2024教科版物理九年级下学期
第十一章 物理学与能源技术
2 能量转化的方向性和效率
基础过关全练
知识点1 能量转化的方向性
1.(2023陕西西安西北工大附中四模)抽水蓄能电站是电力保障项目之一。该电站可以利用风能和光能资源充足时发电获得的部分电能,将水抽到高处转化为水的机械能储存起来,需要时再利用水的势能发电,从而弥补了风能、光能不稳定且转化的电能难储存的不足,实现风、光与水电的互补,堪称电力系统的巨型“充电宝”。下列有关说法正确的是 ( )
A.这个发电过程说明“永动机”是可以制造出来的
B.该电站抽水蓄能时可将电能转化为机械能,发电时可将机械能转化为电能
C.根据能量守恒定律可知,该电站抽水时消耗的电能全部转化为水的机械能
D.风能、光能、机械能、电能可以相互转化,说明能量的转化是没有方向性的
2.(2021江苏淮安洪泽模拟)电动自行车骑行过程中将 能转化为机械能,而在刹车过程中,因摩擦将机械能转化为地面、轮胎和空气的 。转化后,这些能将无法再自动转化为使电动车行驶所需要的能量,这种现象说明能量的转化具有 性,但在能量的转化或转移过程中,能的总量保持 。
知识点2 能量转化中的效率
3.(2022湖南新田期末)古语云:“人要实,火要虚”。此话的意思是说做人要脚踏实地,才能事业有成;可燃物要架空一些,才能燃烧更旺。“火要虚”是为了 ( )
A.增大可燃物的热值
B.提高可燃物的利用率
C.增加空气中的氧气含量
D.降低可燃物的着火点
4.(2023广西桂林一模)LED灯已成为家庭照明的主要选择,如图所示,一个18 W的LED灯照明亮度和一个40 W的白炽灯照明亮度是相等的,两个灯泡均正常工作时,以下说法正确的是 ( )
A.LED灯每秒消耗40 J电能
B.LED灯每秒产生的内能大于白炽灯
C.两个灯泡正常工作时的电功率相同
D.LED灯将电能转化为光能的效率较高
5.(2023福建泉州五中期末)佳佳在某次烧水的过程中,发现家里的燃气灶将质量为5 kg、温度为20 ℃的水加热到100 ℃,消耗了0.07 m3的天然气,已知c水=4.2×103 J/(kg·℃),q天然气=4.2×107 J/m3。求:
(1)水吸收的热量。
(2)燃气灶的热效率。(结果保留4位有效数字)
能力提升全练
6.【新素材·现代科技】(2023山东临沂中考,13,★☆☆)2023年5月
28日12时31分,自上海虹桥国际机场起飞的国产大飞机C919安全抵达北京首都国际机场(如图),圆满完成了首个商业航班飞行。C919大飞机 ( )
A.机身是由密度大、硬度大的材料制成的
B.加速起飞的过程中所受空气浮力大于重力
C.匀速飞行时机翼上方的空气流速比下方的大
D.大功率航空发动机的效率能达到100%
7.(2023四川成都中考,B3改编,★★☆)小美在老师指导下进行了以下实验:甲、乙两烧杯各装100 g水,用酒精灯加热甲烧杯,煤油灯加热乙烧杯,直至杯内水沸腾1分钟即熄灭该灯,测得消耗酒精4 g、煤油2.5 g。她根据实验数据绘制了水温与加热时间关系的图像(如图)。若水沸腾前质量不改变,同一杯水沸腾前后单位时间内吸收的热量相等,
q酒精=3.0×107 J/kg,q煤油=4.6×107 J/kg,c水=4.2×103 J/(kg·℃) ,则下列说法正确的是 ( )
A.整个过程,甲杯中的水吸收的热量更多
B.前3分钟,乙杯中的水吸收的热量为3.36×104 J
C.消耗的煤油完全燃烧放出的热量为1.15×108 J
D.酒精灯加热的效率为28%
8.【国防教育】(2023吉林长春五十二中期中,11,★★☆)加油机给战斗机加油,如图所示,以加油机为参照物,战斗机是 (选填“静止”或“运动”)的。如果战斗机在2 s内飞行了0.4 km,则它的速度是
m/s;战斗机在落地制动减速的过程中,伴随着能量从 转化为内能。内能散失到空气中,此过程能量的总和 ;散失到空气中的内能无法自动转化为机械能再用来驱动汽车,这是因为能量的转移和转化具有 性。
9.(2023四川广安中考,26,★★☆)小红一家到某基地露营时,用火炉将质量为2 kg、初温为20 ℃的水加热到60 ℃,燃烧了100 g木炭。已知:水的比热容c水=4.2×103 J/(kg·℃),木炭的热值q=3.36×107 J/kg。求:
(1)水吸收的热量;
(2)该火炉烧水的热效率。
10.【跨学科·物理学与社会发展】(2021北京丰台二模,26,★★★)为了节约能源保护环境,电动汽车进入了越来越多的家庭。某课外小组通过调研得知电池容量为60 kW·h,电动汽车充电桩消耗电能功率为
6.6 kW。经工作人员测试,单台充电桩充满60 kW·h电池总耗时为10 h,充电桩端供电电压220 V,输入电流30 A。如图甲所示,充电桩正在为一辆电动汽车充电,充电时发现充电线发热明显,其过程可以等效为如图乙所示的电路,R热表示充电线发热时的等效电阻。大家对于充电过程中的能量转移和工作效率很感兴趣。求:
甲
乙
(1)请你回忆滑轮组机械效率的相关知识,尝试计算这个充电电路工作时的效率η(结果保留1位小数);
(2)若能量损耗均为充电线发热所致,请计算充电线上损失的电压;
(3)若能量损耗均为充电线发热所致,请计算充电线发热时的等效电阻(结果保留2位小数);
(4)如果充电桩功率不变,尝试用学过的电学知识提出进一步提高电能使用效率的方案。
素养探究全练
11.【物理观念】荆州市共享单车的投放,为市民的出行提供了极大的便利。小婕同学通过手机扫码解锁了一辆电动自行单车。如果她骑行电动自行单车在平直的乡间小路上做直线运动,且以恒定的功率行驶。通过收集数据,得到如图所示的v t图像。在第16 s时速度达到10 m/s,然后以10 m/s的速度做匀速直线运动。已知小婕质量为50 kg,电动自行单车质量为10 kg,骑行时所受阻力恒为人和车总重的。则:
(1)电动自行单车做匀速直线运动时,加在电动机上的电压为50 V,通过的电流为10 A,g取10 N/kg,该电动机的效率为 ,电动机线圈的电阻是 Ω(不计电动机的机械部件间的摩擦)。
(2)在0~16 s时间内,单车通过的路程为 m。(提示:动能计算公式为E动=mv2,m表示质量,v表示速度)
答案全解全析
基础过关全练
1.B 自然界无论什么运动都会产生热,热向四周扩散,成为无用的能量,如不补给能量,任何运动着的机器都会停下来,因此永动机是不可能制造出来的,A错误;该电站抽水蓄能时,可将电能转化为机械能储存起来,发电时可将机械能转化为电能,B正确;该电站抽水时所消耗的电能不可能全部转化为水的机械能,C错误;能量的转移和转化都有方向性,如电灯发光、汽车制动过程中产生的内能散失在空气中,不能自动转化为电能或机械能,D错误。
2.电 内能 方向 不变
解析 电动自行车骑行过程中消耗电能,将电能转化为机械能,在刹车过程中,因摩擦将机械能转化为地面、轮胎和空气的内能。转化后,这些能将无法再自动转化为使电动自行车行驶所需要的能量,这种现象说明能量的转化具有方向性,但在能量的转化或转移过程中,能的总量保持不变。
3.B 热值是燃料的特性,只与燃料的种类有关;“火要虚”是指可燃物要架空一些,才能使可燃物燃烧得更旺、更充分,从而提高可燃物的利用率;“火要虚”不能增加空气中的氧气含量;可燃物的着火点与可燃物的种类有关。故选B。
4.D LED灯每秒消耗的电能W=Pt=18 W×1 s=18 J,A错误;根据两灯的铭牌可知两灯正常工作时所需电压相同,LED灯的功率小于白炽灯的功率,照明亮度相同,说明LED灯将电能转化为光能的效率较高,LED灯每秒产生的内能小于白炽灯,B、C错误,D正确。
5.解析 (1)Q吸=c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×5 kg×(100 ℃-20 ℃)=
1.68×106 J;
(2)Q放=q天然气V=4.2×107 J/m3×0.07 m3=2.94×106 J,η=×100%=
×100%≈57.14%。
能力提升全练
6.C 飞机材料除需要较高的牢固度外,质量要较小,所以要选择密度小、硬度大的材料,A不符合题意;飞机起飞是因为机翼上下表面的压力差提供的升力,不是因为浮力,B不符合题意;机翼上表面凸起,气流经过机翼上方的流速比下方大,C符合题意;航空发动机工作时,燃料燃烧释放的能量不可能全部用来做有用功,效率不可能达到100%,D不符合题意。
7.B 根据Q吸=c水mΔt可知,水沸腾前两杯水吸收的热量相等,Q吸=
c水mΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×0.1 kg×(98-18) ℃=3.36×104 J,整个过程甲、乙两杯水所吸收的热量分别为Q甲=Q吸=×3.36×104 J=4.032×104 J,
Q乙=Q吸=×3.36×104 J=4.48×104 J,乙杯中的水吸收的热量更多,A错误;由图可知,3分钟时乙杯中的水恰好沸腾,则吸收的热量Q吸=3.36×
104 J,B正确;整个过程消耗的煤油完全燃烧放出的热量
Q煤油=q煤油m煤油=4.6×107 J/kg×2.5×10-3 kg=1.15×105 J,C错误;整个过程中,4 g酒精完全燃烧放出的热量Q酒精=q酒精m酒精=3.0×107 J/kg×4×
10-3 kg=1.2×105 J,效率η=×100%=×100%=33.6%,D错误。
8.静止 200 机械能 不变 方向
解析 加油机给战斗机加油时,战斗机和加油机之间的位置没有发生变化,所以战斗机是静止的;战斗机的速度v===200 m/s;战斗机在落地制动减速的过程中,克服摩擦做功,机械能转化为内能。内能散失到空气中,此过程能量的总和是不变的;散失到空气中的内能无法自动转化为机械能再用来驱动汽车,这是因为能量的转移和转化具有方向性。
9.解析 (1)水吸收的热量Q吸=c水m水Δt=4.2×103 J/(kg·℃)×
2 kg×(60 ℃-20 ℃)=3.36×105 J;
(2)燃烧100 g木炭放出的热量Q放=m炭q=100×10-3 kg×3.36×
107J/kg=3.36×106 J,
该火炉烧水的热效率η=×100%=×100%=10%。
10.(1)90.9% (2)20 V (3)0.67 Ω (4)减小充电线阻或提高充电电压
解析 (1)电池容量为60 kW·h,即充电过程中的有用功W有用=60 kW·h,单台充电桩充满60 kW·h电池总耗时为10 h,充电桩端供电电压220 V,输入电流30 A,则消耗的电能W总=UIt=220 V×30 A×10×3 600 s=
2.376×108 J=66 kW·h,则这个充电电路工作时的效率η==≈90.9%;
(2)因为能量损耗均为充电线发热所致,充电线上损失的电能Q=W额外=
W总-W有用=66 kW·h-60 kW·h=6 kW·h=2.16×107 J,由W=UIt得,充电线上损失的电压U损===20 V;
(3)由Q=I2Rt得,充电线发热时的等效电阻R热==≈
0.67 Ω;
(4)因为W总=W有用+W额外=W有用+Q,η=,所以在有用功一定的情况下,可以通过减小额外功即减小充电线上损失的电热来提高电能使用效率,由Q=I2Rt可知,可以通过减小充电线电阻来减少热量损失;由P=UI可知,提高充电电压可以减小电路电流,也可以减少热量损失。
素养探究全练
11.(1)80% 1 (2)85
解析 (1)电动机提供的电功率P电=UI=50 V×10 A=500 W;骑行时单车所受阻力f=G=×(m人+m单车)g=×(50 kg+10 kg)×10 N/kg=40 N,单车做匀速直线运动时,牵引力F=f=40 N,电动机的机械功率P机械=
==Fv=40 N×10 m/s=400 W,电动机的效率η=×100%=×100%=×100%=×100%=80%;电动机线圈的发热功率P热=P电-P机械=500 W-400 W=100 W,线圈的电阻R线圈=
==1 Ω。
(2)电动机输出的机械能一部分会转化为单车的动能,另一部分会转化为内能,W机械=E动+Wf,即P机械t=mv2+fs,可得400 W×16 s=×(50 kg+
10 kg)×(10 m/s)2+40 N×s,解得s=85 m。
精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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