15热机的效率计算题-发动机的效率（经典常考14题）--2023-2024学年上学期九年级期末物理重难点知识突破（通用版）

这是一份15热机的效率计算题-发动机的效率（经典常考14题）--2023-2024学年上学期九年级期末物理重难点知识突破（通用版），共15页。试卷主要包含了计算题等内容，欢迎下载使用。
一、计算题
1．为了方便广大市民和保障学生人身安全，目前盘州市已有一大批校车投人使用。图为某一学校专用校车，其质量为6.4t，这辆校车在某段平直公路上匀速行驶8km，用时10min，消耗柴油2kg，受到的阻力是1.8103N。（柴油热值为3.0107J/kg）求：
（1）这段路程内发动机做功的功率。
（2）这段路程内消耗的柴油完全燃烧放出的热量。
（3）校车发动机的效率。
2．12月22日，长征八号运载火箭首飞成功，将厦门大学“海丝一号”等5颗卫星准确送入轨道。火箭离开发射台时，为了防止高温火焰对发射台的影响，“喷水降温系统”向火箭尾部火焰中心喷水20s，喷水量为400t。
（1）设喷出的水的温度都是从20℃升高到100℃，水的比热容为。求水升温吸收的热量。
（2）长征八号火箭一子级、二子级发动机分别采用煤油、液氢为燃料。效率分别为70%、90%，煤油的热值为3×107J/kg，液氢的热值为1.4×108J/kg。求它们做相等的有用功时各自燃烧煤油（m油）和液氢（m氢）的质量之比。
3．如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机，飞机发动机的机械功率为3×107W，发动机将内能转化为机械能的效率为50%。若该飞机以80m/s的速度匀速直线航行20min。（航空燃油的热值为4×107J/kg）问：
（1）飞机在航行过程中受到的阻力是多少？
（2）该过程要消耗多少吨航空燃油（燃油完全燃烧）？
4．一辆汽车在平直公路上进行性能测试时，汽车由静止开始在平直的公路上做直线运动，其v-t图象如下，在第10s时速度达到20m/s，10~20s汽车以20m/s的速度匀速运动，设汽车在行驶过程中所受阻力不变，大小为f=4000N；求：
（1）汽车在10~20s发动机（牵引力）的功率；
（2）如果汽车一直以恒定功率行驶，根据（1）结果，计算0~10s内牵引力做的功；
（3）假如汽车完成前10s的运动，燃烧了0.04千克汽油，则前10s发动机的效率是多少？（已知汽油的热值约为5×107J/kg）
5．李老师家购买了某款油电混合动力汽车，该车在蓄电池电量充足时由电动机提供动力（电动模式），当电量不足时，可切换至燃油发动机驱动（燃油模式），同时给蓄电池充电，已知电池满电容量为30kW•h。某次出行在满电状态下先以电动模式沿水平公路匀速行驶90km，还剩余20%的电量，随后切换到燃油模式下又行驶了40km，消耗燃油4kg，李老师发现电池电量显示为60%。已知该混合动力汽车电动机的效率为75%，燃油的热值q=4.5×107J/kg。假设汽车行驶过程中阻力保持不变，且不考虑充电时的能量损失，求：
（1）李老师家充电桩功率为3kW，动力电池从无电到充满需要多长时间？
（2）4kg燃油完全燃烧时放出的热量；
（3）汽车在电动方式行驶时受到的阻力；
（4）燃油模式下发动机的效率。
6．一艘冲锋舟的质量为160kg，它满载时10min内在水面上匀速行驶了1.2×104m，消耗了0.75kg的汽油。此过程冲锋舟发动机产生的牵引力为1.0×103N。（汽油的热值取4.6×107J/kg，g取10N/kg）求：
（1）汽油机做功冲程将 能转化为 能；
（2）该冲锋舟所受的重力；( )
（3）该冲锋舟克服阻力做功的功率；( )
（4）该冲锋舟发动机的效率。（结果在百分号前保留整数）( )
7．无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。如图所示为某款无人驾驶汽车，该车以72km/h的速度在一段平直的公路上匀速行驶了8km，消耗汽油1.2kg。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为30%，那么，在这段运动过程中，求：（汽油的热值为4.5×107J/kg）
（1）1.2kg汽油完全燃烧产生的热量。
（2）该汽车发动机做的有用功。
（3）该汽车输出的功率。
（4）该汽车所受的阻力。
8．如图是一款沙滩卡丁车，它的发动机功率恒为11.5kW。卡丁车在水平沙滩上匀速直线运动，10min行驶6km，消耗汽油0.6kg（汽油完全燃烧），已知汽油的热值为4.6×107J/kg。此过程中，求：
（1）该车牵引力所做的功是多少？
（2）该车汽油机的工作效率是多少？
9．如图所示是我国自行设计研制的大型水陆两栖飞机AG600全状态新构型灭火机，具备强大的灭火救援能力，是国家应急救援体系建设必备的重大航空装备。若该飞机以288km/h 的速度水平匀速直线航行96km，消耗航空燃油1600kg，飞机发动机的功率为。（航空燃油的热值为）求：
（1）飞机在水平航行过程中发动机做的功是多少？
（2）消耗的航空燃油完全燃烧放出多少热量？
（3）发动机的效率是多少？
10．随着科学技术的发展，发动机相关技术取得了长足的进步，汽车发动机动力性、燃油经济性、排放环保性都有了很大的提高，为节能减排作出了卓越贡献。如图是某国产品牌汽车，该车重为2.3吨，某次行驶过程中，汽车在平直公路上匀速行驶了16km，行驶过程中受到的阻力为所受重力的0.05倍。（已知：汽油的热值q=4.6×107 J/kg）
（1）在匀速行驶过程中，汽车受到的牵引力；
（2）在这次匀速行驶过程汽车的牵引力做的功；
（3）假设汽油完全燃烧所释放能量的40%转换为牵引力做的功，在这次匀速行驶过程消耗汽油的质量；
（4）提高这台车的效率，请至少提两条合理建议。
11．百公里油耗指的是汽车在道路上行驶时每百公里的平均燃料消耗量，是汽车耗油量的一个衡量指标。由于多数车辆在90km/h时接近经济车速，因此大多对外公布的理论油耗通常为90km/h的百公里匀速油耗。某品牌汽车行驶100km油耗为8L，汽车发动机的输出功率为25kW（已知汽油的密度为0.75×103kg/m3，热值为4.5×107J/kg）。
求：（1）8L汽油完全燃烧放出的热量；
（2）以90km/h的速度行驶100km的时间内发动机所做的功；
（3）该品牌汽车发动机的热机效率（结果保留到百分位）。
12．“运20”是我国自主研发的大型运输机，它的发动机是一种热机，通过航空煤油在气室中燃烧，从喷口向后高速喷出气体，使发动机获得向前的推力，若“运20”在高空中飞行时，在恒定的水平推力1.5×105N作用下，沿水平方向匀速航行了360km，用时0.5h，需要燃烧航空煤油2250kg，已知航空煤油的热值为q=4.0×107J/kg。在这一次航行中，求：
（1）运输机航行的速度；
（2）航空煤油完全燃烧放出的热量；
（3）运输机发动机的热机效率。
13．2019年10月1日，中国自主研制的新一代隐身战斗机歼﹣20在天安门广场上方翱翔，接受全国人民和习近平主席的检阅，它具备超音速巡航、电磁隐身、超机动性、超视距攻击等优异性能，歼﹣20的发动机是一种热机，通过航空煤油在气室中燃烧，从喷口向后高速喷出发机获得向前的推力。若歼﹣20在高空中飞行时在恒定的水平推力F作用下，以720km/h的速度沿水平方向匀速航行1h，需要燃烧航空煤油6000kg。已知飞机发动提供的机械功率是3.2×107W，航空煤油的热值为4×107J/kg，试求在这1h内：
（1）航空煤油完全燃烧放出的热量；
（2）发动机获得水平推力F；
（3）该飞机发动机的热机效率。
14．飞机的发动机是一种热机，通过航空煤油在气室中燃烧，从喷口向后高速喷出气体，使发动机获得向前的推力，高空中某飞机获得1.6×105 N的水平推力，以600 km/h的速度沿水平方向匀速航行1 h，需要完全燃烧热值为4×107 J/kg的航空煤油4 000 kg．求1 h内：
（1）飞机的航程；
（2）发动机所做的功；
（3）航空煤油完全燃烧放出的热量；
（4）发动机的热机效率．
参考答案：
1．（1）2.4104W；（2）6107J；（3）24%
【详解】解：（1）因为校车匀速直线运动，发动机的牵引力与阻力是一对平衡力为
校车行驶的路程
这段路程内发动机做的功
校车行驶这段路程所用的时间
这段路程内发动机做功的功率
（2）这段路程内消耗的柴油完全燃烧放出的热量
（3）校车发动机的效率
答：（1） 段路程内发动机做功的功率2.4×104W；
（2）这段路程内消耗的柴油完全燃烧放出的热量为6×107J；
（3）校车发动机的效率为24%。
2．（1）；（2）6∶1
【详解】解：（1）根据题意可知，喷水量为
水升温过程吸收的热量为
（2）设消耗的煤油和液氢质量分别为m1、m2，一子级发动机所做的有用功可表示为
同理，二子级发动机所做的有用功可表示为
因为
所以
解得
答：（1）水升温吸收的热量为；
（2）它们做相等的有用功时各自燃烧煤油（m油）和液氢（m氢）的质量之比为6:1。
3．（1）；（2）
【详解】解：（1）匀速直线航行时受力平衡，阻力等于牵引力，所以阻力为
（2）有用机械能为
则燃油完全燃烧放出的热量为
所以消耗航空燃油质量为
答：（1）飞机在航行过程中受到的阻力为；
（2）该过程要消耗航空燃油（燃油完全燃烧）。
4．（1）8×104W；（2）8×105J；（3）40%
【详解】（1）汽车在10~20s匀速运动，所以牵引力为
F=f=4000N
则汽车在10~20s内发动机的功率为
P=Fv=4000N×20m/s=8×104W
（2）因汽车一直以恒定功率行驶，则汽车在0~10s内的牵引力做的功为
W=Pt=8×104W×10s=8×105J
（3）燃烧了0.04千克汽油，放出的热量为
Q=mq=0.04kg×=2×106J
前10s内发动机的效率为
η=×100%=×100%=40%
答：（1）汽车在10~20s发动机（牵引力）的功率为8×104W；
（2）在0～10s内汽车牵引力做的功是8×105J；
（3）前10s发动机的效率是40%。
5．（1）10h；（2）；（3）720N；（4）40%
【详解】解：（1）根据题意知道，动力电池容量为30kW•h，即电池储存的电能W=30kW•h，充电桩功率为P=3kW，由 知道，不计能量损失，动力电池从无电到充满需要的时间
（2）4kg燃油完全燃烧时放出的热量
Q放=mq=4kg×4.5×107J/kg=1.8×108J
（3）根据题意可知，汽车在电动方式行驶时消耗的电能
W1=30kW•h×（1-20%）=30kW•h×80%=24kW•h
由知道，汽车在电动方式行驶时牵引力所做的功
由W=Fs知道，汽车在电动方式行驶时汽车的牵引力
汽车匀速行驶时，汽车的牵引力与受到的阻力是一对平衡力，由二力平衡条件知道，汽车在电动方式行驶时受到的阻力
f=F=720N
（4）汽车在燃油模式下汽车牵引力所做的功
W2=Fs2=720N×40×1000m=2.88×107J
燃油模式下转化的电能
W3=30kW•h×（60%-20%）=12kW•h=12×3.6×106J=4.32×107J
燃油模式下汽车所做的有用功
W有=W2+W3=2.88×107J+4.32×107J=7.2×107J
燃油模式下发动机的效率
答：（1）李老师家充电桩功率为3kW，动力电池从无电到充满需要的时间为10h；
（2）4kg燃油完全燃烧时放出的热量为1.8×108J；
（3）汽车在电动方式行驶时受到的阻力为720N；
（4）燃油模式下发动机的效率为40%。
6． 内 机械 1.6×103N 2×104W 35%
【详解】解：（1）汽油机做功冲程将内能转化为机械能。
（2）冲锋舟的重力
G＝mg＝160kg×10N/kg＝1.6×103N
（3）冲锋舟克服阻力做功
W＝Fs＝1.0×103N×1.2×104m＝1.2×107J
克服阻力做功的功率
（4）消耗了0.75kg的汽油燃烧产生的热量
Q＝m汽油q＝0.75kg×4.6×107J/kg＝3.45×107J
冲锋舟发动机的效率
答：（1）内；机械；
（2）该冲锋舟所受的重力为1.6×103N；
（3）该冲锋舟克服阻力做功的功率为2×104W；
（4）该冲锋舟发动机的效率为35%。
7．（1）5.4×107J；（2）1.62×107J；（3）4.05×104W；（4）2025N
【详解】解：（1）根据题意可知，消耗的汽油完全燃烧放出的热量为
Q放＝qm＝4.5×107J/kg×1.2kg＝5.4×107J
（2）根据题意可知，该汽车发动机做的有用功为
W＝Q放η＝5.4×107J×30%＝1.62×107J
（3）由于汽车行驶的速度为
v＝72km/h＝20m/s
行驶的路程为
s＝8km＝8000m
则行驶的时间为
该汽车的输出功率为
（4）由于汽车匀速行驶，则有阻力等于牵引力，根据W=Fs，故阻力为
答：（1）1.2kg汽油完全燃烧产生的热量为5.4×107J；
（2）该汽车发动机做的有用功为1.62×107J；
（3）该汽车的输出功率为4.05×104W；
（4）该汽车所受的阻力为2025N。
8．（1）6.9×106J；（2）25%
【详解】解：（1）该车牵引力所做的功是
W有＝Pt＝11.5×103W×60×10s＝6.9×106J
（2）完全燃烧0.6kg汽油放出的热量
Q放＝qm＝4.6×107J/kg×0.6kg＝2.76×107J
该车汽油机的工作效率是
答：（1）该车牵引力所做的功是6.9×106J；
（2）该车汽油机的工作效率是25%。
9．（1）；（2）；（3）45%
【详解】解：（1）飞机以288km/h 的速度水平匀速直线航行96km，飞行的时间
飞机发动机的功率为，则飞机在水平航行过程中发动机做的功
（2） 航空燃油的热值为，消耗航空燃油1600kg，则消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量
（3）发动机的效率
答：（1）飞机在水平航行过程中发动机做的功是；
（2）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是；
（3）发动机的效率是45%。
10．（1）1150N；（2）1.84×107 J；（3）1kg；（4）见详解
【详解】解：（1）汽车受到的阻力为
在匀速行驶过程中，汽车受到的牵引力和阻力是一对平衡力，大小相等，即
（2）在这次匀速行驶过程汽车的牵引力做的功为
（3）根据知燃料完全燃烧放出的热量为
由知在这次匀速行驶过程消耗汽油的质量为
（4）热机效率是指热机有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比，要提高机械效率，首先使燃料尽可能的完全燃烧，然后减少燃烧产生的热量损失，降低散热提高其利用率，还可以保证良好的润滑减小摩擦以减少机械损失。
答：（1）在匀速行驶过程中，汽车受到的牵引力为1150N；
（2）在这次匀速行驶过程汽车的牵引力做的功为；
（3）假设汽油完全燃烧所释放能量的40%转换为牵引力做的功，在这次匀速行驶过程消耗汽油的质量为1kg；
（4）首先使燃料尽可能的完全燃烧，然后减少燃烧产生的热量损失，降低散热提高其利用率，还可以保证良好的润滑减小摩擦以减少机械损失。
11．（1）2.7×108J；（2）108J；（3）37.03%
【详解】解：（1）8L汽油的质量
m=ρV=0.75×103kg/m3×8×10-3m3=6kg
完全燃烧放出的热量
Q放=mq=6kg×4.5×107J/kg=2.7×108J
（2）以90km/h的速度行驶100km时，所用的时间
此段时间内，发动机所做的功
W=Pt=25×103W×4000s=108J
（3）该品牌汽车发动机的热机效率
答：（1）8L汽油完全燃烧放出的热量为2.7×108J；
（2）以90km/h的速度行驶100km的时间内发动机所做的功为108J；
（3）该品牌汽车发动机的热机效率为37.03%。
12．（1）720km/h；（2）9×1010J；（3）60%
【详解】解：（1）已知运输机航行的路程为
s=360km
航行时间
t=0.5h
则运输机航行的速度为
（2）已知消耗航空煤油的质量为
m=2250kg
则航空煤油完全燃烧放出的热量为
Q放=qm=4.0×107J/kg×2250kg=9×1010J
（3）已知运输机的水平推力为
F=1.5×105N
则运输机推力所做的功为
W=Fs=1.5×105N×360×103m=5.4×1010J
则运输机发动机的热机效率为
答：（1）运输机航行的速度为720km/h；
（2）航空煤油完全燃烧放出的热量为9×1010J；
（3）运输机发动机的热机效率为60%。
13．（1）2.4×1011J；（2）1.6×105 N；（3）48%
【详解】解：（1）煤油完全燃烧放出的热量为
Q放＝qm＝4×107J/kg×6000kg＝2.4×1011J
（2）该飞机水平匀速飞行的速度
v＝720km/h＝200m/s
由
P＝=Fv
得，发动机获得的水平推力为
F＝＝1.6×105 N
（3）该飞机沿水平方向匀速航行1h，则发动机做的功为
W＝Pt＝3.2×107 W×3600s＝1.152×1011J
发动机的热机效率为
η＝×100%＝48%
答：（1）航空煤油完全燃烧放出的热量是2.4×1011J；
（2）发动机获得水平推力F是1.6×105 N；
（3）该飞机发动机的热机效率是48%。
14．（1） 600 km；（2）9.6×1010 J；（3）1.6×1011 J；（4）60%
【详解】解：（1）因为速度，所以飞机的航程
（2）发动机所做的功
（3）航空煤油完全燃烧放出的热量
（4）发动机的效率
答：（1）飞机的航程是600 km；
（2）发动机所做的功是9.6×1010 J；
（3）航空煤油完全燃烧放出的热量是1.6×1011 J；
（4）发动机的热机效率是60%。