1、第第 17 讲讲 内能、核能的利用内能、核能的利用 能的转化能的转化与守恒与守恒 1下列事例中，改变物体内能的途径与其他三项不同的是( A ) A.柴火烧水 B.压缩空气发热 C.冬天搓手取暖 D.钻木取火 2用两块铜片、热电偶、电动机(带风扇)组成一个电路，铜片 1 插在 90 热水中，铜 片 2 放在空气中，如图所示，半分钟左右风扇发生转动，这就是温差发电现象。有关该 实验过程的说法，正确的是( A ) A温差发电的实质是内能转化为电能 B温差发电不遵守能量守恒定律 C热水的内能全部转化成风扇的机械能 D两块铜片有温度差，风扇就会转 3关于核电站、能量和能源，下列说法正确的是( C ) A
2、目前人类已建成的核电站，都是利用核聚变发电 B核电站的核废料可以直接堆放在露天垃圾场 C所有能量转化和转移过程，都遵循能量守恒定律 D能量在转化和转移中总是可逆的 4如图为一种自热火锅的构件图。该自热火锅的发热包内有铁粉、铝粉、炭粉、生石 灰等物质，将发热包放到水中，会放出大量的热。有关该自热火锅的说法不合理的是 ( C ) A生石灰与水反应，会放出大量的热 B设计出气孔的目的是避免使用时盒内气压过高 C遇水能放出热量的物质都能作为发热包的内容物 D使用过的发热包即使干燥后也不能重复使用 5将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”，把一瓶饮料放入“冰箱”后，冰块和饮 料的温度随时间变化的曲线如图所
3、示，在两物体温度达到相同之前，下列说法正确的是 ( B ) A甲是冰块 B乙吸收热量 C甲内能增加 D乙内能减少 6如图是某科技馆的一台“永动机”。由 5 根轻杆和转轴构成， 轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，进入热水后因叶片伸展 “划水”而转动，离开热水后叶片形状迅速复原。关于该“永动 机”的说法正确的是( D ) A科技发展制造出了永动机 B转动会使水温升得更高 C记忆合金是一种新型化合物 D水的内能转化为转轮的机械能 7如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析正确的是( C ) A.厚玻璃内的空气被压 缩时，空气的内能减少 B.瓶子内的空气推动塞子 跳起时，空气的内能增大 C.
4、试管内的水蒸气推动了塞子 冲出时，水蒸气的内能减少 D.汽缸内的气体推动活塞向下 运动时，气体的内能增大 82018 年 3 月 2 日，电影厉害了，我的国在全国各大影 院火爆上映。特别是作为大国工程“一带一路”国家名片的 “华龙一号”核电机组(如图)，代表创新成果的人造太阳，在 影片中亮相， 再次彰显了大国实力。 下列关于“华龙一号”核 电中核能的说法正确的是( C ) A核能直接转化为电能 B该原理与太阳释放能量的原理相同 C利用核裂变原理 D核能是原子内部的化学反应释放出来的能量 9为缓解电力紧张的状况，我国陆续建造了一些核电站。关于核电站，下列说法正确 的是( C ) A核反应堆中发生
5、的是核聚变 B核电站使用的核燃料是石油或天然气 C放射性元素放出的射线有 射线、 射线和 射线 D核电站发电的能量转化过程是：核能机械能内能电能 10我市准备在 2018 年在苍南建设核电站。 (1)获得核能的途径是通过核反应进行的，如图为核反应示意图，根据示意图判断该反应 为_核裂变_(填“核裂变”或“核聚变”)。 (2)对于建设核电站，存在很多争议。下列支持核能发电的观点的是_ABCE_(可多选)。 A核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，不会造成空气污染 B核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳 C核反应制造医用同位素，利用反射性射线可以提供很多疾病的诊断方法 D
6、废电池核废料中不能被完全用尽的核物质仍具有极强的放射性， 且具有残留时间长、 毒性剧烈的特点 E核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运 输与储存都很方便。 11众所周知，爱因斯坦是一位伟大的理论科学家，他曾发明过“环保”不耗电的电冰 箱。这种电冰箱内部有一种小型的浸入式致冷器，它能浸在需要冷却的液体中。这种电 冰箱根本不需要常规电源，它的运行仅靠水龙头的压力，带动一台射水泵，从而在一个 气室内产生真空，水和少量甲醇则在此处化为蒸气。管中甲醇会慢慢用完，但是这种液 体不仅价格便宜，而且很容易弄到。这种冰箱在工作时，被冷却的液体内能_减小_(填 “增大”或“减小”
7、)。你认为这种不用电的冰箱_遵守_(填“遵守”或“不遵守”) 能量守恒定律。 爱因斯坦不耗电电冰箱示意图 122019 年新春，改编自刘慈欣的同名小说流浪地球上映获大家追捧。剧中人类造 出了庞大的行星发动机高度达11千米， 比珠穆朗玛峰还高2.2千米的重聚变发动机。 每台发动机能提供 150 亿吨的推力， 而这样的发动机在欧亚大陆和美洲大陆总共有一万 两千台，如此大的动力方可在 5 年左右将地球推进到逃逸太阳引力的最低速度，即 16.7 公里/秒，这个速度相当于复兴号列车速度的 200 倍。阅读材料，并联系学过的知识回答 下列问题： (1)太阳释放出的巨大能量来自于太阳内部的_核聚变_(填“核
8、聚变”或“核裂变”) 反应。 (2)根据材料可知，复兴号列车速度为_300.6_千米/时。 13热机发明后，一直在持续的改进和发展中。 材料一：1769 年，法国人居纽制造出蒸汽机推动的三轮汽车(图甲)，传统蒸汽机的燃料 在汽缸外部燃烧(图乙)，热效率为 5%8%之间。 甲 乙 丙 材料二：1862 年，法国人德罗夏提出内燃机(内燃指燃料在汽缸内燃烧)的四冲程循环理 论： 汽缸的向外运动造成的真空将混合气体燃料吸入汽缸； 通过汽缸的向内运动 对进入汽缸里的燃料进行压缩； 高压燃烧气体产生巨大爆发力； 将已经燃烧的废 气从汽缸中排出。 材料三：1876 年，德国人奥托制造出以四冲程为依据的煤气内
9、燃机，利用飞轮的惯性使 四冲程自动实现循环往复，内燃机的效率达到 14%。 (1)四冲程循环理论提及的“巨大爆发力”由图中的_C_冲程实现。 A B C D (2)德罗夏提到的内燃方式是基于_燃料在汽缸内燃烧，热量损失少，热效率高_的猜想； (3)老师在重复演示“做功改变内能”实验(图丙)时，需在拔出活塞后将厚玻璃筒甩几下， 其目的与内燃机的_排气_(填“吸气”“压缩”“做功”或“排气”)冲程的原理相 似。 14大家都知道：“摩擦生热”。那摩擦做功与生热之间存在怎样的关系？焦耳等科学 家运用多种方法、不同实验，测出做功(W)和做功产生的热(Q)两者之间的比值关系。其 中最经典的是 1847 年
10、焦耳设计的桨叶轮实验：如图甲，在一个装满水的绝热桶里放入 铜制的翼轮，多次用下落的重物带动翼轮上的叶片转动，转动的叶片与水摩擦，产生的 热使水的温度升高。焦耳通过测量_所挂重物的重力_和重物下落的距离，计算出重物 做的功，即翼轮克服水的摩擦所做的功(W)；测量绝热桶中水升高的温度，从而计算出 水吸收的热(Q)。 (1)焦耳做这个实验的目的是_研究摩擦做功和产生热量的关系_。 (2)小柯利用刻度尺、温度计、天平、双层真空平底圆柱体保温杯、水等器材，粗略测量 做功和做功产生的热之间的比值关系。具体方案是： 用刻度尺测量空保温杯内部高度，记为 h杯。 用天平称量一定质量的水，记为 m水，用温度计测出
11、水的温度，记为 t1。 将水倒入保温杯中，测量杯中水的高度，记为 h水。计算出 h杯h水，这也就是杯中 水下落的高度。 在保温杯盖子上安装一支分度值为 0.1 的温度计(连接处密闭绝热)，盖紧保温杯， 如图乙。 _将保温杯慢慢上下翻转多次(n 次)(填写操作)，计算出水的重力所做的功(W)。 测出杯中水的温度，记为 t2，计算出水吸收的热(Q)。 根据数据，得出两者的比值关系。 15在探究“比较不同物质吸热能力”的实验中，用铁夹将温度传 感器及分别盛有水和色拉油的两个试管固定在铁架台上， 温度传感 器的探头部分与试管内的水和色拉油良好接触， 两只温度传感器通 过数据采集线与计算机相连接，如图所
12、示。 (1)试管中加入的水和色拉油除初温相同外，还应保证_质量 _(填“体积”或“质量”)相同。 (2)实验中物质吸热的多少是通过_加热时间_来反映的。 (3)由于没有直接测量比热容的仪器， 因此这个实验是通过观察_温度_的变化来比较比 热容的大小。 物质 质量/g 初始温 度/ 加热时 间/min 末温/ 水 200 20 6 45 色拉油 200 20 6 75 (4)根据表中数据算出加热 6min 水吸收的热量为_2.1104_J。 (5)色拉油的比热容是_1.9103_J/(kg )(用科学记数法表示并精确到小数点后一 位) 16英国物理学家斯特林于 1816 年发明了“斯特林发动机”
13、。斯特林发动机汽缸内工 作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀，冷却压缩的循环过程输出动力，因此又 被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设计了如图甲所示的模型机，工作 过程中飞轮持续旋转如图乙。请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理。 解：根据图示可知，酒精灯加热将化学能转化为内能，热汽缸中的工作物质吸热汽化膨 胀，推动活塞 A 向右运动做功，将内能转化为机械能：由于飞轮具有惯性，带动活塞 A 向左运动， 活塞 A 将汽缸中的工作物质推入冷汽缸并液化， 活塞 B 又将物质推回热汽缸。 如此反复。 17排球充气后，让排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度。 (1
14、)解释整个过程中能量是否守恒。 (2)排球从接触地面到形变最大的过程中，速度 v 与形变大小 V 之间的关系大致如图， 请说明该过程中，排球受力情况与机械能变化的关系。 解：(1)整个过程中能量守恒。排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时 的高度，是因为由于空气的摩擦，有一部分机械能逐渐转化为内能，但能量的总量是守 恒的。 (2)排球从接触地面到形变最大的过程中，受到重力和地面给予的弹力的作用，开始时重 力大于弹力，速度逐渐增大；当重力等于弹力时，速度达到最大值；最后重力小于弹力， 速度逐渐减小，直至速度为零。整体过程中可以认为是动能转化为排球的弹性势能。 182019 年 5 月
15、 6 日，聊城首批 30 辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料具有清洁 无污染、效率高等优点，被认为是 21 世纪最理想的能源，c水4.2103 J/(kg )；q氢 1.4108J/kg求： (1)质量为 0.3kg 的氢燃料完全燃烧放出的热量； (2)若这些热量全部被质量为 200kg，温度为 15 的水吸收，则水升高的温度； (3)某氢能源公交车以 140kW 的恒定功率做匀速行驶，如果 0.3kg 的氢燃料完全燃烧获 得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。 解：(1)0.3kg 的氢燃料完全燃烧放出的热量：Qmq0.3kg1.4108J/kg4.2
16、107J； (2)水吸收的热量：Q吸Q放4.2107J， 由 Q吸cmt 得水升高温度： tQ 吸 cm 4.2107J 4.2103J/（kg ）200kg50 ； (3)公交车所做的功：WQ放4.2107J， 由 PW t 得公交车行驶时间： tW P 4.2107J 1.4105W300s。 1关于物体的内能，下列说法正确的是( A ) A物体的内能增加，可能是从外界吸收了热量 B0 的冰熔化成 0 的水内能不变 C汽油机的压缩冲程是把内能转化为机械能 D热量总是从内能大的物体向内能小的物体转移 2如图，烧瓶内水上方存在着水蒸气，瓶口用软木塞塞住，用小打气筒缓慢向瓶内加 压，达到一定程度
17、时塞子跳起来，瓶内出现白雾。下列说法正确的是( C ) A瓶内出现白雾，是因为瓶子外部温度低 B出现白雾的过程是一个吸热的物态变化过程 C该实验能说明气体膨胀对外做功，内能减小 D这个实验展示了蒸汽机的工作原理 3某工人在野外施工，需要将质量为 4.2kg、初温为 10 的铝合金工件升高一定的温 度，除了保温瓶中尚存的温度为 90 的 1.2kg 热水外，无其他热源。工人将热水分成 5 等份，将铝合金工件依次放入这 5 份热水中(每次热传递完全)，放入第四份热水前，铝 合金工件的温度为已知铝合金的比热容为 0.88103J/ (kg )，不计工件与热水向周围 环境传递热量。( B ) A47.
18、7 B51.2 C59.5 D66.0 【解析】 将 1.2kg 热水分成 5 等份，每份质量 m00.24kg，第一次使热水与构件达到 热平衡的过程中： Q1c0m0(tt1)，Q1cm(t1t0) 不计工件与热水向周围环境传递热量，热传递完全后，则 Q1Q1 所以，c0m0(tt1)cm(t1t0) 即：4.2103J/(kg )0.24kg(90t1)0.88103J/(kg )4.2kg(t110) 解得：t127.1， 同理：t240.6，t351.2；t459.5；t566.0。 则放入第四份热水前，铝合金工件的温度为 t351.2。 4据新华社报道，2017 年 7 月 5 日中
19、国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变实验装置 东方超环(EAST)实现了稳定的 101.2 秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，创造世界新纪 录。 (1)在上亿度的高温状态下，物质呈现等离子态，它们可以被磁场约束。东方超环就是利 用通过强大电流所产生的强大_磁场_把等离子体约束。 (2)如图乙是东方超环的热核反应示意图，属于_核聚变_(填“核聚变”或“核裂 变”)。 (3)东方超环的反应原理与太阳类似，能量转化是原子核能转化为_内能_。 5在如图所示的“汽油机模型”实验中，厚壁有机玻璃圆筒内底装有两根与静电起电 机相连接的放电针。 (1)将适量的汽油喷入筒内，用软木塞塞住筒口，摇动起电机。如果观察到
20、放电针放电， 汽油燃烧，软木塞被高温高压的气体_冲出_，即可模拟四冲程汽油机工作时的_做功 _冲程。 (2)实验时若发现点火装置不能工作，可用火柴替代放电针。为了点燃圆筒内的火柴，可 用_凸透镜或凹面镜_会聚太阳光使其燃着。 6甲图是生活中常用的热水器，当注入一定量的热水后，立即盖上软木 塞，有时软木塞会跳起来，这一过程瓶内气体通过_做功_改变了内能 。 乙图是四冲程汽油机的工作示意图，其中_B_图所示的冲程也发生同样 的 能量转化。 7如图所示，把一个薄壁金属管固定在支座上，管中 装 一些酒精，然后用塞子塞紧。把一根粗糙的皮条缠在管 子 上，并迅速来回拉动皮条，过一会儿，会看到塞子 “呯”的
21、一声被冲开，而且管口还会出现“白雾”。请 你 解释其中的道理。 答：拉动绕在管上的绳子，绳子会对管子做功，管子温度会升高，内能会增大；因管子 与酒精会有温度差，所以管子会把热量传递给酒精，酒精的温度也会升高，酒精的内能 增加， 最终气体的内能会转换为塞子的机械能， 会看到塞子跳起来； 受温度降低的影响， 瓶口周围的酒精蒸气液化成小液滴飘散在空中，就是我们看到的白雾。 8为了比较甲乙两种液体的吸热能力，某同学设计了以下实验： a在两个同样的烧杯中，分别装入等体积的甲乙两种液体 b用温度计分别测出甲乙两种液体的初温 c在两个烧杯中分别装入功率相同的电热器，且加热时间 相同 d用温度计分别测出甲乙两
22、种液体的末温 请解答下列问题： (1)在上述 a、b、c、d 四个实验步骤中，存在错误的是步骤_a_(填写步骤前的字母)， 该步骤中错误的内容应改为_装入等质量的甲、乙液体_； (2)步骤 c 中“加热时间相同”是为了使甲乙两种液体_吸收的热量相同_； (3)如图是甲乙两种液体的温度随时间变化的关系图像。 若将液体甲和液体乙加热相同的 时间，则液体_甲_温度升高得快，甲乙两种液体的比热容的大小关系是 c甲_c乙。 【解析】 (1)依题意，比较甲乙两种液体的吸热能力，根据吸收热量的公式 Qcmt 可 知，实验需要采用控制变量法，控制甲、乙的质量，故在两个同样的烧杯中，分别装入 等体积的甲乙两种液
23、体是不合理的，应当装入等质量的甲、乙液体，所以步骤 a 错误； (2)吸收热量的多少可以用加热时间的长短来体现出来， 相同的热源在相同的时间内放出 的热量相等，为了比较两种液体的吸热能力，应当控制加热时间，所以步骤 c 加热时间 相同是为了使两种液体吸收相等的热量。 (3)甲、乙两种液体质量和初温都相同，观察图像可知：在相同时间内温度变化较大的是 甲； 因使用的是相同的“电热器”加热，所以在相同时间内甲乙两种液体吸收的热量相同； 根据 c Q mt可知，在两种液体质量相等，吸收的热量相同时，升高温度越大，它的比 热容就越小。 所以 c甲c乙。 9认识自然，亲近自然，学校组织学生到桐洲岛进行社会
24、实践活动，小明携带一个质 量为 1kg 的合金锅、一台如图所示的便携式丁烷气炉(内置一瓶新的燃气，参数如表格 所示)，爱探究的小明通过手机上网查到便携式燃气炉的热效率为 30%，丁烷气体的燃 烧效率为 90%，野炊地水的沸点为 100 ，测出当地水的温度为 20 。水的比热容为 4.2103J/(kg )，锅的比热容为 0.8103J/(kg ) 品名 便携式丁烷气炉 质量 1.88kg(不含气瓶) 型号 WZL- 168- A 尺寸 343284113mm 用途 野外用 点火方式 电子点火 使用燃气 液化丁烷气 燃气 消耗量 150g/h (最大火力时) 气瓶规格(尺寸/容量) 品名 总质量
25、 净质量 主要成分 热值 神州 354g 250g 丁烷 9107 J/kg (1)完全燃烧 0.1kg 的丁烷气体可以放出多少焦耳的热量？ (2)需多少焦耳的热量，才能使 2kg 的水温度升高 50 ？ (3)如果燃气炉以最大火力工作，一瓶燃气最多能持续燃烧 1.4h，这样能够把质量为多少 千克的水烧开？(最后结果保留 1 位小数) 解：(1)完全燃烧 0.1kg 的丁烷气体可以放出的热量： Q放mq0.1kg9107J/kg9106J； (2)使 2kg 的水温度升高 50 吸收的热量： Q吸1c1m1t4.2103J/(kg )2kg504.2105J； (3)燃气炉以最大火力工作时，燃气消耗的质量为 m气150g/h1.4h210g0.21kg， 由题知，丁烷气体的燃烧效率为 90%，则燃气燃烧时所放出的热量： Q1Q放90%m气q90%0.21kg9107J/kg90%1.701107 J， 又知道便携式燃气炉将其燃气燃烧所放出能量的 30%供给水加热，则水吸收的热量： Q2Q130%1.701107J30%5.103106J， 由 Q吸cmt 得能烧开水的质量： m水 Q2 ct 5.103106J 4.2103J/（kg ）（10020） 15.2kg。