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1. [徐州模拟改编] 阅读短文，回答下列问题。
涡轮喷气发动机
如图甲所示的为某轴流式涡喷发动机，其结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其中压气机与涡轮装在同一条转轴上。工作时，空气首先进入发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看成气流以飞行速度流向发动机，由于飞机飞行的速度是变化的，而进入压气机气流速度有一定限制，因而进气道的功能就是通过可调管道来调整气流速度，使进入进气道的气体全部通过可调管道。空气流过压气机时被压气机的旋转叶片压缩后进入燃烧室。这部分气体在燃烧室中与燃料燃烧，产生的高温高压气流推动涡轮，一边带动压气机正常工作，一边从尾喷管喷出推动飞机飞行。
甲 乙
一架搭载某涡轮喷气发动机的飞机，其部分参数如表格所示。其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。
热效率 $\eta_1$ 40％
推进效率 $\eta_2$ 60％
航空燃油热值 $q$ $5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$
(1)喷气发动机工作过程中燃料的化学能先转化为内能，内能再转化为
(2)关于涡轮喷气发动机，下列说法中正确的是
A.进气道中吸入的是空气和燃气的混合气体
B.燃料耗尽后还可利用压气机压缩气体推动涡轮转动
C.尾喷管中喷出的气流对飞机做功
(3)设可调管道的通风口面积为$S_1$，当飞机加速飞行时，应使通风口面积$S_1$
(4)(图像分析)已知上述飞机所受空气阻力与运行速度的关系如图乙所示，当飞机以200 m/s的水平速度匀速巡航时，在巡航1 h的过程中，飞机获得的机械能为
(5)(新定义)若涡轮喷气发动机的功效是指发动机提供给飞机的推力与发动机机械功率的比值，则其功效为
涡轮喷气发动机
如图甲所示的为某轴流式涡喷发动机，其结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。其中压气机与涡轮装在同一条转轴上。工作时，空气首先进入发动机的进气道，当飞机飞行时，可以看成气流以飞行速度流向发动机，由于飞机飞行的速度是变化的，而进入压气机气流速度有一定限制，因而进气道的功能就是通过可调管道来调整气流速度，使进入进气道的气体全部通过可调管道。空气流过压气机时被压气机的旋转叶片压缩后进入燃烧室。这部分气体在燃烧室中与燃料燃烧，产生的高温高压气流推动涡轮，一边带动压气机正常工作，一边从尾喷管喷出推动飞机飞行。
甲 乙一架搭载某涡轮喷气发动机的飞机，其部分参数如表格所示。其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。
热效率 $\eta_1$ 40％
推进效率 $\eta_2$ 60％
航空燃油热值 $q$ $5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}$
(1)喷气发动机工作过程中燃料的化学能先转化为内能，内能再转化为
机械
能，从而提供动力。空气流过压气机时内能增大
（选填“增大”“减小”或“不变”）。(2)关于涡轮喷气发动机，下列说法中正确的是
C
。A.进气道中吸入的是空气和燃气的混合气体
B.燃料耗尽后还可利用压气机压缩气体推动涡轮转动
C.尾喷管中喷出的气流对飞机做功
(3)设可调管道的通风口面积为$S_1$，当飞机加速飞行时，应使通风口面积$S_1$
变大
（选填“变大”“不变”或“变小”）。(4)(图像分析)已知上述飞机所受空气阻力与运行速度的关系如图乙所示，当飞机以200 m/s的水平速度匀速巡航时，在巡航1 h的过程中，飞机获得的机械能为
$4.32×10^{10}$
J，需要2 160
kg的航空燃油。(5)(新定义)若涡轮喷气发动机的功效是指发动机提供给飞机的推力与发动机机械功率的比值，则其功效为
$3×10^{-3}$
N/W。答案
1.(1)机械;增大 (2)C (3)变大 (4)$4.32×10^{10}$;2 160 (5)$3×10^{-3}$
【点拨】(3)当飞机加速飞行时,空气进入压气机气流的速度也会增加,只能增加可调管道的通风口面积来减小气流速度,故应使通风口面积$S_1$变大。(4)由图乙可知,当飞机以200 m/s的水平速度匀速巡航时,受到的阻力为$3.6×10^4\ \mathrm{N}$;飞机受到的推力和阻力是平衡力,则推力$F=f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$;在巡航1 h的过程中推力做的功$W=Fs=Fvt=3.6×10^4\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m/s}×1×3\ 600\ \mathrm{s}=2.592×10^{10}\ \mathrm{J}$;根据$\eta=\frac{W}{W_机}$得,获得的机械能$W_机=\frac{W}{\eta_2}=\frac{2.592×10^{10}\ \mathrm{J}}{60\%}=4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$,航空燃油完全燃烧放出的热量$Q_放=\frac{W_机}{\eta_1}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{40\%}=1.08×10^{11}\ \mathrm{J}$,根据$Q_放=mq$得,需要航空燃油的质量$m=\frac{Q_放}{q}=\frac{1.08×10^{11}\ \mathrm{J}}{5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2\ 160\ \mathrm{kg}$。(5)根据(4)可知飞机飞行时的机械能为$4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$,可求得机械功率$P=\frac{W_机}{t}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{1×3\ 600\ \mathrm{s}}=1.2×10^7\ \mathrm{W}$;因涡轮喷气发动机的功效是指发动机提供给飞机的推力与发动机机械功率的比值,故其功效为$\frac{F}{P}=\frac{3.6×10^4\ \mathrm{N}}{1.2×10^7\ \mathrm{W}}=3×10^{-3}\ \mathrm{N/W}$。
【点拨】(3)当飞机加速飞行时,空气进入压气机气流的速度也会增加,只能增加可调管道的通风口面积来减小气流速度,故应使通风口面积$S_1$变大。(4)由图乙可知,当飞机以200 m/s的水平速度匀速巡航时,受到的阻力为$3.6×10^4\ \mathrm{N}$;飞机受到的推力和阻力是平衡力,则推力$F=f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$;在巡航1 h的过程中推力做的功$W=Fs=Fvt=3.6×10^4\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m/s}×1×3\ 600\ \mathrm{s}=2.592×10^{10}\ \mathrm{J}$;根据$\eta=\frac{W}{W_机}$得,获得的机械能$W_机=\frac{W}{\eta_2}=\frac{2.592×10^{10}\ \mathrm{J}}{60\%}=4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$,航空燃油完全燃烧放出的热量$Q_放=\frac{W_机}{\eta_1}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{40\%}=1.08×10^{11}\ \mathrm{J}$,根据$Q_放=mq$得,需要航空燃油的质量$m=\frac{Q_放}{q}=\frac{1.08×10^{11}\ \mathrm{J}}{5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2\ 160\ \mathrm{kg}$。(5)根据(4)可知飞机飞行时的机械能为$4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$,可求得机械功率$P=\frac{W_机}{t}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{1×3\ 600\ \mathrm{s}}=1.2×10^7\ \mathrm{W}$;因涡轮喷气发动机的功效是指发动机提供给飞机的推力与发动机机械功率的比值,故其功效为$\frac{F}{P}=\frac{3.6×10^4\ \mathrm{N}}{1.2×10^7\ \mathrm{W}}=3×10^{-3}\ \mathrm{N/W}$。
解析
【分析】
本题是结合涡轮喷气发动机的物理综合题，需先理解短文介绍的发动机工作原理，再逐一分析各问题：
1. 第(1)题：根据能量转化规律和做功改变内能的知识，判断能量转化方向及压气机工作时气体内能的变化；
2. 第(2)题：逐一分析选项，结合发动机结构和工作过程排除错误选项，选出正确答案；
3. 第(3)题：根据进气道调整气流速度的功能，分析飞机加速时通风口面积的变化；
4. 第(4)题：先由图像确定对应速度下的阻力，利用二力平衡得推力，再结合功、效率公式计算机械能和燃油质量；
5. 第(5)题：根据功效定义，结合第(4)问的结果计算发动机的功效。
【解析】
(1) 喷气发动机工作时，燃料燃烧将化学能转化为内能，高温高压气流推动涡轮转动，将内能转化为机械能；空气流过压气机时，压气机的旋转叶片对空气做功，空气的内能增大。故答案为：机械；增大。
(2) 选项分析：
A. 进气道吸入的是外界空气，燃气是燃烧室产生的，并非混合气体，错误；
B. 燃料耗尽后，燃烧室无法产生高温高压气流，涡轮无法转动，压气机不能单独推动涡轮，错误；
C. 尾喷管喷出的气流对飞机产生反作用力，推动飞机，即对飞机做功，正确。故选C。
(3) 飞机加速飞行时，流向发动机的气流速度增大，为使进入压气机的气流速度符合要求，需增大可调管道的通风口面积以减小气流速度，故通风口面积$S_1$变大。
(4) 由图乙可知，飞机以200 m/s匀速巡航时，阻力$f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$，匀速时推力$F=f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$；
巡航时间$t=1×3600\ \mathrm{s}$，推力做的功（推进功）$W=Fs=Fvt=3.6×10^4\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m/s}×3600\ \mathrm{s}=2.592×10^{10}\ \mathrm{J}$；
根据推进效率$\eta_2=\frac{W}{W_机}$，得发动机获得的机械能$W_机=\frac{W}{\eta_2}=\frac{2.592×10^{10}\ \mathrm{J}}{60\%}=4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$；
根据热效率$\eta_1=\frac{W_机}{Q_放}$，得燃油完全燃烧放出的热量$Q_放=\frac{W_机}{\eta_1}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{40\%}=1.08×10^{11}\ \mathrm{J}$；
由$Q_放=mq$，得需要航空燃油的质量$m=\frac{Q_放}{q}=\frac{1.08×10^{11}\ \mathrm{J}}{5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2160\ \mathrm{kg}$。
(5) 发动机的机械功率$P=\frac{W_机}{t}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{3600\ \mathrm{s}}=1.2×10^7\ \mathrm{W}$；
根据功效定义，功效为推力与机械功率的比值，即$\frac{F}{P}=\frac{3.6×10^4\ \mathrm{N}}{1.2×10^7\ \mathrm{W}}=3×10^{-3}\ \mathrm{N/W}$。
【答案】
(1) 机械；增大 (2) C (3) 变大 (4) $4.32×10^{10}$；2160 (5) $3×10^{-3}$
【知识点】
能量转化、热机效率、功与功率
【点评】
本题结合涡轮喷气发动机的科技材料，考查能量转化、热机效率、功与功率等物理知识的应用，需要学生准确理解材料信息并结合物理公式解题，是一道综合性较强的基础题。
【难度系数】
0.6
本题是结合涡轮喷气发动机的物理综合题，需先理解短文介绍的发动机工作原理，再逐一分析各问题：
1. 第(1)题：根据能量转化规律和做功改变内能的知识，判断能量转化方向及压气机工作时气体内能的变化；
2. 第(2)题：逐一分析选项，结合发动机结构和工作过程排除错误选项，选出正确答案；
3. 第(3)题：根据进气道调整气流速度的功能，分析飞机加速时通风口面积的变化；
4. 第(4)题：先由图像确定对应速度下的阻力，利用二力平衡得推力，再结合功、效率公式计算机械能和燃油质量；
5. 第(5)题：根据功效定义，结合第(4)问的结果计算发动机的功效。
【解析】
(1) 喷气发动机工作时，燃料燃烧将化学能转化为内能，高温高压气流推动涡轮转动，将内能转化为机械能；空气流过压气机时，压气机的旋转叶片对空气做功，空气的内能增大。故答案为：机械；增大。
(2) 选项分析：
A. 进气道吸入的是外界空气，燃气是燃烧室产生的，并非混合气体，错误；
B. 燃料耗尽后，燃烧室无法产生高温高压气流，涡轮无法转动，压气机不能单独推动涡轮，错误；
C. 尾喷管喷出的气流对飞机产生反作用力，推动飞机，即对飞机做功，正确。故选C。
(3) 飞机加速飞行时，流向发动机的气流速度增大，为使进入压气机的气流速度符合要求，需增大可调管道的通风口面积以减小气流速度，故通风口面积$S_1$变大。
(4) 由图乙可知，飞机以200 m/s匀速巡航时，阻力$f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$，匀速时推力$F=f=3.6×10^4\ \mathrm{N}$；
巡航时间$t=1×3600\ \mathrm{s}$，推力做的功（推进功）$W=Fs=Fvt=3.6×10^4\ \mathrm{N}×200\ \mathrm{m/s}×3600\ \mathrm{s}=2.592×10^{10}\ \mathrm{J}$；
根据推进效率$\eta_2=\frac{W}{W_机}$，得发动机获得的机械能$W_机=\frac{W}{\eta_2}=\frac{2.592×10^{10}\ \mathrm{J}}{60\%}=4.32×10^{10}\ \mathrm{J}$；
根据热效率$\eta_1=\frac{W_机}{Q_放}$，得燃油完全燃烧放出的热量$Q_放=\frac{W_机}{\eta_1}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{40\%}=1.08×10^{11}\ \mathrm{J}$；
由$Q_放=mq$，得需要航空燃油的质量$m=\frac{Q_放}{q}=\frac{1.08×10^{11}\ \mathrm{J}}{5.0×10^7\ \mathrm{J/kg}}=2160\ \mathrm{kg}$。
(5) 发动机的机械功率$P=\frac{W_机}{t}=\frac{4.32×10^{10}\ \mathrm{J}}{3600\ \mathrm{s}}=1.2×10^7\ \mathrm{W}$；
根据功效定义，功效为推力与机械功率的比值，即$\frac{F}{P}=\frac{3.6×10^4\ \mathrm{N}}{1.2×10^7\ \mathrm{W}}=3×10^{-3}\ \mathrm{N/W}$。
【答案】
(1) 机械；增大 (2) C (3) 变大 (4) $4.32×10^{10}$；2160 (5) $3×10^{-3}$
【知识点】
能量转化、热机效率、功与功率
【点评】
本题结合涡轮喷气发动机的科技材料，考查能量转化、热机效率、功与功率等物理知识的应用，需要学生准确理解材料信息并结合物理公式解题，是一道综合性较强的基础题。
【难度系数】
0.6
