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7.物理学的发展推动了社会的进步。如图12.4-5所示，图甲是世界上早期的蒸汽机汽车模型。为了研究它，小宇同学做了图乙、丙所示的实验。
(1)如图乙所示，酒精灯内的酒精通过燃烧把能转化为能。试管内的水通过的方式改变内能，变为水蒸气。蒸汽推动风轮转动，自身的能转化为风轮的能。
(2)如图丙所示，点燃蜡烛后，上方的热空气推动风轮转动，自身的能转化为风轮的能，热空气推动风轮转动后温度。以上过程中热空气内能的改变方式是。
(3)蒸汽机和汽油机都是热机，其中（选填“乙”或“丙”）图可以反映汽油机的工作原理。
(1)如图乙所示，酒精灯内的酒精通过燃烧把能转化为能。试管内的水通过的方式改变内能，变为水蒸气。蒸汽推动风轮转动，自身的能转化为风轮的能。
(2)如图丙所示，点燃蜡烛后，上方的热空气推动风轮转动，自身的能转化为风轮的能，热空气推动风轮转动后温度。以上过程中热空气内能的改变方式是。
(3)蒸汽机和汽油机都是热机，其中（选填“乙”或“丙”）图可以反映汽油机的工作原理。
答案
解：
(1) 酒精灯内的酒精通过燃烧把化学能转化为内能。试管内的水通过热传递的方式改变内能，变为水蒸气。蒸汽推动风轮转动，自身的内能转化为风轮的机械能。
(2) 点燃蜡烛后，上方的热空气推动风轮转动，自身的内能转化为风轮的机械能，热空气推动风轮转动后温度降低。以上过程中热空气内能的改变方式是做功。
(3) 蒸汽机和汽油机都是热机，其中丙图可以反映汽油机的工作原理。
(1) 酒精灯内的酒精通过燃烧把化学能转化为内能。试管内的水通过热传递的方式改变内能，变为水蒸气。蒸汽推动风轮转动，自身的内能转化为风轮的机械能。
(2) 点燃蜡烛后，上方的热空气推动风轮转动，自身的内能转化为风轮的机械能，热空气推动风轮转动后温度降低。以上过程中热空气内能的改变方式是做功。
(3) 蒸汽机和汽油机都是热机，其中丙图可以反映汽油机的工作原理。
解析
【分析】
要解答本题，需明确不同过程的能量转化类型、改变内能的方式，以及蒸汽机与汽油机的工作特点：
1. 酒精燃烧是化学能释放转化为内能的过程；水吸热汽化是通过热传递改变内能；蒸汽推动风轮时，内能转化为机械能。
2. 热空气推动风轮转动时，消耗自身内能转化为机械能；对外做功后内能减少、温度降低，这种改变内能的方式是做功。
3. 蒸汽机是外部加热蒸汽做功，汽油机是燃料在气缸内燃烧（内部加热）做功，据此区分对应装置。
【解析】
(1) 酒精燃烧时，将储存的化学能转化为内能；试管内的水吸收热量，通过热传递的方式增加内能，汽化为水蒸气；蒸汽推动风轮转动时，自身的内能转化为风轮的机械能。
(2) 点燃蜡烛后，热空气推动风轮转动，将自身的内能转化为风轮的机械能；热空气对外做功后，内能减小，温度降低；这种通过做功改变物体内能的方式，属于内能的做功改变方式。
(3) 蒸汽机利用外部加热产生的蒸汽做功，汽油机是燃料在气缸内部燃烧产生内能做功；丙图中蜡烛在风轮下方燃烧，属于内部加热，因此丙图反映汽油机的工作原理。
【答案】
(1) 化学；内；热传递；内；机械
(2) 内；机械；降低；做功
(3) 丙
【知识点】
能量的转化；内能的改变；热机的工作原理
【点评】
本题围绕热机的核心原理展开，结合实验装置考察基础知识点，难度适中，帮助学生理解热机的能量转化本质，区分蒸汽机与汽油机的工作差异。
【难度系数】
0.6
要解答本题，需明确不同过程的能量转化类型、改变内能的方式，以及蒸汽机与汽油机的工作特点：
1. 酒精燃烧是化学能释放转化为内能的过程；水吸热汽化是通过热传递改变内能；蒸汽推动风轮时，内能转化为机械能。
2. 热空气推动风轮转动时，消耗自身内能转化为机械能；对外做功后内能减少、温度降低，这种改变内能的方式是做功。
3. 蒸汽机是外部加热蒸汽做功，汽油机是燃料在气缸内燃烧（内部加热）做功，据此区分对应装置。
【解析】
(1) 酒精燃烧时，将储存的化学能转化为内能；试管内的水吸收热量，通过热传递的方式增加内能，汽化为水蒸气；蒸汽推动风轮转动时，自身的内能转化为风轮的机械能。
(2) 点燃蜡烛后，热空气推动风轮转动，将自身的内能转化为风轮的机械能；热空气对外做功后，内能减小，温度降低；这种通过做功改变物体内能的方式，属于内能的做功改变方式。
(3) 蒸汽机利用外部加热产生的蒸汽做功，汽油机是燃料在气缸内部燃烧产生内能做功；丙图中蜡烛在风轮下方燃烧，属于内部加热，因此丙图反映汽油机的工作原理。
【答案】
(1) 化学；内；热传递；内；机械
(2) 内；机械；降低；做功
(3) 丙
【知识点】
能量的转化；内能的改变；热机的工作原理
【点评】
本题围绕热机的核心原理展开，结合实验装置考察基础知识点，难度适中，帮助学生理解热机的能量转化本质，区分蒸汽机与汽油机的工作差异。
【难度系数】
0.6
8. 提升题 下表所示是某品牌小轿车的一些技术参数，其中排气量是指发动机气缸的工作容积，一般情况下，发动机的排气量越大，功率越大；空燃比是指气缸内空气和燃油的质量比。当该发动机以最大功率工作时，在每一个工作循环中，气缸内汽油和空气的混合密度为1.35 kg/m³，转速为5 000 r/min。求：
(1)发动机1 min内做的有用功；
(2)做功一次消耗汽油的质量；
(3)该汽油机的效率。
(1)发动机1 min内做的有用功；
(2)做功一次消耗汽油的质量；
(3)该汽油机的效率。
答案
解：
(1) 已知发动机最大功率$P=82.8\ \mathrm{kW}=8.28×10^4\ \mathrm{W}$，工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$
由$P=\frac{W}{t}$得，1 min内做的有用功：
$W = Pt = 8.28×10^4\ \mathrm{W} × 60\ \mathrm{s} = 4.968×10^6\ \mathrm{J}$
(2) 排气量$V=1.6\ \mathrm{L}=1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，每个工作循环气缸内混合气的总质量：
$m_{\mathrm{混}} = \rho V = 1.35\ \mathrm{kg/m}^3 × 1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg}$
空燃比为$14:1$，燃油质量占混合气总质量的$\frac{1}{14+1}$，因此做功一次消耗汽油的质量：
$m_{\mathrm{油}} = m_{\mathrm{混}} × \frac{1}{15} = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg} × \frac{1}{15} = 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$
(3) 四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次，转速为$5000\ \mathrm{r/min}$，1 min内对外做功的总次数：
$n = \frac{5000}{2} = 2500$
1 min内消耗汽油的总质量：
$m_{\mathrm{总}} = n · m_{\mathrm{油}} = 2500 × 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg} = 0.36\ \mathrm{kg}$
汽油完全燃烧放出的总热量：
$Q_{\mathrm{放}} = m_{\mathrm{总}} q = 0.36\ \mathrm{kg} × 4.6×10^7\ \mathrm{J/kg} = 1.656×10^7\ \mathrm{J}$
该汽油机的效率：
$\eta = \frac{W}{Q_{\mathrm{放}}} × 100\% = \frac{4.968×10^6\ \mathrm{J}}{1.656×10^7\ \mathrm{J}} × 100\% = 30\%$
答：(1) 发动机1 min内做的有用功为$4.968×10^6\ \mathrm{J}$；(2) 做功一次消耗汽油的质量为$1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$；(3) 该汽油机的效率为30%。
(1) 已知发动机最大功率$P=82.8\ \mathrm{kW}=8.28×10^4\ \mathrm{W}$，工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$
由$P=\frac{W}{t}$得，1 min内做的有用功：
$W = Pt = 8.28×10^4\ \mathrm{W} × 60\ \mathrm{s} = 4.968×10^6\ \mathrm{J}$
(2) 排气量$V=1.6\ \mathrm{L}=1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，每个工作循环气缸内混合气的总质量：
$m_{\mathrm{混}} = \rho V = 1.35\ \mathrm{kg/m}^3 × 1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg}$
空燃比为$14:1$，燃油质量占混合气总质量的$\frac{1}{14+1}$，因此做功一次消耗汽油的质量：
$m_{\mathrm{油}} = m_{\mathrm{混}} × \frac{1}{15} = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg} × \frac{1}{15} = 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$
(3) 四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次，转速为$5000\ \mathrm{r/min}$，1 min内对外做功的总次数：
$n = \frac{5000}{2} = 2500$
1 min内消耗汽油的总质量：
$m_{\mathrm{总}} = n · m_{\mathrm{油}} = 2500 × 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg} = 0.36\ \mathrm{kg}$
汽油完全燃烧放出的总热量：
$Q_{\mathrm{放}} = m_{\mathrm{总}} q = 0.36\ \mathrm{kg} × 4.6×10^7\ \mathrm{J/kg} = 1.656×10^7\ \mathrm{J}$
该汽油机的效率：
$\eta = \frac{W}{Q_{\mathrm{放}}} × 100\% = \frac{4.968×10^6\ \mathrm{J}}{1.656×10^7\ \mathrm{J}} × 100\% = 30\%$
答：(1) 发动机1 min内做的有用功为$4.968×10^6\ \mathrm{J}$；(2) 做功一次消耗汽油的质量为$1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$；(3) 该汽油机的效率为30%。
解析
【分析】
本题是热机相关的综合计算题，解题思路如下：
1. 求发动机1min内的有用功：利用功率公式的变形$W=Pt$，先统一功率和时间的单位，代入计算即可。
2. 求做功一次消耗的汽油质量：先根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$算出每次做功时气缸内混合气的总质量，再根据空燃比（空气和燃油质量比为$14:1$），得出燃油质量占总质量的$\frac{1}{15}$，进而算出汽油质量。
3. 求汽油机的效率：首先根据转速判断1min内做功次数（四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次），算出总做功次数后得到1min内消耗汽油的总质量，再利用$Q_{放}=mq$算出总热量，最后根据效率公式$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$计算效率。
【解析】
解：
(1) 已知发动机最大功率$P=82.8\ \mathrm{kW}=8.28×10^4\ \mathrm{W}$，工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$，由$P=\frac{W}{t}$得，1 min内做的有用功：
$W = Pt = 8.28×10^4\ \mathrm{W} × 60\ \mathrm{s} = 4.968×10^6\ \mathrm{J}$
(2) 排气量$V=1.6\ \mathrm{L}=1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，每个工作循环气缸内混合气的总质量：
$m_{\mathrm{混}} = \rho V = 1.35\ \mathrm{kg/m}^3 × 1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg}$
空燃比为$14:1$，燃油质量占混合气总质量的$\frac{1}{14+1}$，因此做功一次消耗汽油的质量：
$m_{\mathrm{油}} = m_{\mathrm{混}} × \frac{1}{15} = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg} × \frac{1}{15} = 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$
(3) 四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次，转速为$5000\ \mathrm{r/min}$，1 min内对外做功的总次数：
$n = \frac{5000}{2} = 2500$
1 min内消耗汽油的总质量：
$m_{\mathrm{总}} = n · m_{\mathrm{油}} = 2500 × 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg} = 0.36\ \mathrm{kg}$
汽油完全燃烧放出的总热量：
$Q_{\mathrm{放}} = m_{\mathrm{总}} q = 0.36\ \mathrm{kg} × 4.6×10^7\ \mathrm{J/kg} = 1.656×10^7\ \mathrm{J}$
该汽油机的效率：
$\eta = \frac{W}{Q_{\mathrm{放}}} × 100\% = \frac{4.968×10^6\ \mathrm{J}}{1.656×10^7\ \mathrm{J}} × 100\% = 30\%$
【答案】
(1) $4.968×10^6\ \mathrm{J}$；(2) $1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$；(3) $30\%$
【知识点】
功率计算、密度公式应用、热机效率计算
【点评】
本题是热机相关的综合计算题，需掌握功率、密度、热值、热机转速与做功次数的关系等知识点，解题时要注意单位统一和比例关系，步骤较多，对学生综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.5
本题是热机相关的综合计算题，解题思路如下：
1. 求发动机1min内的有用功：利用功率公式的变形$W=Pt$，先统一功率和时间的单位，代入计算即可。
2. 求做功一次消耗的汽油质量：先根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$算出每次做功时气缸内混合气的总质量，再根据空燃比（空气和燃油质量比为$14:1$），得出燃油质量占总质量的$\frac{1}{15}$，进而算出汽油质量。
3. 求汽油机的效率：首先根据转速判断1min内做功次数（四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次），算出总做功次数后得到1min内消耗汽油的总质量，再利用$Q_{放}=mq$算出总热量，最后根据效率公式$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$计算效率。
【解析】
解：
(1) 已知发动机最大功率$P=82.8\ \mathrm{kW}=8.28×10^4\ \mathrm{W}$，工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$，由$P=\frac{W}{t}$得，1 min内做的有用功：
$W = Pt = 8.28×10^4\ \mathrm{W} × 60\ \mathrm{s} = 4.968×10^6\ \mathrm{J}$
(2) 排气量$V=1.6\ \mathrm{L}=1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，每个工作循环气缸内混合气的总质量：
$m_{\mathrm{混}} = \rho V = 1.35\ \mathrm{kg/m}^3 × 1.6×10^{-3}\ \mathrm{m}^3 = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg}$
空燃比为$14:1$，燃油质量占混合气总质量的$\frac{1}{14+1}$，因此做功一次消耗汽油的质量：
$m_{\mathrm{油}} = m_{\mathrm{混}} × \frac{1}{15} = 2.16×10^{-3}\ \mathrm{kg} × \frac{1}{15} = 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$
(3) 四冲程汽油机曲轴每转2圈对外做功1次，转速为$5000\ \mathrm{r/min}$，1 min内对外做功的总次数：
$n = \frac{5000}{2} = 2500$
1 min内消耗汽油的总质量：
$m_{\mathrm{总}} = n · m_{\mathrm{油}} = 2500 × 1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg} = 0.36\ \mathrm{kg}$
汽油完全燃烧放出的总热量：
$Q_{\mathrm{放}} = m_{\mathrm{总}} q = 0.36\ \mathrm{kg} × 4.6×10^7\ \mathrm{J/kg} = 1.656×10^7\ \mathrm{J}$
该汽油机的效率：
$\eta = \frac{W}{Q_{\mathrm{放}}} × 100\% = \frac{4.968×10^6\ \mathrm{J}}{1.656×10^7\ \mathrm{J}} × 100\% = 30\%$
【答案】
(1) $4.968×10^6\ \mathrm{J}$；(2) $1.44×10^{-4}\ \mathrm{kg}$；(3) $30\%$
【知识点】
功率计算、密度公式应用、热机效率计算
【点评】
本题是热机相关的综合计算题，需掌握功率、密度、热值、热机转速与做功次数的关系等知识点，解题时要注意单位统一和比例关系，步骤较多，对学生综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.5
