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8.物理学与工程实践 国产“和谐号”动车进站前的减速过程分两个阶段进行:第一阶段采用“再生刹车”技术,在这期间关闭动力,动车依靠惯性前行并带动发电机发电,速度从250 km/h减至90 km/h;第二阶段采用传统的“机械刹车”,速度从90 km/h不断减小直至停下来。国产“和谐号”动车在进站前减速的整个过程中,发生的能量转化情况主要是 (
A.第一阶段:动能转化为电能 第二阶段:动能转化为内能
B.第一阶段:电能转化为动能 第二阶段:动能转化为内能
C.第一阶段:动能转化为电能 第二阶段:内能转化为动能
D.第一阶段:电能转化为动能 第二阶段:内能转化为动能
A
)A.第一阶段:动能转化为电能 第二阶段:动能转化为内能
B.第一阶段:电能转化为动能 第二阶段:动能转化为内能
C.第一阶段:动能转化为电能 第二阶段:内能转化为动能
D.第一阶段:电能转化为动能 第二阶段:内能转化为动能
答案
8.A
【解析】第一阶段减速过程中,动车速度变小,所以动能变小,由于动车继续行驶并带动发电机发电,因此动能转化为电能。动车在第二阶段采用“机械刹车”过程中,动车的质量不变,其速度减小,动能减小,由于摩擦生热,该过程中减小的动能转化成了内能。
【解析】第一阶段减速过程中,动车速度变小,所以动能变小,由于动车继续行驶并带动发电机发电,因此动能转化为电能。动车在第二阶段采用“机械刹车”过程中,动车的质量不变,其速度减小,动能减小,由于摩擦生热,该过程中减小的动能转化成了内能。
解析
【分析】
本题需分两个阶段分析能量转化：第一阶段动车关闭动力减速，动能减小，同时带动发电机发电，发电机将机械能转化为电能；第二阶段机械刹车时，动车通过摩擦减速，动能减小，摩擦生热，动能转化为内能，据此判断选项。
【解析】
第一阶段减速过程中，动车速度减小，动能变小，且带动发电机发电，因此动能转化为电能；第二阶段采用机械刹车时，动车速度减小，动能减小，通过摩擦生热，动能转化为内能，对应选项A。
【答案】
A
【知识点】
能量转化、动能的转化
【点评】
本题结合动车进站减速的实际场景，考查能量转化的判断，属于基础知识点的应用，难度较低。
【难度系数】
0.6
本题需分两个阶段分析能量转化：第一阶段动车关闭动力减速，动能减小，同时带动发电机发电，发电机将机械能转化为电能；第二阶段机械刹车时，动车通过摩擦减速，动能减小，摩擦生热，动能转化为内能，据此判断选项。
【解析】
第一阶段减速过程中，动车速度减小，动能变小，且带动发电机发电，因此动能转化为电能；第二阶段采用机械刹车时，动车速度减小，动能减小，通过摩擦生热，动能转化为内能，对应选项A。
【答案】
A
【知识点】
能量转化、动能的转化
【点评】
本题结合动车进站减速的实际场景，考查能量转化的判断，属于基础知识点的应用，难度较低。
【难度系数】
0.6
9.(多选)汽车是现代生活中常见的一种交通工具,图甲、乙分别是某汽油机的某冲程及能量流向图。下列有关说法正确的是 (
A.图甲是压缩冲程,活塞对气缸内的气体做功,气体的温度升高
B.由图乙可知该汽油机的效率是28%
C.汽车尾气中的“汽油味”越浓,燃料燃烧得越不充分,这会降低燃料的热值
D.在冬天,为了节能,汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖,该举措大大提高了该汽油机的热机效率
AB
)A.图甲是压缩冲程,活塞对气缸内的气体做功,气体的温度升高
B.由图乙可知该汽油机的效率是28%
C.汽车尾气中的“汽油味”越浓,燃料燃烧得越不充分,这会降低燃料的热值
D.在冬天,为了节能,汽车都会利用尾气中的余热给车内供暖,该举措大大提高了该汽油机的热机效率
答案
9.AB
【解析】根据图甲可知,两个气门关闭、活塞上行,为压缩冲程,活塞对气缸内的气体做功,机械能转化为内能,气体的温度升高,故A正确。热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值,由图可知,输出有用功所占比例为100%-36%-30%-6%=28%,即该汽油机的效率为28%,故B正确。热值是燃料本身的一种特性,只由燃料本身决定,和燃料的质量、放出热量的多少、燃烧是否充分、温度高低无关,故C错误。冬天利用尾气中的余热给车内供暖,该举措可以提高能量的利用效率,但不能提高汽油机的热机效率,故D错误。
【解析】根据图甲可知,两个气门关闭、活塞上行,为压缩冲程,活塞对气缸内的气体做功,机械能转化为内能,气体的温度升高,故A正确。热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值,由图可知,输出有用功所占比例为100%-36%-30%-6%=28%,即该汽油机的效率为28%,故B正确。热值是燃料本身的一种特性,只由燃料本身决定,和燃料的质量、放出热量的多少、燃烧是否充分、温度高低无关,故C错误。冬天利用尾气中的余热给车内供暖,该举措可以提高能量的利用效率,但不能提高汽油机的热机效率,故D错误。
解析
【分析】
本题考查汽油机的冲程判断、热机效率、热值特性及热机效率的含义。解题时，先根据图甲的气门状态和活塞运动方向判断冲程；再依据图乙的能量流向计算热机效率；接着明确热值是燃料的固有特性，与燃烧情况无关；最后区分余热利用与热机效率的概念，逐一分析选项。
【解析】
1. 分析选项A：图甲中两个气门关闭，活塞向上运动，为汽油机的压缩冲程；此过程中活塞对气缸内气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高，故A正确。
2. 分析选项B：热机效率是有用机械能与燃料完全燃烧释放能量的比值。由图乙可知，总能量占比为100%，有用机械能占比为100% - 36%（废气带走） - 30%（机械散热） - 6%（克服摩擦）=28%，即该汽油机效率为28%，故B正确。
3. 分析选项C：热值是燃料本身的固有特性，只由燃料种类决定，与燃烧是否充分、放出热量多少等无关，故C错误。
4. 分析选项D：冬天利用尾气余热供暖，是提高了能量的利用效率，但热机效率的定义是有用机械能与燃料完全燃烧释放能量的比值，该举措未改变汽油机的有用机械能占比，不能提高汽油机的热机效率，故D错误。
【答案】
AB
【知识点】
汽油机冲程判断、热机效率、热值特性
【点评】
本题综合考查热学中汽油机的核心知识点，需准确掌握冲程判断方法、热机效率的计算逻辑、热值的特性，以及余热利用与热机效率的区别，易错点在于混淆能量利用率和热机效率的概念。
【难度系数】
0.5
本题考查汽油机的冲程判断、热机效率、热值特性及热机效率的含义。解题时，先根据图甲的气门状态和活塞运动方向判断冲程；再依据图乙的能量流向计算热机效率；接着明确热值是燃料的固有特性，与燃烧情况无关；最后区分余热利用与热机效率的概念，逐一分析选项。
【解析】
1. 分析选项A：图甲中两个气门关闭，活塞向上运动，为汽油机的压缩冲程；此过程中活塞对气缸内气体做功，机械能转化为内能，气体温度升高，故A正确。
2. 分析选项B：热机效率是有用机械能与燃料完全燃烧释放能量的比值。由图乙可知，总能量占比为100%，有用机械能占比为100% - 36%（废气带走） - 30%（机械散热） - 6%（克服摩擦）=28%，即该汽油机效率为28%，故B正确。
3. 分析选项C：热值是燃料本身的固有特性，只由燃料种类决定，与燃烧是否充分、放出热量多少等无关，故C错误。
4. 分析选项D：冬天利用尾气余热供暖，是提高了能量的利用效率，但热机效率的定义是有用机械能与燃料完全燃烧释放能量的比值，该举措未改变汽油机的有用机械能占比，不能提高汽油机的热机效率，故D错误。
【答案】
AB
【知识点】
汽油机冲程判断、热机效率、热值特性
【点评】
本题综合考查热学中汽油机的核心知识点，需准确掌握冲程判断方法、热机效率的计算逻辑、热值的特性，以及余热利用与热机效率的区别，易错点在于混淆能量利用率和热机效率的概念。
【难度系数】
0.5
三、计算题
10. 氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是二十一世纪理想的能源。氢燃料新能源公交车逐渐在很多城市投放使用。下表是氢燃料和其他传统燃料的热值。[$c_{水}=4.2×10^{3}\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}·°\mathrm{C})$]
(1)质量为0.6 kg的氢燃料完全燃烧放出的热量是多少？
(2)这些热量最多能将多少千克初温为20 ℃的水加热至沸腾？（当地大气压为1个标准大气压）
(3)如果完全燃烧汽油跟完全燃烧氢燃料放出的热量相等，汽油的质量与氢燃料的质量之比为多少？
10. 氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是二十一世纪理想的能源。氢燃料新能源公交车逐渐在很多城市投放使用。下表是氢燃料和其他传统燃料的热值。[$c_{水}=4.2×10^{3}\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}·°\mathrm{C})$]
(1)质量为0.6 kg的氢燃料完全燃烧放出的热量是多少？
(2)这些热量最多能将多少千克初温为20 ℃的水加热至沸腾？（当地大气压为1个标准大气压）
(3)如果完全燃烧汽油跟完全燃烧氢燃料放出的热量相等，汽油的质量与氢燃料的质量之比为多少？
答案
10. 解:(1)0.6 kg的氢燃料完全燃烧放出的热量$Q_{放}=mq_{氢}=0.6\ \mathrm{kg}×1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$
(2)1个标准大气压下,水的沸点为100 ℃,由题意可知,$Q_{吸}=Q_{放}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$。
由$Q_{吸}=cm(t-t_0)$可知,水的质量$m_{水}=\frac{Q_{吸}}{c_{水}(t-t_0)}=\frac{8.4×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×(100\ ℃-20\ ℃)}=250\ \mathrm{kg}$
(3)完全燃烧汽油跟完全燃烧氢燃料放出的热量相等,即$Q_{汽油}=Q_{氢}$。
由$Q_{放}=mq$可得,需要汽油与氢燃料的质量之比
$m_{汽油}:m_{氢}=\frac{Q_{汽油}}{q_{汽油}}:\frac{Q_{氢}}{q_{氢}}=\frac{q_{氢}}{q_{汽油}}=\frac{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}{4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}}=70:23$
(2)1个标准大气压下,水的沸点为100 ℃,由题意可知,$Q_{吸}=Q_{放}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$。
由$Q_{吸}=cm(t-t_0)$可知,水的质量$m_{水}=\frac{Q_{吸}}{c_{水}(t-t_0)}=\frac{8.4×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×(100\ ℃-20\ ℃)}=250\ \mathrm{kg}$
(3)完全燃烧汽油跟完全燃烧氢燃料放出的热量相等,即$Q_{汽油}=Q_{氢}$。
由$Q_{放}=mq$可得,需要汽油与氢燃料的质量之比
$m_{汽油}:m_{氢}=\frac{Q_{汽油}}{q_{汽油}}:\frac{Q_{氢}}{q_{氢}}=\frac{q_{氢}}{q_{汽油}}=\frac{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}{4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}}=70:23$
解析
【分析】本题围绕燃料热值和热量计算展开，分三步解题：第(1)问用燃料完全燃烧放热公式$Q_{放}=mq$，代入氢的热值和质量求放出的热量；第(2)问利用水吸热公式$Q_{吸}=c_{水}m_{水}(t-t_{0})$，结合$Q_{吸}=Q_{放}$（最多加热时热量全被水吸收），标准大气压下水沸点为100℃，求水的质量；第(3)问根据$Q_{汽油}=Q_{氢}$，由$Q_{放}=mq$推导质量比，代入对应热值计算比值。
【解析】
解：(1) 氢燃料完全燃烧放出的热量，根据公式$Q_{放}=mq$：
$Q_{放}=m_{氢}q_{氢}=0.6\ \mathrm{kg}×1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$；
(2) 1个标准大气压下，水的沸点为100℃，水吸收的热量等于氢完全燃烧放出的热量（最多加热时，热量全部被水吸收），即$Q_{吸}=Q_{放}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$。
根据$Q_{吸}=c_{水}m_{水}(t-t_{0})$，可得水的质量：
$m_{水}=\frac{Q_{吸}}{c_{水}(t-t_{0})}=\frac{8.4×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×(100\ ℃-20\ ℃)}=250\ \mathrm{kg}$；
(3) 完全燃烧汽油和氢放出的热量相等，即$Q_{汽油}=Q_{氢}$，由$Q_{放}=mq$得：
$m_{汽油}q_{汽油}=m_{氢}q_{氢}$，
则质量比$m_{汽油}:m_{氢}=q_{氢}:q_{汽油}=\frac{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}{4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}}=70:23$。
【答案】(1) $8.4×10^7\ \mathrm{J}$；(2) $250\ \mathrm{kg}$；(3) $70:23$
【知识点】燃料的热值、热量的计算
【点评】本题是热值相关的基础计算题，考查学生对燃料放热公式、吸热公式的应用能力，以及热平衡关系的运用，属于常规题型，注重基础公式的掌握。
【难度系数】0.6
【解析】
解：(1) 氢燃料完全燃烧放出的热量，根据公式$Q_{放}=mq$：
$Q_{放}=m_{氢}q_{氢}=0.6\ \mathrm{kg}×1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$；
(2) 1个标准大气压下，水的沸点为100℃，水吸收的热量等于氢完全燃烧放出的热量（最多加热时，热量全部被水吸收），即$Q_{吸}=Q_{放}=8.4×10^7\ \mathrm{J}$。
根据$Q_{吸}=c_{水}m_{水}(t-t_{0})$，可得水的质量：
$m_{水}=\frac{Q_{吸}}{c_{水}(t-t_{0})}=\frac{8.4×10^7\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×(100\ ℃-20\ ℃)}=250\ \mathrm{kg}$；
(3) 完全燃烧汽油和氢放出的热量相等，即$Q_{汽油}=Q_{氢}$，由$Q_{放}=mq$得：
$m_{汽油}q_{汽油}=m_{氢}q_{氢}$，
则质量比$m_{汽油}:m_{氢}=q_{氢}:q_{汽油}=\frac{1.4×10^8\ \mathrm{J/kg}}{4.6×10^7\ \mathrm{J/kg}}=70:23$。
【答案】(1) $8.4×10^7\ \mathrm{J}$；(2) $250\ \mathrm{kg}$；(3) $70:23$
【知识点】燃料的热值、热量的计算
【点评】本题是热值相关的基础计算题，考查学生对燃料放热公式、吸热公式的应用能力，以及热平衡关系的运用，属于常规题型，注重基础公式的掌握。
【难度系数】0.6
