3. 我国航天技术已达到世界领先水平。在跨学科实践课上,某小组开展了“制作火箭模型”的学习活动,下面是该小组同学交流的实践过程。

(1)了解火箭的相关知识:2025年4月24日,搭载神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭点火发射,如图甲所示。火箭刚发射时,它的机械能(选填“增加”“减小”或“不变”)。火箭产生的高温火焰向下喷射到发射台的地面,发射台遇到这样的高温容易发生(填物态变化名称)。为了保护发射台,在发射台底建了一个大水池,让火焰喷射到水中,利用水的(填物态变化名称)来吸收大量的热量。火箭升空的瞬间伴有的庞大白色气团实质是(选填“小水滴”“烟雾”或“水蒸气”)。
(2)制作并发射:同学们制作了“水火箭”并进行发射,如图乙、丙所示。给“水火箭”打气,打开阀门。水向下喷出,“水火箭”一飞冲天。使用打气筒打气时的能量转化与汽油机的冲程的能量转化相同,使“水火箭”上升的力的施力物体是(选填“打气的同学”或“喷出的水”)。
(3)项目评估:小组的同学们制作好了“水火箭”后开展飞行比赛,发现“水火箭”在竖直方向上升高的高度不容易测量。同学们讨论后认为可以通过测量“水火箭”的来评选出“最佳飞行奖”。(写出一种方法即可)
(4)项目拓展:
①如图甲所示是火箭发射时的情景,下列说法正确的是(填字母);
A. 火箭点火升空离开发射台期间,重力势能不变
B. 火箭升空过程中,燃料燃烧释放的内能全部转化为火箭的机械能
C. 火箭升空过程中外壳温度会上升,这是通过做功的方式增加了外壳的内能
②一架飞机搭载的涡轮喷气发动机,其部分参数如表,表中热效率是指涡轮喷气发动机获得的机械能与燃料完全燃烧产生的内能之比,而推进效率则是指涡轮喷气发动机传递给飞机的推进功(推力所做的功)与其获得的机械能之比。已知飞机所受空气阻力与运行速度平方的关系如图丁所示,飞机以200 m/s的速度水平匀速巡航0.5 h的过程中,需要消耗t的航空燃油。

(1)了解火箭的相关知识:2025年4月24日,搭载神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭点火发射,如图甲所示。火箭刚发射时,它的机械能(选填“增加”“减小”或“不变”)。火箭产生的高温火焰向下喷射到发射台的地面,发射台遇到这样的高温容易发生(填物态变化名称)。为了保护发射台,在发射台底建了一个大水池,让火焰喷射到水中,利用水的(填物态变化名称)来吸收大量的热量。火箭升空的瞬间伴有的庞大白色气团实质是(选填“小水滴”“烟雾”或“水蒸气”)。
(2)制作并发射:同学们制作了“水火箭”并进行发射,如图乙、丙所示。给“水火箭”打气,打开阀门。水向下喷出,“水火箭”一飞冲天。使用打气筒打气时的能量转化与汽油机的冲程的能量转化相同,使“水火箭”上升的力的施力物体是(选填“打气的同学”或“喷出的水”)。
(3)项目评估:小组的同学们制作好了“水火箭”后开展飞行比赛,发现“水火箭”在竖直方向上升高的高度不容易测量。同学们讨论后认为可以通过测量“水火箭”的来评选出“最佳飞行奖”。(写出一种方法即可)
(4)项目拓展:
①如图甲所示是火箭发射时的情景,下列说法正确的是(填字母);
A. 火箭点火升空离开发射台期间,重力势能不变
B. 火箭升空过程中,燃料燃烧释放的内能全部转化为火箭的机械能
C. 火箭升空过程中外壳温度会上升,这是通过做功的方式增加了外壳的内能
②一架飞机搭载的涡轮喷气发动机,其部分参数如表,表中热效率是指涡轮喷气发动机获得的机械能与燃料完全燃烧产生的内能之比,而推进效率则是指涡轮喷气发动机传递给飞机的推进功(推力所做的功)与其获得的机械能之比。已知飞机所受空气阻力与运行速度平方的关系如图丁所示,飞机以200 m/s的速度水平匀速巡航0.5 h的过程中,需要消耗t的航空燃油。
答案
(1) 增加;熔化;汽化;小水滴
(2) 压缩;喷出的水
(3) 在空中飞行的时间(或其他合理答案,如:水平飞行距离)
(4)① C;② 1.08
(2) 压缩;喷出的水
(3) 在空中飞行的时间(或其他合理答案,如:水平飞行距离)
(4)① C;② 1.08
解析
(1) 火箭刚发射时,速度增大、高度升高,动能和重力势能均增大,故机械能增加;发射台遇高温由固态变为液态,发生熔化;水吸收热量由液态变为气态,发生汽化(或蒸发),利用汽化吸热保护发射台;白色气团是水蒸气遇冷液化形成的小水滴。(2) 打气筒打气时,机械能转化为内能,与汽油机压缩冲程能量转化相同;“水火箭”上升是由于喷出的水对火箭产生反作用力,施力物体是喷出的水。(3) 可通过测量“水火箭”在空中飞行的总时间(或水平飞行距离、落地点与发射点的水平距离等合理方法)间接反映竖直上升高度。(4)① A错误,高度升高,重力势能增大;B错误,存在能量损失,内能不可能全部转化为机械能;C正确,外壳与空气摩擦做功,内能增加,温度上升。② 飞机匀速巡航,推力F等于阻力f。由图丁,v=200 m/s时,v²=4×10⁴ (m·s⁻¹)²,对应f=3.6×10⁴ N。巡航时间t=0.5 h=1800 s,推进功Wₚ=F·s=F·v·t=3.6×10⁴ N×200 m/s×1800 s=1.296×10¹⁰ J。推进效率η₂=60%,则发动机获得的机械能Wₘ=Wₚ/η₂=1.296×10¹⁰ J / 0.6=2.16×10¹⁰ J。热效率η₁=40%,则燃料完全燃烧释放的内能Q=Wₘ/η₁=2.16×10¹⁰ J / 0.4=5.4×10¹⁰ J。航空燃油热值q=5.0×10⁷ J/kg,故质量m=Q/q=5.4×10¹⁰ J / (5.0×10⁷ J/kg)=1080 kg=1.08 t。
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