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三、实验题
9. 核心素养 科学探究 为了探究做功对物体内能的影响,小明利用注射器、数字温度传感器等器材进行了如图所示的探究。
如图甲,在注射器前端筒壁上钻一个小孔,将温度传感器的探头插入注射器内,用密封胶将小孔密封,读出此时温度传感器的示数。
(1)如图乙,用橡皮帽将注射器的注射口堵住,用力向左推动活塞,传感器的示数逐渐增大,说明活塞压缩筒内气体,使气体内能
(2)当橡皮帽被喷出时,注射口喷出“白气”,温度传感器示数
9. 核心素养 科学探究 为了探究做功对物体内能的影响,小明利用注射器、数字温度传感器等器材进行了如图所示的探究。
如图甲,在注射器前端筒壁上钻一个小孔,将温度传感器的探头插入注射器内,用密封胶将小孔密封,读出此时温度传感器的示数。
(1)如图乙,用橡皮帽将注射器的注射口堵住,用力向左推动活塞,传感器的示数逐渐增大,说明活塞压缩筒内气体,使气体内能
增大
（填“增大”“减小”或“不变”）,这是通过做功
的方式改变了气体的内能。(2)当橡皮帽被喷出时,注射口喷出“白气”,温度传感器示数
变小
（填“变大”“变小”或“不变”）；此过程中的能量转化与汽油机的做功
冲程相同。答案
9. (1)增大 做功 (2)变小 做功 解析:(1)根据题意可知,活塞压缩筒内气体做功,使气体内能增大,温度升高,这是通过做功的方式改变了气体的内能。(2)当橡皮帽被喷出时,筒内气体对外做功,温度降低,温度传感器示数变小,内能转化为机械能,与汽油机的做功冲程的能量转化相同。
解析
【分析】
本题是探究做功对物体内能影响的实验题，需结合做功改变内能的规律、汽油机冲程的能量转化来解题。思路：对物体做功时，物体内能增大、温度升高；物体对外做功时，内能减小、温度降低；汽油机做功冲程是内能转化为机械能，压缩冲程是机械能转化为内能，据此分析两小问。
【解析】
(1) 用力向左推动活塞时，活塞压缩筒内气体，对气体做功，根据做功改变内能的规律，对物体做功会使物体的内能增大，因此气体内能增大，温度升高，这是通过做功的方式改变气体的内能。
(2) 橡皮帽被喷出时，筒内气体推动橡皮帽对外做功，气体的内能转化为橡皮帽的机械能，气体自身内能减小，温度降低，所以温度传感器示数变小；此过程的能量转化是内能转化为机械能，与汽油机的做功冲程（内能转化为机械能）相同。
【答案】
(1)增大；做功 (2)变小；做功
【知识点】
内能的改变方式；汽油机的冲程
【点评】
本题通过实验探究做功对内能的影响，结合汽油机冲程知识，考查学生对做功改变内能的理解及能量转化的应用，属于基础实验题，注重科学探究能力的考查。
【难度系数】
0.6
本题是探究做功对物体内能影响的实验题，需结合做功改变内能的规律、汽油机冲程的能量转化来解题。思路：对物体做功时，物体内能增大、温度升高；物体对外做功时，内能减小、温度降低；汽油机做功冲程是内能转化为机械能，压缩冲程是机械能转化为内能，据此分析两小问。
【解析】
(1) 用力向左推动活塞时，活塞压缩筒内气体，对气体做功，根据做功改变内能的规律，对物体做功会使物体的内能增大，因此气体内能增大，温度升高，这是通过做功的方式改变气体的内能。
(2) 橡皮帽被喷出时，筒内气体推动橡皮帽对外做功，气体的内能转化为橡皮帽的机械能，气体自身内能减小，温度降低，所以温度传感器示数变小；此过程的能量转化是内能转化为机械能，与汽油机的做功冲程（内能转化为机械能）相同。
【答案】
(1)增大；做功 (2)变小；做功
【知识点】
内能的改变方式；汽油机的冲程
【点评】
本题通过实验探究做功对内能的影响，结合汽油机冲程知识，考查学生对做功改变内能的理解及能量转化的应用，属于基础实验题，注重科学探究能力的考查。
【难度系数】
0.6
10. 如图所示,甲、乙、丙三图中的装置完全相同,燃料的质量相等,烧杯内的液体的质量和初温也相同。
(1)比较不同燃料的热值时,应选择
(2)比较不同物质吸热升温快慢的特点,应选择
(3)在探究物质吸热能力时,得到了下表的实验数据:
实验中,是通过比较
(4)已知水的比热容为 $c_{水}=4.2× 10^{3}\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}· °\mathrm{C})$,根据实验数据可知,食用油的比热容为
(5)如果该实验换另外的质量和初始温度均相同的$a、b$两种液体来做实验,吸热后它们的温度随时间变化的图像如图丁所示,则可以看出,
(1)比较不同燃料的热值时,应选择
甲、乙
两图进行实验。(2)比较不同物质吸热升温快慢的特点,应选择
甲、丙
两图进行实验。(3)在探究物质吸热能力时,得到了下表的实验数据:
实验中,是通过比较
加热的时间
(填“加热的时间”或“升高的温度”)来间接反映水和食用油吸收的热量;由实验数据分析可知,水
(填“水”或“食用油”)的吸热能力强。(4)已知水的比热容为 $c_{水}=4.2× 10^{3}\ \mathrm{J}/(\mathrm{kg}· °\mathrm{C})$,根据实验数据可知,食用油的比热容为
$2.1×10^3$
$\mathrm{J}/(\mathrm{kg}· °\mathrm{C})$。(5)如果该实验换另外的质量和初始温度均相同的$a、b$两种液体来做实验,吸热后它们的温度随时间变化的图像如图丁所示,则可以看出,
a
液体的温度升高得较快,b
液体适合做冷却剂。(均填“$a$”或“$b$”)答案
10. (1)甲、乙 (2)甲、丙 (3)加热的时间 水 (4)$2.1×10^3$ (5)$a$ $b$ 解析:(1)比较不同燃料的热值时,应该控制相同质量的不同燃料给相同液体加热,通过比较液体升高温度的多少来比较不同燃料的热值,故应选择甲、乙两图进行实验。(2)比较不同物质吸热升温快慢的特点,应该控制同种燃料,通过给不同液体加热相同的时间,用比较液体升高温度的多少来比较液体吸热的快慢,故应选择甲、丙两图进行实验。(3)甲、丙实验中,两个加热装置完全相同,相同时间产生的热量相同,通过比较加热的时间来间接反映食用油和水吸收的热量,加热时间越长,物体吸收的热量越多,用到转换法。由实验数据分析可知,加热相同时间,吸收相同热量,水升温较慢,所以水的吸热能力强。(4)已知水的比热容为$4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$,根据实验数据可知,食用油和水吸收相同的热量时,食用油的温度变化量是水的温度变化量的2倍,由$Q_{吸}=cm\Delta t$可知,食用油的比热容为水的比热容的一半,为$c_{油}=\frac{1}{2}c_{水}=\frac{1}{2}×4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}=2.1×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$。(5)如果换另外的质量和初始温度均相同的$a、b$两种液体来做实验,吸热后它们的温度随时间变化的图像如题图丁所示,则可以看出,加热相同时间,$a$液体的温度升高得较快,故$b$液体的比热容较大,$b$液体适合做冷却剂。
解析
【分析】
本题考查热学中热值与比热容的实验探究，需运用控制变量法、转换法分析实验设计逻辑：
1. 比较不同燃料的热值时，需控制被加热液体的质量、种类相同，仅改变燃料种类，据此选择实验装置；
2. 比较不同物质吸热升温快慢时，需控制燃料种类相同，仅改变被加热液体种类，据此选择实验装置；
3. 相同加热装置在相同时间内放出热量相同，因此用加热时间间接反映液体吸收的热量（转换法）；吸热能力越强的物质，相同热量下升温越慢，据此判断吸热能力强弱；
4. 根据吸热公式$Q_{吸}=cm\Delta t$，当$Q$、$m$相同时，比热容与温度变化量成反比，结合实验中食用油和水的温度变化关系计算食用油的比热容；
5. 温度随时间变化图像中，相同加热时间（吸收相同热量）下，升温越快的物质比热容越小，比热容大的物质适合做冷却剂。
【解析】
(1) 比较不同燃料的热值，需保证被加热液体的质量、种类一致，燃料种类不同，甲、乙两图符合要求，故填甲、乙；
(2) 比较不同物质吸热升温快慢，需保证燃料种类一致，被加热液体种类不同，甲、丙两图符合要求，故填甲、丙；
(3) 实验中使用相同加热装置，相同时间内放出热量相同，因此通过加热时间间接反映液体吸收的热量；加热相同时间（吸收相同热量）时，水的升温更慢，说明水的吸热能力更强，故填加热的时间、水；
(4) 由$Q_{吸}=cm\Delta t$，当食用油和水吸收的热量$Q$、质量$m$相同时，$c_{油}\Delta t_{油}=c_{水}\Delta t_{水}$，实验中食用油的温度变化量是水的2倍，因此$c_{油}=\frac{\Delta t_{水}}{\Delta t_{油}}c_{水}=\frac{1}{2}×4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}=2.1×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$；
(5) 由丁图可知，相同加热时间（吸收相同热量）时，$a$液体温度升高得更快，说明$a$的比热容更小，$b$的比热容更大；比热容大的物质吸热能力强，适合做冷却剂，故填$a$、$b$。
【答案】
(1) 甲、乙；(2) 甲、丙；(3) 加热的时间；水；(4) $2.1×10^3$；(5) $a$；$b$
【知识点】
比热容、热值、控制变量法
【点评】
本题是热学实验的典型题目，重点考查控制变量法和转换法在实验中的应用，以及比热容、热值的相关计算，要求学生理解实验设计的原理，掌握比热容的物理意义，属于热学基础重点题。
【难度系数】
0.6
本题考查热学中热值与比热容的实验探究，需运用控制变量法、转换法分析实验设计逻辑：
1. 比较不同燃料的热值时，需控制被加热液体的质量、种类相同，仅改变燃料种类，据此选择实验装置；
2. 比较不同物质吸热升温快慢时，需控制燃料种类相同，仅改变被加热液体种类，据此选择实验装置；
3. 相同加热装置在相同时间内放出热量相同，因此用加热时间间接反映液体吸收的热量（转换法）；吸热能力越强的物质，相同热量下升温越慢，据此判断吸热能力强弱；
4. 根据吸热公式$Q_{吸}=cm\Delta t$，当$Q$、$m$相同时，比热容与温度变化量成反比，结合实验中食用油和水的温度变化关系计算食用油的比热容；
5. 温度随时间变化图像中，相同加热时间（吸收相同热量）下，升温越快的物质比热容越小，比热容大的物质适合做冷却剂。
【解析】
(1) 比较不同燃料的热值，需保证被加热液体的质量、种类一致，燃料种类不同，甲、乙两图符合要求，故填甲、乙；
(2) 比较不同物质吸热升温快慢，需保证燃料种类一致，被加热液体种类不同，甲、丙两图符合要求，故填甲、丙；
(3) 实验中使用相同加热装置，相同时间内放出热量相同，因此通过加热时间间接反映液体吸收的热量；加热相同时间（吸收相同热量）时，水的升温更慢，说明水的吸热能力更强，故填加热的时间、水；
(4) 由$Q_{吸}=cm\Delta t$，当食用油和水吸收的热量$Q$、质量$m$相同时，$c_{油}\Delta t_{油}=c_{水}\Delta t_{水}$，实验中食用油的温度变化量是水的2倍，因此$c_{油}=\frac{\Delta t_{水}}{\Delta t_{油}}c_{水}=\frac{1}{2}×4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}=2.1×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$；
(5) 由丁图可知，相同加热时间（吸收相同热量）时，$a$液体温度升高得更快，说明$a$的比热容更小，$b$的比热容更大；比热容大的物质吸热能力强，适合做冷却剂，故填$a$、$b$。
【答案】
(1) 甲、乙；(2) 甲、丙；(3) 加热的时间；水；(4) $2.1×10^3$；(5) $a$；$b$
【知识点】
比热容、热值、控制变量法
【点评】
本题是热学实验的典型题目，重点考查控制变量法和转换法在实验中的应用，以及比热容、热值的相关计算，要求学生理解实验设计的原理，掌握比热容的物理意义，属于热学基础重点题。
【难度系数】
0.6
四、计算与推导题
11. 一款新型汽车在某段平直公路上进行测试，汽车以 18 m/s 的速度匀速行驶了 5 min，消耗燃油 0.3 kg，汽车发动机的牵引力是 1 000 N。燃油的热值为 $4.5× 10^7$ J/kg。求：
(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量 $Q_{\mathrm{放}}$；
(2)发动机所做的功 $W$；
(3)发动机的能量转化效率 $\eta$。
11. 一款新型汽车在某段平直公路上进行测试，汽车以 18 m/s 的速度匀速行驶了 5 min，消耗燃油 0.3 kg，汽车发动机的牵引力是 1 000 N。燃油的热值为 $4.5× 10^7$ J/kg。求：
(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量 $Q_{\mathrm{放}}$；
(2)发动机所做的功 $W$；
(3)发动机的能量转化效率 $\eta$。
答案
11. (1)$1.35×10^7\ \mathrm{J}$ (2)$5.4×10^6\ \mathrm{J}$ (3)$40\%$
解析:(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量:$Q_{放}= mq=0.3\ \mathrm{kg}×4.5×10^7\ \mathrm{J/kg}=1.35×10^7\ \mathrm{J}$;
(2)汽车行驶的距离为:$s=vt=18\ \mathrm{m/s}×5×60\ \mathrm{s}=5\ 400\ \mathrm{m}$,发动机牵引力做的功:$W=Fs=1\ 000\ \mathrm{N}×5\ 400\ \mathrm{m}=5.4×10^6\ \mathrm{J}$;
(3)发动机的能量转化效率为: $\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{5.4×10^6\ \mathrm{J}}{1.35×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=40\%$。
解析:(1)消耗的燃油完全燃烧产生的热量:$Q_{放}= mq=0.3\ \mathrm{kg}×4.5×10^7\ \mathrm{J/kg}=1.35×10^7\ \mathrm{J}$;
(2)汽车行驶的距离为:$s=vt=18\ \mathrm{m/s}×5×60\ \mathrm{s}=5\ 400\ \mathrm{m}$,发动机牵引力做的功:$W=Fs=1\ 000\ \mathrm{N}×5\ 400\ \mathrm{m}=5.4×10^6\ \mathrm{J}$;
(3)发动机的能量转化效率为: $\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{5.4×10^6\ \mathrm{J}}{1.35×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=40\%$。
解析
【分析】
本题是热学与力学结合的基础计算题，分三步求解：
1. 求燃油完全燃烧的热量，直接用燃料燃烧放热公式$Q_{放}=mq$，代入已知的燃油质量和热值计算；
2. 求发动机做的功，需先通过速度公式$s=vt$计算汽车行驶距离（注意时间单位换算），再用功的公式$W=Fs$，代入牵引力和行驶距离计算；
3. 求发动机能量转化效率，利用效率公式$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$，将前两问结果代入计算，最终转化为百分数。
【解析】
解：
(1) 消耗的燃油完全燃烧产生的热量：
$Q_{放}=mq=0.3\ \mathrm{kg}×4.5×10^7\ \mathrm{J/kg}=1.35×10^7\ \mathrm{J}$；
(2) 汽车行驶时间$t=5\ \mathrm{min}=5×60\ \mathrm{s}=300\ \mathrm{s}$，
汽车行驶的距离：$s=vt=18\ \mathrm{m/s}×300\ \mathrm{s}=5400\ \mathrm{m}$，
发动机牵引力做的功：$W=Fs=1000\ \mathrm{N}×5400\ \mathrm{m}=5.4×10^6\ \mathrm{J}$；
(3) 发动机的能量转化效率：
$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{5.4×10^6\ \mathrm{J}}{1.35×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=40\%$。
【答案】
(1) $1.35×10^7\ \mathrm{J}$；(2) $5.4×10^6\ \mathrm{J}$；(3) $40\%$
【知识点】
燃料的热值、功的计算、热机效率
【点评】
本题考查基础公式的应用，需注意时间单位的换算，牢记燃料放热、功、效率的计算公式，步骤清晰即可正确解答，属于常规基础计算题。
【难度系数】
0.8
本题是热学与力学结合的基础计算题，分三步求解：
1. 求燃油完全燃烧的热量，直接用燃料燃烧放热公式$Q_{放}=mq$，代入已知的燃油质量和热值计算；
2. 求发动机做的功，需先通过速度公式$s=vt$计算汽车行驶距离（注意时间单位换算），再用功的公式$W=Fs$，代入牵引力和行驶距离计算；
3. 求发动机能量转化效率，利用效率公式$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$，将前两问结果代入计算，最终转化为百分数。
【解析】
解：
(1) 消耗的燃油完全燃烧产生的热量：
$Q_{放}=mq=0.3\ \mathrm{kg}×4.5×10^7\ \mathrm{J/kg}=1.35×10^7\ \mathrm{J}$；
(2) 汽车行驶时间$t=5\ \mathrm{min}=5×60\ \mathrm{s}=300\ \mathrm{s}$，
汽车行驶的距离：$s=vt=18\ \mathrm{m/s}×300\ \mathrm{s}=5400\ \mathrm{m}$，
发动机牵引力做的功：$W=Fs=1000\ \mathrm{N}×5400\ \mathrm{m}=5.4×10^6\ \mathrm{J}$；
(3) 发动机的能量转化效率：
$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{5.4×10^6\ \mathrm{J}}{1.35×10^7\ \mathrm{J}}×100\%=40\%$。
【答案】
(1) $1.35×10^7\ \mathrm{J}$；(2) $5.4×10^6\ \mathrm{J}$；(3) $40\%$
【知识点】
燃料的热值、功的计算、热机效率
【点评】
本题考查基础公式的应用，需注意时间单位的换算，牢记燃料放热、功、效率的计算公式，步骤清晰即可正确解答，属于常规基础计算题。
【难度系数】
0.8
