初中北师大版（2024）第四节 热机综合训练题

这是一份初中北师大版（2024）第四节 热机综合训练题，共14页。试卷主要包含了4热机， 引入背景， 热机的定义， 单位， 热机的分类， 核心部件等内容，欢迎下载使用。
一、任务一：认识热机的基本概念
1. 引入背景
生活中汽车行驶、飞机飞行、工厂发电等场景，均需要将燃料燃烧产生的内能转化为机械能，实现这一能量转化的装置就是 “热机”，它是连接能源与机械运动的核心设备。
2. 热机的定义（核心）
定义：将燃料燃烧时释放的内能通过做功转化为机械能的机器，是能量转化的重要载体。
能量转化路径：化学能（燃料）→ 内能（燃烧放热）→ 机械能（对外做功）
3. 单位（重点）
功和能量单位：J（焦耳）
功率单位：W（瓦特）或 kW（千瓦），反映热机做功快慢
4. 热机的分类（高频考点）
5. 核心部件（以内燃机为例）
气缸：燃料燃烧和能量转化的场所
活塞：将内能转化为机械往复运动
曲轴：将活塞往复运动转化为旋转运动
气门：控制进气和排气（进气门、排气门）
火花塞（汽油机）/ 喷油嘴（柴油机）：点火或喷油装置
二、任务二：热机的核心工作原理（重点）
1. 四冲程内燃机的工作循环（核心中的核心）
内燃机的工作通过吸气、压缩、做功、排气四个冲程循环完成，一个工作循环中：
活塞往复运动 2 次
曲轴旋转 2 圈
对外做功 1 次（仅做功冲程做功）
四冲程详细对比（易错点）
2. 汽油机与柴油机的关键区别（高频考点）
3. 热机效率（重点）
（1）定义
热机对外做的有用功（W 有） 与燃料完全燃烧放出的总能量（Q 放） 之比，反映热机能量利用的充分程度。
（2）核心公式
η = (W 有 / Q 放) × 100%
推导关系：Q 放 = m・q（固体 / 液体燃料）或 Q 放 = V・q（气体燃料）
有用功计算：W 有 = F・s（牵引力做功）或 W 有 = P・t（功率 × 时间）
（3）影响热机效率的因素（核心）
燃料不完全燃烧（化学能未充分释放）
废气带走大量热量（主要热损失）
机械部件摩擦损耗（机械能消耗）
散热损失（气缸向环境散热）
（4）提高热机效率的途径
优化燃烧条件，使燃料充分燃烧（如调节空燃比）
改进散热设计，减少热量散失（如气缸保温层）
减小机械摩擦（如使用润滑油、高精度加工）
回收废气能量（如涡轮增压技术）
提高压缩比（柴油机效率高于汽油机的关键）
（5）重要结论
任何热机效率都无法达到 100%（遵循热力学第二定律，能量损失不可避免）
热机效率与功率无关：功率是做功快慢，效率是能量利用率（如大功率汽车效率可能低于小功率柴油机）
4. 典型计算示例
例：某汽车发动机（汽油机）功率为 75kW，匀速行驶 1 小时消耗汽油 10kg，汽油热值 q=4.6×10⁷J/kg。求：
(1) 发动机做的有用功；
(2) 汽油完全燃烧放出的总能量；
(3) 发动机的热效率。
解：
(1) 有用功 W 有 = P・t = 75×10³W × 3600s = 2.7×10⁸J；
(2) 总能量 Q 放 = m・q = 10kg × 4.6×10⁷J/kg = 4.6×10⁸J；
(3) 热效率 η = (2.7×10⁸J / 4.6×10⁸J) × 100% ≈ 58.7%（实际汽油机效率通常低于 30%，此例为理想模型）。
三、任务三：热机的实际应用与环境影响
1. 热机的重要应用
交通运输：汽车、火车、飞机、轮船（内燃机、喷气发动机）
工业生产：工厂动力机、起重机（柴油机、汽轮机）
能源发电：火力发电厂（汽轮机 + 发电机，内能→机械能→电能）
2. 热机对环境的影响（与 10.5 呼应）
大气污染：排放一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOₓ）、烟尘（PM2.5），引发呼吸道疾病；
温室效应：燃烧化石燃料释放大量 CO₂，加剧全球变暖；
噪声污染：发动机运转产生的机械噪声和排气噪声；
热污染：高温废气和冷却水排放，导致局部环境升温。
3. 环保改进措施
开发清洁燃料（如天然气、乙醇汽油）；
安装尾气净化装置（如催化转化器，减少有害气体）；
推广新能源动力（电动汽车、混合动力车）；
优化热机设计，提高效率（减少燃料消耗）。
四、易错点辨析
误区：“做功冲程是唯一对外做功的冲程，其他冲程不消耗能量”
（纠正：吸气、压缩、排气冲程需依靠飞轮的惯性完成，消耗机械能）；
误区：“热机效率越高，功率越大”
（纠正：效率是能量利用率，功率是做功快慢，无必然联系，如高效柴油机功率可能小于低效汽油机）；
误区：“柴油机有火花塞，汽油机没有”
（纠正：汽油机用火花塞点火，柴油机无火花塞，靠压缩压燃）；
误区：“一个工作循环中，曲轴转 1 圈，活塞往复 1 次”
（纠正：一个工作循环曲轴转 2 圈，活塞往复 2 次，对外做功 1 次）；
误区：“热机效率能达到 100%”
（纠正：受摩擦、散热、废气损失影响，效率永远小于 100%）。
总结
热机的核心是 “内能→机械能的能量转化”，重点掌握：
四冲程内燃机的工作循环（冲程顺序、能量转化、气门状态）；
汽油机与柴油机的关键区别（点火方式、压缩比、效率）；
热机效率的定义、公式计算及提高途径；
热机的环境影响与环保措施（与 10.5 燃料污染呼应）。
重点记忆：
四冲程循环：吸→压→做→排，曲轴转 2 圈，做功 1 次；
能量转化：压缩冲程（机械能→内能），做功冲程（内能→机械能）；
效率公式：η = (W 有 /mq) × 100%；
汽油机 vs 柴油机：点燃式 vs 压燃式，效率柴油机更高。
一、单选题
1．如图所示，是四冲程内燃机其中一个冲程的示意图，该冲程的能量转化情况是( )
A．化学能转化成内能B．机械能转化成内能
C．机械能转化成化学能D．内能转化成机械能
2．刀削面是山西的一种传统特色面食，因其风味独特而驰名中外。用刀削出的面条，中厚边薄，形似柳叶，如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．面汤的温度越高，含有的热量越多
B．面条被煮熟，是通过做功的方式增加内能
C．刚端出来的面条香气扑鼻说明分子在不停地做无规则运动
D．水沸腾后锅盖被顶起过程中的能量转化与热机的压缩冲程相同
3．汽油机和柴油机工作的四个冲程是（ ）
A．吸气、压缩、做功、排气B．吸气、压缩、点火、做功
C．吸气、压缩、压燃、排气D．排气、吸气、做功、膨胀
4．燃放鞭炮实质上是鞭炮内的化学物质发生爆燃，产生高压燃气瞬间冲破鞭炮的过程。这个过程和热机哪个工作冲程的原理相似（ ）
A．吸气冲程B．压缩冲程C．做功冲程D．排气冲程
5．如图甲所示，该瓶内盛少量水，给瓶内打气后，以下分析正确的是（ ）
A．瓶内气体密度增大，此过程相当于内燃机图丙对应的冲程
B．瓶内气内能增大，此过程相当于内燃机图乙对应的冲程
C．瓶内气体温度保持不变，此过程相当于内燃机图乙对应的冲程
D．瓶内气体分子热运动减慢，此过程相当于内燃机图丙对应的冲程
6．关于四冲程汽油机，下列说法中正确的是（ ）
A．汽油机的效率一般比柴油机的低
B．在压缩冲程，燃料燃烧，内能转化为化学能
C．在吸气冲程，吸入汽缸内的是空气
D．在排气冲程，进气门和排气门都打开
7．如图是四冲程内燃机工作循环中的一个冲程，它是（ ）
A．压缩冲程，将内能转化成机械能
B．压缩冲程，将机械能转化成内能
C．做功冲程，将内能转化成机械能
D．做功冲程，将机械能转化成内能
8．下图是汽油机一个工作循环的四个冲程，顺序排列正确的是（ ）
A．甲乙丙丁B．乙丙甲丁C．丁丙乙甲D．丁甲丙乙
9．如图所示是小华在家烧开水时出现的场景，下列说法正确的是（ ）
A．壶嘴冒出的“白汽”是汽化现象
B．壶嘴冒出的“白汽”属于扩散现象
C．水沸腾时，吸收热量，内能增加，温度不变
D．壶盖跳动与热机压缩冲程的能量转化相同
10．如图为一台四缸发动机，其主要技术指标如右表所示．其中排量等于四个汽缸工作容积的总和，汽缸工作容积指活塞从上止点到下止点所扫过的容积，又称单缸排量，它取决于活塞的面积和活塞上下运动的距离（即冲程长）．转速表示每分钟曲轴或飞轮所转的周数．则下列计算不正确的是________；
A．该发动机在1 s内做功1.2×105J
B．单缸排量V为0.5 L
C．在每个做功冲程里，发动机做功600 J
D．在做功冲程里，燃气对活塞的压强为1.2×105Pa
二、填空题
11．小文是一个爱思考问题的孩子，一天他看到小强用空矿泉水瓶做成了一个“空气大炮”。只见小强将空矿泉水瓶拧好瓶盖，然后用一只手使劲拧矿泉水瓶的尾部，另一只手稍微一拧瓶盖，“砰”的一声，瓶盖就飞了出去，同时看到瓶口有“白雾”出现。从能量转化角度分析，此过程中能量转化是 ，汽油机的 冲程与该能量转化相同。
12．汽油机工作时， 冲程对外提供动力，这个过程是 能转化成 能，其它冲程靠 完成。
13．易拉罐的拉环被拉断后很难打开，可拿圆珠笔的笔尾在罐口旁快速摩擦，拉环就可以被“炸开”。如图甲所示，摩擦时是通过 的方式改变罐内气体的内能；如图乙所示，拉环被“炸开”甲过程中的能量转化与内燃机的 冲程相似；某单缸四冲程内燃机每秒对外做功20次， 则其飞轮转速为 r/min。
14．父亲生日那天，小明给父亲启啤酒时，发现瓶口出现“白雾”，这是瓶内的气体冲出时， 能转化为 能，此过程与热机的 冲程原理相似。
15．汽车发动机采用循环流动的水进行冷却，这是利用水的 较大；若散热器中装有10kg的水，初温为20℃，当水温表示数为70℃时，水吸收的热量是 ；若汽油机曲轴的转速为3000r/min，汽油机每分钟对外做功 次。[c水＝4.2×103J/（kg·℃）]
16．单位质量的气体物质，在体积不变的条件下温度升高1℃所吸收的热量称为该气体的定容比热，已知氦气的定容比热为3000J/（kg•℃）。如图甲所示，质量为0.03kg的氦气被密封在圆柱形气缸内，气缸内氦气气压与外界大气压相同。用力把活塞AB固定，当氦气的温度从20℃升高到30℃时，氦气吸收的热量是 J。撤去力，氦气推动活塞做功，这一过程的能量转化形式与图乙中四冲程汽油机的其中两个工作冲程的 （选填“A”或“B”）冲程相同，能量转化为 能转化为 能，若飞轮转速为3000r/min，则此汽油机每秒钟对外做功 次。
三、实验探究题
17．在“做功可以改变物体内能”的实验中，老师演示了两个实验：
（1）实验一：如图甲，把活塞迅速压下去，观察到硝化棉燃烧，下压活塞的过程中是将 转化为 （均选填“化学能”“内能”或“机械能”）；
（2）实验二：如图乙，向装有少量水的瓶子内不断打气，使得瓶内的气压增大，最终瓶塞跳起来。瓶塞“跳起”过程中的能量转化情况跟内燃机的 冲程的能量转化情况一样，内能 （选填“增加”或“减少”）。
四、简答题
18．将一个盛少量水的试管放在酒精灯上加热，过了一段时间后，会听到“砰”的一声，塞子飞出，同时可以看到管口附近出现了“白雾”。请回答下列问题：
（1）解释塞子飞出的原因；
（2）“白雾”是什么现象。
五、作图题
19．如图为汽油机的排气冲程示意图，请在图中A、B方框中分别标出曲轴转动方向及气流流动方向（曲轴转动方向用“”或“”表示，气流流动方向用“←”或“→”表示）。
六、综合题
20．随着人民生活水平的不断提高，汽车已经走进我们的家庭。小米最近也购买了一辆轿车。
（1）当该轿车汽油机的转速为3600r/min时，则在1s内汽油机对外做功的次数是 次，压缩冲程中将 能转化为 能。
（2）“轿车不但要吃油，有时也要喝水”，用水冷却发动机是因为水的 大
七、科普阅读题
21．阅读材料，回答问题
汽油发动机
汽油发动机是以汽油作为燃料，将化学能最终转化成机械能的发动机。汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用。
市场上汽油机的热效率普遍在35%左右，达到40%的少之又少。现在最先进的汽油机，采用了无火花塞的HCCI，也就是均质压燃燃烧技术，压缩比达到了18∶1，热效率高达50%，综合油耗仅3.3L/100km。
（1）如上图所示是汽油机的四个冲程，一个汽缸正常工作时，汽油机的四个冲程正确顺序是 （请对甲、乙、丙、丁重新排序），其中图 所示的冲程为汽油机提供动力，其它3个冲程靠飞轮的 完成；
（2）汽油机的防冻冷却液是由水和某种防冻剂混合而成的。这是利用了水的 大的特点；
（3）若某单缸四冲程汽油机飞轮的转速是1800r/min，则该汽油机每秒完成 个冲程，对外做功 次，完成 个工作循环。
参考答案
1．B
2．C
3．A
4．C
5．D
6．A
7．B
8．C
9．C
10．D
11．内能转化为机械能；做功
12．做功；内；机械；飞轮的惯性
13．做功；做功；2400
14．内；机械；做功
15．比热容；2.1×106；1500
16．900；A；内能；机械能；25
17．机械能；内能；做功；减少
18．（1）实验中，加热水时，大量水蒸气对外做功，将软木塞推出，水蒸气的内能转化为塞子的机械能，故塞子能飞出；
（2）水蒸气对塞子做功，内能转化为机械能，水蒸气的内能会减小，温度降低，水蒸气液化成小水珠，形成“白雾”。
19．
20．（1）30；机械；内
（2）比热容
21．（1）乙、甲、丁、丙；丁；惯性
（2）比热容
（3）60；15；15类型
定义
典型实例
应用场景
内燃机
燃料在气缸内燃烧，直接驱动活塞做功
汽油机、柴油机
汽车、摩托车、拖拉机
蒸汽机
燃料加热水产生蒸汽，推动活塞 / 涡轮做功
老式火车、蒸汽轮船
历史动力装置（部分电厂仍用）
汽轮机
高温高压蒸汽冲击涡轮叶片旋转
火力发电厂、核电站
大规模发电
喷气发动机
燃料燃烧产生高速气流，反推做功
飞机、火箭
航空航天
冲程
气门状态
活塞运动方向
能量转化
核心作用
吸气冲程
进气门开，排气门闭
向下运动
无（机械运动）
吸入燃料和空气混合物（汽油机）或纯空气（柴油机）
压缩冲程
两气门均闭
向上运动
机械能→内能
压缩气体，升高温度（柴油机压缩比更高，温度足以点燃柴油）
做功冲程
两气门均闭
向下运动
内能→机械能
燃料燃烧产生高温高压气体，推动活塞做功（对外输出动力）
排气冲程
排气门开，进气门闭
向上运动
无（机械运动）
排出燃烧后的废气
对比维度
汽油机
柴油机
燃料
汽油（易挥发、易燃）
柴油（难挥发、自燃点低）
点火方式
火花塞点火（点燃式）
压缩压燃（压燃式，无火花塞）
压缩比
较低（8~11:1）
较高（16~22:1）
效率
较低（20%~30%）
较高（30%~45%）
性能特点
转速高、噪音小、启动易
扭矩大、油耗低、噪音大
应用场景
小汽车、摩托车
重型货车、拖拉机、轮船
排量
2.0L
输出功率
120kW
转速
6000r/min