离为10
$\mathrm{km}$.答案
(1)不变 做功 2 400 (2)D (3)见解析图 (4)$4:25$
(5)$3.125×10^{8}$ 10
解析:(1)燃料的热值是燃料的一种特性,只决定于燃料的种类,与质量和燃烧情况等无关,因此发动机内的燃油燃烧得越充分,燃油的热值不变.由图丙可知,进气门和排气门都是关闭的,活塞下行,因此是做功冲程.每秒钟做功20次,该汽油机每秒钟完成20个工作循环,每分钟完成的工作循环为$20×60=$$1 200$,每个工作循环转两圈,故飞轮转速是2 400 r/min;
(2)A.飞艇匀速下降过程中,重力方向与运动方向相同,所以重力做功,故A错误;B.飞艇匀速上升过程中,浮力方向与运动方向相同,浮力做功,故B错误;C.飞艇上升遇冷空气降温,内能减小,故C错误;D.机械能包括动能与势能,飞艇匀速下降过程中,动能不变,重力势能减小,所以机械能减小,故D正确.故选D.
(3)串联的各电路元件相互影响,不能独立工作,并联的各电路元件互不影响,能独立工作;根据题意判断各电路元件的连接方式,然后连接电路图,如图所示:
(4)以4 m/s的速度水平匀速直线飞行时受到空气的阻力为$F_{4}=\frac {6×10^{3}N}{12m/s}×4m/s=2×10^{3}N$,以10 m/s的速度水平匀速直线飞行时受到的阻力为$F_{10}=\frac {6×10^{3}N}{12m/s}×10m/s=5×10^{3}N$,则$\frac {W_{1}}{W_{2}}=\frac {F_{4}v_{4}t}{F_{10}v_{10}t}=\frac {2×10^{3}N×4m/s}{5×10^{3}N×10m/s}=\frac {4}{25}=4:25.$
(5)燃油完全燃烧放出的热量$Q_{放}=mq=6.25kg×5×10^{7}J/kg=$$3.125×10^{8}J$,发动机输出的能量为$W=Q_{放}×40\% =3.125×10^{8}J×$$40\% =1.25×10^{8}J$,以5 m/s的速度水平匀速直线飞行时受到空气的阻力为$F_{5}=\frac {6×10^{3}N}{12m/s}×5m/s=2.5×10^{3}N$,该过程中$W_{总}=W+$$W_{轴}$,即$1.25×10^{8}J=F_{5}×s+Pt,1.25×10^{8}J=2.5×10^{3}N×vt+5×$$10^{4}W×t$,解得$t=2000s$,该过程中飞艇的飞行距离为$s=vt=$$5m/s×2000s=10000m=10km.$
解析
【分析】
我们逐问梳理解题思路：
1. 第(1)问：首先明确热值是燃料的固有特性，只和燃料种类有关，和燃烧充分度无关，直接判断第一个空；判断汽油机冲程时，先看两个气门的开闭状态，再看活塞运动方向，对应四冲程的特点判断冲程；四冲程汽油机每完成1次做功，飞轮转2圈，先算出每秒飞轮转数，再换算为每分钟的转速即可。
2. 第(2)问：根据做功的两个必要条件（作用在物体上的力、物体在力的方向上移动距离）判断AB选项，结合内能和温度的关系判断C选项，机械能是动能和势能的总和，结合飞艇运动状态判断动能、势能变化，得到机械能变化，选出正确选项。
3. 第(3)问：根据题意，金属片M作为单刀双掷开关，接a时红灯亮，接b时绿灯亮，说明红灯、绿灯互不影响为并联关系，分别将红灯接a端、绿灯接b端，电源接入干路即可完成电路设计。
4. 第(4)问：由图乙可知低速飞行时空气阻力和速度成正比，先推导阻力和速度的比例关系，匀速飞行时推力等于阻力，推动功W=Fs=Fvt，飞行时间相同，代入两个速度对应的阻力和速度，即可算出推动功的比值。
5. 第(5)问：根据燃料完全燃烧放热公式Q放=mq计算放出的总热量，结合发动机输出能量占总放热的比例，得到发动机输出总能量，再结合输出总能量等于推动功加恒定功率的辅助功，列方程求解飞行时间，最后用s=vt算出飞行距离。
【解析】
(1) 热值是燃料的固有特性，仅由燃料种类决定，与燃烧充分程度无关，因此燃油燃烧越充分，热值不变；图丙中进气门、排气门均关闭，活塞向下运动，符合四冲程汽油机做功冲程的特征；四冲程汽油机每对外做功1次，飞轮转动2圈，每秒做功20次，则每秒飞轮转40圈，每分钟飞轮转数为$40\ \mathrm{r/s} ×60\ \mathrm{s}=2400\ \mathrm{r/min}$。
(2) 选项A：飞艇匀速下降，重力方向竖直向下，运动方向也竖直向下，重力对飞艇做功，A错误；
选项B：飞艇匀速上升，浮力方向竖直向上，运动方向也竖直向上，浮力对飞艇做功，B错误；
选项C：飞艇遇冷空气降温，温度降低，内能减小，C错误；
选项D：飞艇匀速下降，质量不变、速度不变则动能不变，高度降低则重力势能减小，机械能为动能与重力势能之和，因此机械能减小，D正确。故选D。
(3) 当飞艇严重左低右高时，金属片M向a端偏转，接通红灯所在电路，红灯亮；当飞艇严重右低左高时，金属片M向b端偏转，接通绿灯所在电路，绿灯亮。红灯和绿灯独立工作互不影响，为并联关系，电路连接如参考答案所示。
(4) 由图乙可知，$v≤12\ \mathrm{m/s}$时，空气阻力与速度成正比，比例系数$k=\frac{F}{v}=\frac{6×10^3\mathrm{N}}{12\mathrm{m/s}}=500\ \mathrm{N· s/m}$。
匀速飞行时推力等于阻力，推动功$W=Fs=Fvt$，飞行时间$t$相同：
速度为$4\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_1=kv_1=500\ \mathrm{N· s/m} ×4\ \mathrm{m/s}=2×10^3\ \mathrm{N}$
速度为$10\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_2=kv_2=500\ \mathrm{N· s/m} ×10\ \mathrm{m/s}=5×10^3\ \mathrm{N}$
则$W_1:W_2 = F_1v_1t : F_2v_2t = (2×10^3\mathrm{N} ×4\mathrm{m/s}):(5×10^3\mathrm{N} ×10\mathrm{m/s})=4:25$。
(5) 燃油完全燃烧放出的热量：$Q_{\mathrm{放}}=mq=6.25\mathrm{kg} ×5×10^7\mathrm{J/kg}=3.125×10^8\mathrm{J}$
发动机输出的总能量$W_{\mathrm{总}}=Q_{\mathrm{放}}×40\%=3.125×10^8\mathrm{J} ×40\%=1.25×10^8\mathrm{J}$
速度为$5\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_5=kv_5=500\ \mathrm{N· s/m} ×5\ \mathrm{m/s}=2.5×10^3\ \mathrm{N}$
设飞行时间为$t$，输出总能量等于推动功加辅助功，即$W_{\mathrm{总}}=F_5· v_5t + P_{\mathrm{辅}}t$，代入已知辅助功功率$P_{\mathrm{辅}}=5×10^4\mathrm{W}$：
$1.25×10^8\mathrm{J} = 2.5×10^3\mathrm{N} ×5\mathrm{m/s} ×t +5×10^4\mathrm{W} ×t$
解得$t=2000\mathrm{s}$
飞行距离$s=v_5t=5\mathrm{m/s} ×2000\mathrm{s}=10000\mathrm{m}=10\mathrm{km}$。
【答案】
(1) 不变；做功；2400
(2) D
(3)
(4) $4:25$
(5) $3.125×10^{8}$；10
【知识点】
热值特性，热机冲程，功与功率计算
【点评】
本题以载人飞艇为真实情境，综合考查热学、力学、电学多个模块的知识点，需要学生从题干和图像中提取阻力与速度成正比的隐含条件，区分推动功和辅助功的不同计算逻辑，对学生的信息提取能力和综合运算能力有一定要求，属于中等难度的力热电综合应用题。
【难度系数】
0.65
我们逐问梳理解题思路：
1. 第(1)问：首先明确热值是燃料的固有特性，只和燃料种类有关，和燃烧充分度无关，直接判断第一个空；判断汽油机冲程时，先看两个气门的开闭状态，再看活塞运动方向，对应四冲程的特点判断冲程；四冲程汽油机每完成1次做功，飞轮转2圈，先算出每秒飞轮转数，再换算为每分钟的转速即可。
2. 第(2)问：根据做功的两个必要条件（作用在物体上的力、物体在力的方向上移动距离）判断AB选项，结合内能和温度的关系判断C选项，机械能是动能和势能的总和，结合飞艇运动状态判断动能、势能变化，得到机械能变化，选出正确选项。
3. 第(3)问：根据题意，金属片M作为单刀双掷开关，接a时红灯亮，接b时绿灯亮，说明红灯、绿灯互不影响为并联关系，分别将红灯接a端、绿灯接b端，电源接入干路即可完成电路设计。
4. 第(4)问：由图乙可知低速飞行时空气阻力和速度成正比，先推导阻力和速度的比例关系，匀速飞行时推力等于阻力，推动功W=Fs=Fvt，飞行时间相同，代入两个速度对应的阻力和速度，即可算出推动功的比值。
5. 第(5)问：根据燃料完全燃烧放热公式Q放=mq计算放出的总热量，结合发动机输出能量占总放热的比例，得到发动机输出总能量，再结合输出总能量等于推动功加恒定功率的辅助功，列方程求解飞行时间，最后用s=vt算出飞行距离。
【解析】
(1) 热值是燃料的固有特性，仅由燃料种类决定，与燃烧充分程度无关，因此燃油燃烧越充分，热值不变；图丙中进气门、排气门均关闭，活塞向下运动，符合四冲程汽油机做功冲程的特征；四冲程汽油机每对外做功1次，飞轮转动2圈，每秒做功20次，则每秒飞轮转40圈，每分钟飞轮转数为$40\ \mathrm{r/s} ×60\ \mathrm{s}=2400\ \mathrm{r/min}$。
(2) 选项A：飞艇匀速下降，重力方向竖直向下，运动方向也竖直向下，重力对飞艇做功，A错误；
选项B：飞艇匀速上升，浮力方向竖直向上，运动方向也竖直向上，浮力对飞艇做功，B错误；
选项C：飞艇遇冷空气降温，温度降低，内能减小，C错误；
选项D：飞艇匀速下降，质量不变、速度不变则动能不变，高度降低则重力势能减小，机械能为动能与重力势能之和，因此机械能减小，D正确。故选D。
(3) 当飞艇严重左低右高时，金属片M向a端偏转，接通红灯所在电路，红灯亮；当飞艇严重右低左高时，金属片M向b端偏转，接通绿灯所在电路，绿灯亮。红灯和绿灯独立工作互不影响，为并联关系，电路连接如参考答案所示。
(4) 由图乙可知，$v≤12\ \mathrm{m/s}$时，空气阻力与速度成正比，比例系数$k=\frac{F}{v}=\frac{6×10^3\mathrm{N}}{12\mathrm{m/s}}=500\ \mathrm{N· s/m}$。
匀速飞行时推力等于阻力，推动功$W=Fs=Fvt$，飞行时间$t$相同：
速度为$4\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_1=kv_1=500\ \mathrm{N· s/m} ×4\ \mathrm{m/s}=2×10^3\ \mathrm{N}$
速度为$10\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_2=kv_2=500\ \mathrm{N· s/m} ×10\ \mathrm{m/s}=5×10^3\ \mathrm{N}$
则$W_1:W_2 = F_1v_1t : F_2v_2t = (2×10^3\mathrm{N} ×4\mathrm{m/s}):(5×10^3\mathrm{N} ×10\mathrm{m/s})=4:25$。
(5) 燃油完全燃烧放出的热量：$Q_{\mathrm{放}}=mq=6.25\mathrm{kg} ×5×10^7\mathrm{J/kg}=3.125×10^8\mathrm{J}$
发动机输出的总能量$W_{\mathrm{总}}=Q_{\mathrm{放}}×40\%=3.125×10^8\mathrm{J} ×40\%=1.25×10^8\mathrm{J}$
速度为$5\ \mathrm{m/s}$时，阻力$F_5=kv_5=500\ \mathrm{N· s/m} ×5\ \mathrm{m/s}=2.5×10^3\ \mathrm{N}$
设飞行时间为$t$，输出总能量等于推动功加辅助功，即$W_{\mathrm{总}}=F_5· v_5t + P_{\mathrm{辅}}t$，代入已知辅助功功率$P_{\mathrm{辅}}=5×10^4\mathrm{W}$：
$1.25×10^8\mathrm{J} = 2.5×10^3\mathrm{N} ×5\mathrm{m/s} ×t +5×10^4\mathrm{W} ×t$
解得$t=2000\mathrm{s}$
飞行距离$s=v_5t=5\mathrm{m/s} ×2000\mathrm{s}=10000\mathrm{m}=10\mathrm{km}$。
【答案】
(1) 不变；做功；2400
(2) D
(3)
(4) $4:25$
(5) $3.125×10^{8}$；10
【知识点】
热值特性，热机冲程，功与功率计算
【点评】
本题以载人飞艇为真实情境，综合考查热学、力学、电学多个模块的知识点，需要学生从题干和图像中提取阻力与速度成正比的隐含条件，区分推动功和辅助功的不同计算逻辑，对学生的信息提取能力和综合运算能力有一定要求，属于中等难度的力热电综合应用题。
【难度系数】
0.65
