Question

16．小明的爸爸最近购买了一辆轿车，小明利用所学的物理知识对汽车进行了一系列探索与研究：（g取10N/kg）

（1）汽车发动机一般是柴油机或汽油机，它把燃料燃烧放出的内能转化为机械能，如图是汽车发动机的压缩冲程．
（2）为了防止发动机过热，汽车的冷却系统常用水的循环来降低发动机的温度5kg水在冷却系统中温度升高50℃，所吸收的热量是多少？这些热量相当于完全燃烧多少kg的煤所释放的热量？（煤的热值为3×10⁷J/kg）
（3）小明同学阅读了汽车发动机的说明书后，将内燃机的能量流向制成如图所示的图表，根据图表中的信息，若完全燃烧1L的汽油可使汽车匀速行驶4830m，则该汽车在水平面上匀速行驶时所受到的阻力为多少N？（汽油热值为4.6×10⁷J/kg，汽油密度为0.7×10³kg/m³）

Answer 1

分析 （1）热机是将内能转化为机械能的机器；根据气门的开闭情况和活塞的运动方向判断是汽油机的哪个冲程？
（2）已知水的质量、比热容、温度的变化量，利用热量的计算公式计算水吸收的热量；由题知Q_放=Q_吸，再利用Q_放=mq求需要完全燃烧煤的质量；
（3）知道汽油的体积，利用m=ρV求汽油的质量，再利用Q_放=mq求这些汽油完全燃烧发出的热量；根据图表中的信息，求出汽油机的效率，利用效率公式求出输出有用功，利用W_有用=Fs求汽车牵引力；因为汽车汽车在水平面上匀速行驶，汽车受到的牵引力和阻力是一对平衡力，大小相等，据此求该汽车在水平面上匀速行驶时所受到的阻力．

解答 解：
（1）柴油机或汽油机，都属于热机，是将燃料燃烧放出的内能转化为机械能的机器；如图所示的冲程，两气门都关闭，活塞上移，是汽车发动机的压缩冲程；
（2）水吸收的热量：
Q_吸=c_水m△t=4.2×10³J/（kg•℃）×5kg×50℃=1.05×10⁶J；
由题知，Q_放=Q_吸=1.05×10⁶J，
由Q_放=mq得需要完全燃烧煤的质量：
m_煤=$\frac{{Q}_{放}}{q}$=$\frac{1.05×1{0}^{6}J}{3×1{0}^{7}J/kg}$=0.035kg；
（3）1L的汽油的质量：
m_汽油=ρ_汽油V_汽油=0.7×10³kg/m³×1×10^-3m³=0.7kg，
这些汽油完全燃烧发出的热量：
Q_放′=m_汽油q_汽油=4.6×10⁷J/kg×0.7kg=3.22×10⁷J，
根据图表中的信息，汽油机的效率：
η=100%-33%-30%-7%=30%，
根据η=$\frac{{W}_{有用}}{{Q}_{放}}$可得，发动机输出的有用功：
W_有用=η×Q_放′=30%×3.22×10⁷J=9.66×10⁶J，
由W_有用=Fs得汽车牵引力：
F=$\frac{{W}_{有用}}{s}$=$\frac{9.66×1{0}^{6}J}{4830m}$=2000N，
因为汽车汽车在水平面上匀速行驶，汽车受到的牵引力和阻力是一对平衡力，大小相等，
则该汽车在水平面上匀速行驶时所受到的阻力f=F=2000N．
故答案为：
（1）内；压缩；
（2）5kg水在冷却系统中温度升高50℃，所吸收的热量是1.05×10⁶J；这些热量相当于完全燃烧0.035kg的煤所释放的热量；
（3）该汽车在水平面上匀速行驶时所受到的阻力为2000N．

点评 本题为力学和热学的综合计算题，考查了热机的能量转化、内燃机四冲程的判断、密度公式、燃料完全燃烧放热公式、效率公式、功的公式、二力平衡条件的应用，知识点多、综合性强，属于难题！