《2025年名校课堂九年级物理上册人教版河南专版》

3.(2024·陕西节选)氢能因其低碳、高热值、来源广泛等特点,在新能源领域备受青睐。某款氢内燃机汽车在某次测试中,匀速直线行驶 6 km 用时 5 min,牵引力做功的功率恒为 36 kW,发动机的效率为 60%。本次测试中,消耗氢燃料的质量是多少?(氢燃料的热值为 1.4×10⁸ J/kg,假设氢燃料完全燃烧,计算结果保留两位小数)

答案： 解:用时5min,牵引力做功:
$W=Pt=36000W×5×60s=1.08×10^{7}J$
由$η=\frac {W}{Q_{放}}$得,氢燃料完全燃烧放出的热量:
$Q_{放}=\frac {W}{η}=\frac {1.08×10^{7}J}{60\% }=1.8×10^{7}J$
本次测试中,消耗氢燃料的质量:
$m_{氢}=\frac {Q_{放}}{q_{氢}}=\frac {1.8×10^{7}J}{1.4×10^{8}J/kg}=0.13kg$

4.(2024·鹤壁期末)如图所示是一款远程无人驾驶清扫车,自动驾驶时使用雷达传感器,以及激光测距器来了解周围的交通状况,该款车以 10 m/s 的速度在一段平直的公路上匀速行驶 5 min,消耗汽油 0.3 kg。已知清扫车行驶过程中的牵引力为 1 380 N,汽油的热值为 4.6×10⁷ J/kg。
(1)求 0.3 kg 汽油完全燃烧放出的热量。
(2)求在此过程中清扫车发动机的效率。
(3)假设此过程中,0.3 kg 汽油完全燃烧,除了做有用功外,其余能量全部用来加热水。在不考虑其他热损失的情况下,可使初温为 20 ℃,质量 92 kg 的水温度升高到多少?[$c_{水}=4.2×10^{3} J/(kg·℃)$]

答案： 解:
(1)0.3kg汽油完全燃烧放出的热量:
$Q_{放}=qm_{油}=4.6×10^{7}J/kg×0.3kg=1.38×10^{7}J$
(2)在此过程中清扫车发动机做的机械功:
$W=Fs=Fvt=1380N×10m/s×5×60s$
$=4.14×10^{6}J$
在此过程中清扫车发动机的效率:
$η=\frac {W}{Q_{放}}×100\% =\frac {4.14×10^{6}J}{1.38×10^{7}J}×100\% =30\% $
(3)水吸收的热量:
$Q_{吸}=Q_{放}-W=1.38×10^{7}J-4.14×10^{6}J$
$=9.66×10^{6}J$
根据$Q_{吸}=cmΔt$可知,水升高到的温度:
$t_{温}=t_{0}+Δt=t_{0}+\frac {Q_{吸}}{c_{水}m}$
$=20^{\circ }C+\frac {9.66×10^{6}J}{4.2×10^{3}J/(kg\cdot ^{\circ }C)×92kg}=45^{\circ }C$

5.小强对家中太阳能热水器的加热性能进行研究,他用“温度传感器”测得装满水的水箱中水的温度为 20 ℃,该地区太阳辐射到地面每平方米的面积上的功率 $P = 2.0×10^{3} W$,该太阳能热水器的集热面积 $S = 2.5 m^{2}$,太阳光持续照射集热面 4 000 s 后,“温度传感器”显示水箱中的水温为 40 ℃,已知水箱容积是 100 L。求:
(1)该过程中水吸收的热量。[$c_{水}=4.2×10^{3} J/(kg·℃)$]
(2)若用液化气灶加热使水吸收同样的热量,需要完全燃烧液化气的体积。[液化气的热值 $q = 5×10^{7} J/m^{3}$,不考虑热损失]
(3)此太阳能热水器在这个过程中的光热转化效率 $\eta$(即将太阳能转化为水的内能的效率)。

答案：
(1)解:
(1)已知水箱容积是100L,则水的质量:
$m_{水}=ρ_{水}V=1.0×10^{3}kg/m^{3}×100×10^{-3}m^{3}=100kg$
该过程中水吸收的热量:
$Q_{吸}=c_{水}m_{水}(t-t_{0})$
$=4.2×10^{3}J/(kg\cdot ^{\circ }C)×100kg×(40^{\circ }C-20^{\circ }C)=8.4×10^{6}J$
(2)不考虑热损失,即$Q_{放}=Q_{吸}=8.4×10^{6}J$
根据$Q_{放}=qV$可知,需要完全燃烧液化气的体积:
$V=\frac {Q_{放}}{q}=\frac {8.4×10^{6}J}{5×10^{7}J/m^{3}}=0.168m^{3}$
(3)太阳光持续照射集热面4000s投射到太阳能热水器上的太阳能:
$E=PSt_{时}=2.0×10^{3}W/m^{2}×2.5m^{2}×4000s$
$=2×10^{7}J$
此太阳能热水器在这个过程中的光热转化效率:
$η=\frac {Q_{吸}}{E}×100\% =\frac {8.4×10^{6}J}{2×10^{7}J}×100\% =42\% $