专题13 热和能-初中应用物理知识竞赛专题讲义

初中应用物理知识竞赛专题讲座13

专题十三  热和能

【重点知识解读】

1. 分子动理论三个论点：一切物质都是由大量分子组成；一切物质的分子都是在永不停息地做无规则的热运动；分之间同时存在引力和斥力。
2. 物体内部所有分子运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体在任何情况下都有内能。物体的内能与物体的温度和状态有关。同一个物体状态不变时，温度升高，分子运动加剧，分子动能增加，内能增加；同一物体，发生物态变化时温度不变，分子动能不变，吸收热量内能增加，放出热量内能减小。
3. 发生热传递的条件是存在温度差。热量总是自发的从高温物体传递给低温物体。热传递的过程是内能的转移过程。
4. 做功和热传递都可以改变物体的内能。通过做功改变物体内能实质是其它形式的能量与内能的相互转化。
5. 单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量叫做这种物质的比热容。比热容是物质本身的一种属性，反映了物质吸热放热本领的强弱。比热容与物质的质量、体积、温度无关。
6. 燃料的热值q是指单位质量的燃料完全燃烧所放出的热量。质量为m的燃料完全燃烧放出热量Q=qm。
7. 能量守恒定律：自然界中各种形式的能量在一定条件下相互转化，但总量保持不变。

【竞赛知识拓展】

热量的计算：Q=cm△t。式中△t是物体温度的变化量。

热平衡方程：Q吸=Q放。

【经典竞赛题分析】

例1. （2016上海物理竞赛）一厚度为d的薄金属盘悬吊在空中，其上表面受太阳直射，空气的温度保持300K不变，经过一段时间，金属盘上表面和下表面的温度分别保持为325Κ和320K。假设单位时间内金属盘每个表面散失到空气中的能量与此表面和空气的温度差以及此表面的面积成正比；单位时间内金属盘上、下表面之间传递的热量与金属盘的厚度成反比，与两表面之间的温度差和表面面积成正比。忽略金属盘侧面与空气之间的热传递。那么，在金属盘的厚度变为2d而其他条件不变的情况下，金属盘上、下表面温度稳定之后，金属盘上表面的温度将变为

A．323K    B．324K   C．326K   D．327K

【参考答案】D

例2. （2014上海市初中物理竞赛初赛试题）A、B两物体质量相等，温度均为10℃；甲、乙两杯水质量相等，温度均为50℃。现将A放入甲杯，B放入乙杯，热平衡后甲杯水温降低了4℃，乙杯水温降低了8℃，不考虑热量的损耗，则A、B两物体的比热容之比为（   ）

  A．4:9             B．3:5             C．2:3             D．1:2

【参照答案】．

例3.（2012全国初中应用物理知识竞赛复赛）长期以来，我国北方地区城镇居民的冬季采暖计量一般都按住宅面积收费，导致用户节能意识差，造成严重的资源浪费。作为建筑节能的一项基本措施，近几年部分地区试点以热量表作为计量收费的依据和手段，经测算可节能约20%~30%。172

如图2所示，一个完整的热量表由以下三个部分组成：一只液体

流量计，用以测量经热交换的热水流量；一对用铂电阻制作的温度传

感器，分别测量供暖进水和回水温度；一低功耗的单芯片计算机，根

据与其相连的流量计和温度传感器提供的流量和温度数据，利用热力学公式可计算出用户从热交换系统

获得的热量，通过液晶显示器将测量数据和计算结果显示出来。172教学网

以下是某用户家中的热量表的部分参数，已知水的比热容取4.2×l03J/(kg·C)，天然气的燃烧值约为8×107J/m3。

（1）试通过以上数据计算该型号热量表能测量的最大供热功率是多少？

（2）在一次要查看热量表记录情况时，通过逐次点按计量表上的信息显示按钮，液晶显示器逐项显示出了下列数据：

根据这些数据推算，求此次查看时该用户家平均每小时从暖气中得到的热量约为多少J？到此次查看时为止，该用户从这套供暖系统得到的总能量相当于完全燃烧了多少m3的天然气？

(3)如果出现大风降温天气，住宅通过外墙散热的速度会加大。从原理分析，应该在家中怎样调节，才能保持室内温度不出现明显下降。

(4)这种型号的热量表平均耗电功率不超过多大?

(5) 2010年国家将逐渐在全国推广使用供热分户计量。假设某城区在未使用热量表计费时，一年热力公司共消耗天然气40亿立方米，现有30%的用户使用热量表，在使用后平均每户节能20%。按此情况计算，这些使用热量表的用户一年可节约多少天然气? 172教学网

例4（2012全国初中应用物理知识竞赛复赛）小明看到一句农谚：“下雪不冷化雪冷”。他很好奇，想具体了解一下冰雪熔化时究竟要吸收多少热量。于是查找了资料，知道“熔化热”的定义是：单位质量的某种晶体，在熔化成同温度的液体时吸收的热量，叫做这种晶体的熔化热。他想用实验测量一下冰的熔化热，于是找来了一些实验器材：一架天平和配套的硅码、一支实验室温度计（0~100℃）、一个有密封盖子的保温桶、一个小烧杯、一把镊子和一个专门用来在冰箱中冻小冰块的塑料冰格，又观察到家里的冰箱面板上显示冷冻室温度恒为-18℃。请帮助小明设计一个用这些器材粗测冰块熔化热的方案，要求写出实验的步骤和用测量的物理量计算冰的熔化热λ的表达式 (水和冰的比热容分别用C水和C冰表示)。

例5（2011上海第25界初中物理竞赛）当物体中存在温度差时，热量会从温度高的地方向温度低的地方传递。对于一长度为L、横截面积为S的均匀金属棒，当两端的温度差稳定为△T时，△t时间内从高温端向低温端传递的热量△Q满足关系式： ；其中k为棒的导热系数。如图所示，长度分别为L1、L2，导热系数分别为k1、k2，的两个横截面积相等的细棒在D处紧密对接，两金属棒各自另一端分别与温度为400开、300开的恒定热源良好接触。若L1∶L2=1∶2，k1∶k2=3∶2，则在稳定状态下，D处的温度为                                         （    ）

A．375开

B．360开

C．350开

D．325开

.【参考答案】：A

【点评】此题考查热传递及其相关知识。学科网

例6．（2011上海第25界初中物理竞赛复赛）将一功率为P=500瓦的加热器置于装有水的碗中，经过2.0分钟后，碗中水温从T1=85℃上升到T2=90℃，之后将加热器关掉1.0分钟，发现水温下降1.0℃。试估算碗中所装水的质量。

【点评】此题考查热量、能量守恒定律及其相关知识。学科网

【竞赛实战训练】

  1．(2009全国初中应用物理知识竞赛题)炎热无风的夏天，小宇走在被晒得发烫的柏油路上，看见前面的路面已被一辆洒水车洒水淋湿了。他认为走在淋湿了的路面上一定比走在干燥的路面上感到凉爽，于是赶快走过去，结果在洒过水的路面上，他却感到更加闷热了。你认为产生这种感觉的主要原因是(    )

    A．洒水车中的水经过曝晒后，内能增大，温度很高

    B．地面上的水使被反射的阳光增多，身体获得更多热量

    C．洒水后使附近的空气湿度增加，身上的汗液蒸发变慢

D．地面上的水蒸发时把热量带到了人的身上

  【参考答案】：C

2．(2009全国初中应用物理知识竞赛题)修补被扎破的自行车内胎时，修车师傅通常用一把周身是刺的锉将内胎扎破处的外表面锉毛，再把要补上去的橡胶补丁贴在内胎上的一面也锉毛，然后再将锉毛的两个表面涂上胶水，待胶水晾一会儿之后，对准、压紧……。对于下列锉毛橡胶表面的主要目的的分析，你认为最可能的是（    ）

    A．使补胎处的橡胶更膨松，以增强补胎处橡胶的弹性

    B．增大内胎和橡胶补丁接触的表面积，以充分发挥胶水的粘合作用

    c．增大内胎与橡胶补丁之间的摩擦，防止错位

D．防止因补胎处太厚而导致内胎对外胎的压强不均匀，避免外胎爆胎

【参考答案】：B

3．(2009全国初中应用物理知识竞赛题)在水泥路面的道路施工中，其中有一道工序是：大约每隔8m在水泥中插入一根长木条，将水泥路面割断成一块一块的。然后再趁水泥还未完全固化时用带有齿的轮在铺设好的路面划出一道道的横线(如右图所示)。对上述做法的分析，你认为下列说法中最可能的是(    )

    A．用带有齿的轮在铺设好的路面上划出一道道的横线，是为了使路面更加美观

    B．用长木条将水泥路面割断成一块一块的，是为了节约铺设路面的水泥材料

    C．用长木条将水泥路面割断成一块一块的，是为了防止由于热膨胀导致路面损坏

D．用长木条将水泥路面割断成一块一块的，是为了增大路面的摩擦

【参考答案】：C

4. (2010全国初中应用物理知识竞赛题)晴朗无风的早晨，当飞机从空中飞过，在蔚蓝的天空中会 留下一条长长的“尾巴”，如图1所示，这种现象俗称为“飞机拉烟”。产生这一现象的原因之一是飞机在飞行过程中排出的暖湿气体遇冷所致。在这一过程中，暖湿气体发生的物态变化是              (    )
 A.熔化     B.液化      C.蒸发       D.升华

【参考答案】：B  学科网

5. (2010全国初中应用物理知识竞赛题)

2010年1月2日起，我国北方大部地区遭遇大范围降雪天气袭击。大雪严重影响了民航、铁路和高速公路等交通，如图2所示。在遇到这种天气时，为了尽快清除积雪，常用的办法是撤“融雪盐” ，这是因为（   ）
 

 A. “融雪盐”与少量水发生化学反应，产生的热量使周围的冰雪熔化
   B. “融雪盐”产生“保暖层”，使冰雪吸收足够的“地热”而熔化
   C.使雪形成“含融雪盐的雪”，“含融雪盐的雪”熔点低于当地温度，使雪熔化
    D．“融雪盐”有利于冰雪对阳光的吸收，从而加快冰雪的熔化

【参考答案】：C

6. (2010全国初中应用物理知识竞赛题)

小明发现户外地面以上的冬季供热管道每隔一段距离总呈现型，如图3所示。其主要原因是 (    )
 A.为了避开行人和建筑物                

B.为了美观
    C. 为了避免管道因热胀冷缩导致的损坏  

D.为了方便工人师傅安装和检修

【参考答案】：C

7.(2009上海初中物理知识竞赛复赛题).现有一扇形的均质金属物体，该材料具有热胀冷缩的性质，如图所示。室温状态下AB、CD边所成的圆心角为α。若使物体温度均匀升高，则α角的变化情况是：(  )

(A)变大

(B)不变

(C)变小

(D)无法确定

【参考答案】：B

8．（2007青岛竞赛题）炎热的夏天，当你走在晒得发烫的柏油路上时，刚好来了一辆洒水车，洒湿了路面。这时你会感到更加闷热，产生这种感觉的主要原因是（   ）[来源:学_科_网Z_X_X_K]

A．洒水车中的水经过曝晒，内能增加，温度很高

B．洒水后空气的湿度增加，身上的汗较难蒸发

C．地面上的水反射了阳光，使身体得到更多的热量

D．水蒸发时把地面上的热带到了人的身上

【参考答案】：B       学科网

 9、（2007上海初中物理知识竞赛）将一杯热水倒入容器内的冷水中，冷水温度升高10％，又向容器内倒入同样一杯热水，冷水温度又升高6℃，若再向容器内倒入同样一杯热水，则冷水温度将再升高(不计热损失)  (    )

  (A)4．5℃    (B)4℃     (C)3．5℃    (D)3℃

 【参考答案】：B

10、（2008河南初中应用物理知识竞赛预赛题）餐馆在烹炸食品时有三种食用油可供选择，分别是沸点较高的豆油，沸点较低的色拉油，沸点低的菜子油。那么最好选用(    )

A．豆油    B．色拉油    C．菜子油    D．都一样

【参考答案】：A

二．填空题

1．（2011上海第25界初中物理竞赛复赛）因为环境污染，北极的冰山上常年沉积着灰尘，使冰山表面吸收了更多太阳光，加速了冰山的熔化。假设覆盖着灰尘的冰山上表面每单位时间单位面积所吸收的太阳光为98瓦/米2(此数据已将太阳光白天和黑夜的不同日照量平均计算在内)。若有厚度为30米的冰山，如图所示，则仅靠阳光的暴晒，在0℃的海水中，需要约___________天才能将此冰山熔化。

  【参考答案】：1062

三．简答题

1.(2010全国初中应用物理知识竞赛题)露天放置的大型石油液化气罐，为了防止因温度过高而造成爆炸等事故，罐体外表面通常漆成银白色，如图11所示。而露天安装的电力变压器，同样为了防止因温度过高而造成火灾等事故，在采用加注冷却油、安装散热管等一系列散热措施的同时，却把其外表面漆成颜色很深的灰黑色，如图12所示。同样是为了防止温度过高，一个外表面漆成颜色很浅灼银白色，另一个外表面却漆成颜色很深的灰黑色，这是为什么呢?

[来源:学科网ZXXK]

2．(2010全国初中应用物理知识竞赛题) “鸳鸯火锅”是用金属片将锅的内部空间隔成相等的两部分，一边放清汤卤，一边放红汤卤，清汤和红汤的质量、主要成分以及初温几乎相同，但是清汤卤一侧液面没有油层，红汤卤一侧液面有一层麻辣风味的油，如图8所示。吃饭的人们可根据自己的喜好把食物放入不同的汤料中进行烫涮。但小新注意到每次使用这种“鸳鸯火锅”吃烫涮食品时，总是红汤卤一侧首先沸腾。最初，小新认为这是由于红汤卤一侧的火更大些，但观察发现，两边的火焰相同。试分析为什么总是红汤卤一侧先沸腾。

3．(2009全国初中应用物理知识竞赛题)豆腐本来是光滑细嫩的(如图甲所示)，经冰冻再解冻以后，就会出现许多小孔，成为美味的“冻豆腐”(如图乙所示)。请你说明“冻豆腐”中产生许多小孔的道理。

四．综合应用题

1.(2011全国初中应用物理知识竞赛题) "米线"是一种特色小吃。端上餐桌的有:一碗热汤，上面浮着一层油:一碟切成薄片的鲜肉:一碗已煮熟的米线。食客先把肉片放进汤内，稍候再加入米线。

现有以下资料:汤的初温97°C，比热容4.2×103J/(kg·℃);肉片的质量为0.2kg，初温22℃，比热容3.5×l03J/( kg·℃)。基于健康缘故，肉片必须至少在大于80℃的汤中保持2min，在这2 min时间里，由于向外界散热整体温度将下降约2℃ 。问:

（1）.碗中油层的作用是什么?

（2）.为实现上述的温度要求，碗中汤的质量多少应满足什么条件?

2.(2010全国初中应用物理知识竞赛复赛题)单位质量的某种液体变为同温度的气体所需要吸收的热量，叫做这种液体的汽化热。通常情况下，同种液体在不同温度下的汽化热是不同的。某课外活动小组设计了如图7所示的装置，可以用来测定100℃时水的汽化热。该装置的测量原理是：用电压可调的电加热器使玻璃容器内的水沸腾，用电子天平分别测量沸腾一段时间前后水的质量，同时测量所用的时间及在该段时间内电加热器的电压和电流，根据相关的数据和能量守恒关系即可求出水的汽化热λ。由于这个装置工作时的散热损失是不可忽略的，该组同学实验时测量了两组数据，如下表所示：

（1）．试简单说明该装置的散热功率是否随加热功率的改变而改变。[来源:学科网ZXXK]

（2）．根据以上数据，求水的汽化热λ

（3）．针对此实验提出一些减少实验误差的措施。

3.(2010全国初中应用物理知识竞赛复赛题)小亮家有一辆家用轿车，爸爸在给他说车的性能时，总是说“2．0的排量”，却很少说“功率”，为此小亮特地从网上查到了排量的定义：活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为汽缸排量。如果发动机有若干个气缸，所有气缸工作容积之和称为发动机排量。从说明书上查到：小亮家的汽车采用的是LFX直列四缸发动机，排量为2.0L；从网上查找到了其输出特性曲线（如图8所示）；小亮又向爸爸询问了一些实测数据：由于汽车行驶的路况很好，所以平均车速为90km／h，此时发动机转速为2000r/min，平均行驶百公里油耗为9L；从物理书上查得汽油的热值为4．6×107J/kg，密度为0．71×103kg/m3

（1）．由这台发动机输出特性曲线可以看出，在发动机转速为1000~5000 r/min范围内，它的输出功率与转速大致有什么关系？

（2）．试通过公式推导出在其他参数相同时，发动机的输出功率与其排量的关系。

（3）．这辆汽车以90km／h行驶时，发动机的效率约为多少？每个做功冲程汽缸内的平均压强是约为多少？

4.(2009上海初中物理知识竞赛复赛题)在一搅拌机的容器内装有质量m为0.5千克的水，把水加热到70℃后让其在室温下自动冷却。其温度随时间变化的关系如图所示。现开动电动搅拌机对该冷却的水不停地搅拌，电动机的功率P为900瓦，其做的功有80%转化为水的内能。若不考虑容器的内能变化，水最终的温度是多少℃？

5．（9分）(2009上海初中物理知识竞赛复赛题)图为四缸发动机工作原理：内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲 轴上，并使各汽缸的做功过程错开。曲轴与飞轮相连，飞轮每转动半周，有一个汽缸在做功，其他三个汽缸分别在做吸气、压缩和排气工作。现有一台四缸发动机，其主要技术指标如下表所示，其中排量等于四个汽缸工作容积的总和，汽缸工作容积等于活塞的面积与活塞上下运动的距离（即冲程长）的乘积，转速表示

    每分钟飞轮所转的周数。求：

    (1)飞轮每转动半周，发动机做功多少？

    (2)若在做功冲程里，燃气对活塞压强可以看作恒压，则压强多大？

6（10分）(2009上海初中物理知识竞赛复赛题)如图所示的装置，可以测定每千克I00 ℃的水，在大气压下汽化成100 ℃ 的水蒸气所需吸收的热量Q。该装置的测量原理是：用加热器使水沸腾，汽化的水蒸气通过凝聚器液化后被收集在量杯中；测量加热器的发热功率及一段时间内在量杯中收集到的水的质量，根据能量守恒关系即可求出Q的值。这个汽化装置工作时的散热功率恒定不变，但散热功率的值未知。测得加热器的功率为285.0瓦时，在300秒时间内被冷凝和收集的液体质量为28.0克；加热器的功率为100.0瓦时，在300秒时间内被冷凝和收集的液体质量为4.0克。根据以上数据，求每千克100℃的水在大气压下汽化成100 ℃的水蒸气所需吸收的热量Q。

7．(10分) (2009全国初中应用物理知识竞赛题)为了缓解用电高峰电力紧张的矛盾，我国一些地区使用了“分时电（能）表”。下表是采用分时计费前、后电费价目表：

    小明家每天要用电水壶将质量为3 kg、初温为20℃的水烧开，已知气压为1标准大气压，水的比热容为4.2×103J／(kg·℃)。求：

    （1）．这些水被烧开需要吸收多少热量?

（2）．使用分时电表后，小明家把烧水时间安排在低谷期，若不计热量损失，仅此一项，一个月(以30天计)比原来节省多少元电费?

8 (2009全国初中应用物理知识竞赛题)在一些农村地区建造的沼气池，通过将农村大量的秸秆、人畜粪便发酵来获取沼气，利用沼气来烧火做饭，点灯照明。沼气池的应用，不仅使上述资源得以更好的利用，同时也给生活带来了诸多便利，使环境得以改善。这是一个一举多得的惠民工程。图9所示为一农户的水压式沼气池的剖面简图。

说明：1．沼气池 2．水压池 3．进料口  4．密封盖  5．输气管  6．贮气室  7．沼气压力显示器  8．总阀门  9．U形管压强计(里面装有染成红色的水)  l0．出料口盖板(不密封水压池，水压池仍与外面大气相通)  11．阀门  

 已知该农户家燃气灶的相关技术数据如下：

取g=10 N／kg，水的比热容c水=4.2×l03J／(kg·℃)

    （1）．根据图9所示，通过计算说明，该农户此时能否使用这个沼气池中的沼气来正常烧火做饭?

    （2）．有一天，该农户发现，沼气压强小于燃气灶的要求。为了能尽快利用沼气生火做饭，从物理学的角度看，可采取哪些措施?

    （3）．若该农户所用的燃气灶是普通炉，通常情况下，普通炉中的右炉单独正常工作时，将一壶质量为2.5 kg、温度为20℃的水烧开，耗时约10 min。试估算右炉烧水的效率。

（4）．请你就如何提高燃气灶的效率问题谈淡你的设想。

9、（18分）(2009全国初中应用物理知识竞赛复赛题)

阅读资料并回答问题：

干湿温度计是一种既能测量空气温度，又能测量空气相对湿度的常用测量仪器(某一温度下，空气中水蒸气量与该温度下饱和水蒸气量的比值叫做该温度下的空气相对湿度，以百分数表示；饱和气是指一定温度下，一定数量空气中所能最大限度容纳的水蒸气量)。如图4甲所示，仪器上有两支相同的温度计并列地安装在同一刻度板上(图4乙为其背面)，其中一支温度计的测温泡外面裹有被水浸湿的棉纱，这一支温度计即为“湿”温度计；另一支温度计的测温泡直接裸露在空气中，这一支温度计即为“干”温度计。还有一个可根据干、湿温度计的示数来确定空气相对湿度的转盘式标尺。

(1)．通常情况下，湿温度计的示数比干温度计的示数稍低一些，这是为什么?

(2)．转盘式标尺由两个同轴的圆盘组成，其中外盘是固定的，上面标有对应“湿温度计”温度值的0～40刻度线及表示相对湿度值的10～100刻度线；内盘可以绕轴转动，上面标有对应“干温度计”温度值的0～40刻度线及“相对湿度％”字样。转动内盘，当内、外盘上的相同温度值对准时，“相对湿度”的箭头正好指向100，表明空气的相对湿度为100％，如图4丙所示。

请你根据以上信息，说明如何根据干、湿温度计的示数，使用这个转盘式标尺来确定出空气的相对湿度。

(3)．中午，小宏看到干温度计的示数为26.0℃，湿温度计示数为22.0℃。到了晚上，小宏看到干温度计的示数为16.0℃，湿温度计示数为12.0℃。请思考并回答：

①关于中午和晚上空气的相对湿度，以下说法正确的是(     )

A．中午和晚上空气的相对湿度相同

B．因为中午和晚上气温不同，所以无法比较中午和晚上空气相对湿度的大小

C．中午空气的相对湿度大。

D．晚上空气的相对湿度大。

②请你简要地说明选择该答案的理由。