Question

8．隨著人們生活水平的不斷提高，各種小汽車已經(jīng)走進(jìn)我們的家庭．小汽車的一些設(shè)計(jì)和使用過程中的許多現(xiàn)象與物理知識(shí)有關(guān)，請你用學(xué)過的物理知識(shí)解答下面的問題：

（1）普通的小汽車用的是汽油機(jī)，圖甲所示的是做功沖程，為了不讓汽油機(jī)在工作時(shí)溫度升得太高，在設(shè)計(jì)制造時(shí)，汽缸外有一個(gè)水套，讓汽缸被水包圍著，這是通過熱傳遞的方式減少汽缸內(nèi)能，用水來冷卻汽缸是因?yàn)樗�的比熱容較大．
（2）小明同學(xué)閱讀了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的說明書后，將內(nèi)燃機(jī)的能量流向制成如圖乙所示的圖表，請根據(jù)給出的信息，計(jì)算完全燃燒0.2kg的汽油能夠獲得9.2×10⁶J的能量，這些能量能產(chǎn)生2.76×10⁶4 J的有用功．（汽油的熱值為4.6×10⁷J/kg）
（3）汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的牽引力為F，則燃燒m質(zhì)量的汽油，能使汽車前進(jìn)的距離s=$\frac{ηqm}{F}$（用前面給出物理量的符號(hào)表示距離，汽油的熱值在本小題中用q表示，效率用η表示）
（4）為了安全，汽車采用四輪鼓式制動(dòng)，有效地減少了制動(dòng)距離．通過測量獲得汽車以不同速度行駛時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離（即從操縱制動(dòng)剎車到車停下來的距離），數(shù)據(jù)如下表所示：

實(shí)驗(yàn)次數(shù)	1	2	3	4
速度/（m?s-1）	2	4	6	8
制動(dòng)距離/m	0.50	2.00	4.50	8

請?jiān)趫D丙中描點(diǎn)作出s-v²圖象，寫出s和v的定量關(guān)系式s=$\frac{{v}^{2}}{8}$，當(dāng)轎車速度為16m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離是32m．

Answer 1

分析 （1）內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)有四個(gè)沖程，即吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程；壓縮沖程即進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞由下向上運(yùn)動(dòng)，壓縮空氣做功，使氣缸內(nèi)氣體內(nèi)能增加溫度升高；對(duì)于做功沖程，即氣缸內(nèi)的混合物被引燃，導(dǎo)致氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓�這些燃?xì)馔苿?dòng)活塞做功，使活塞由上向下運(yùn)動(dòng)；改變內(nèi)能有兩種方式：即做功和熱傳遞；在自然界中水的比熱容最大，這也是我們選用水作為作取暖或冷卻物體的物質(zhì)的根本原因；
（2）根據(jù)熱值和汽油的質(zhì)量，用公式Q=qm求出汽油完全燃燒放出的熱量；由能流圖得出轉(zhuǎn)化為有用功的能量占總能量的比值，得出內(nèi)燃機(jī)的效率；根據(jù)W=Q_放×30%求出有用功；
（3）根據(jù)得出的內(nèi)燃機(jī)的效率，根據(jù)W=Fs=ηQ_放求運(yùn)行距離；
（4）根據(jù)表中數(shù)據(jù)，先畫點(diǎn)，再連線，通過讀圖再來確定當(dāng)轎車速度為16m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離大約是多少．

解答 解：
（1）內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)有四個(gè)沖程，即吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程，在做功沖程中，活塞由上向下氣缸內(nèi)的高壓高溫物質(zhì)，即對(duì)活塞做功，使得內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；
同時(shí)為了避免汽油機(jī)在工作時(shí)溫度升得太高，在設(shè)計(jì)制造時(shí)，汽缸外有一個(gè)水套，讓汽缸被水包圍著，即通過水吸收熱量而使得氣缸溫度降低，這是通過熱傳遞的方式改變內(nèi)能的；在這里我們之所以選擇用水作為冷卻劑，源于水的比熱容最大，即相同質(zhì)量的水和其他的液體相比較時(shí)，若都是升高1℃時(shí)，水能吸收的熱量最多，故用水冷卻效果最好；
（2）汽油的熱值為4.6×10⁷J/kg，完全燃燒0.2kg的汽油產(chǎn)生的熱量：
Q_放=mq=0.2kg×4.6×10⁷J/kg=9.2×10⁶J；
由圖可知，有用功的能量：100%-33%-30%-7%=30%，
所以機(jī)械效率為η=30%；
因此產(chǎn)生的有用功：W=Q_放×30%=9.2×10⁶J×30%=2.76×10⁶J；
（3）由題知：汽車做功W=Fs=ηQ_放=ηmq，所以s=$\frac{ηqm}{F}$；
（4）根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)圖中先畫點(diǎn)，再描線，注意橫坐標(biāo)準(zhǔn)速度的平方，縱坐標(biāo)為距離．如圖所示：

根據(jù)表中數(shù)據(jù)和圖象反映的規(guī)律可知，s=$\frac{{v}^{2}}{8}$；當(dāng)轎車速度為16m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的制動(dòng)距離約是32m．
故答案為：（1）做功；熱傳遞；比熱容；（2）9.2×10⁶； 2.76×10⁶；（3）$\frac{ηqm}{F}$；（4）$\frac{{v}^{2}}{8}$；32．

點(diǎn)評(píng) 本題以太陽能汽車為背景中，考查了多個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)，包括能量的轉(zhuǎn)化、效率的公式、功率的公式等，同時(shí)還考查了我們對(duì)圖象的處理能力，綜合性很強(qiáng)，有一定的難度，值得我們關(guān)注．本題以汽車為切入點(diǎn)綜合考查力學(xué)、熱學(xué)相關(guān)知識(shí)，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、正確選用所學(xué)公式是解題的關(guān)鍵，屬于難題．