IGCSE 物理 0625 Paper 4 练习卷：热学、传热与比热容（Extended 理论卷・100 分）

年级：中四至中五（IGCSE Year 10–11）　｜　科目：化学 0620　｜　时限：75 分钟　｜　总分：100 分　｜　题数：31

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Paper	时间	分数	计算机
Paper 4（Extended，结构题）	1 小时 15 分	75	不可用

题目

第 1 题（16 分）　粒子模型与物质三态

(a) 描述固体、液体与气体中粒子的排列方式及运动方式的差异。 （3 分）

(b) 用粒子模型解释固体受热时为何会膨胀。 （3 分）

(c) 说明温度与气体粒子平均动能的关系。 （2 分）

(d) 解释气体压力如何由粒子的运动产生。 （3 分）

(e) 解释液体难以压缩、气体容易压缩的原因。 （2 分）

(f) 解释气体扩散比液体扩散快的原因。 （3 分）

第 2 题（17 分）　比热容与加热计算

(a) 说明比热容的定义，并解释 4200 J/(kg°C) 的意义。 （3 分）

(b) 某容器盛有 0.50 kg 水，水温由 20 °C 升至 80 °C。水的比热容为 4200 J/(kg°C)。计算水吸收的能量，并以 kJ 表示。 （4 分）

(c) 若用功率 1200 W 的加热器加热，假设无热量散失，计算所需时间。 （3 分）

(d) 实际上电源供应的功率为 1500 W。计算电源提供的总能量，以及该加热装置的效率。 （4 分）

(e) 解释海边日间气温一般比内陆低的原因。 （3 分）

第 3 题（17 分）　熔化、潜热与冷却曲线

(a) 解释冰在熔化过程中持续吸热，但温度保持不变的原因。 （3 分）

(b) 质量 0.20 kg、温度 0 °C 的冰完全熔化成 0 °C 的水。冰的熔解比潜热为 334000 J/kg。计算所需的能量。 （4 分）

(c) 用功率 1200 W 的加热器供应上述能量，假设无热量散失，计算完全熔化的时间。 （3 分）

(d) 解释为何 0 °C 的冰敷在皮肤上，降温效果比同质量 0 °C 的水更好。 （4 分）

(e) 描述加热冰至水蒸气过程的温度－时间图，并指出两个平台段的意义。 （3 分）

第 4 题（17 分）　传导、对流与辐射

(a) 比较传导、对流与辐射三种传热方式，指出哪些需要介质。 （3 分）

(b) 一块玻璃的导热系数为 0.50 W/(m·K)，面积 0.020 m²，厚度 0.010 m，内外温差 20 °C。以 Q/t = kAΔT/d 计算每秒通过玻璃的热量。 （4 分）

(c) 解释双层玻璃窗如何减少房屋的热量散失。 （3 分）

(d) 解释水壶底部加热时，水如何以对流形成循环。 （4 分）

(e) 说明为何深色表面吸收辐射较多，并举出一个日常应用。 （3 分）

第 5 题（16 分）　热平衡与热胀冷缩

(a) 0.30 kg、90 °C 的水与 0.20 kg、20 °C 的水混合。假设无热量散失，计算混合后的最终温度。 （4 分）

(b) 实验中量得的最终温度通常略低于计算值。解释原因。 （3 分）

(c) 2.0 L 的水升温 10 °C。水的体胀系数为 2.1×10⁻⁴ /°C。计算体积的增加量（以 cm³ 表示）。 （3 分）

(d) 说明为什么热水管要每隔一段距离加装伸缩接头。 （3 分）

(e) 说明使用温度计时为何要等待读数稳定才读取。 （3 分）

第 6 题（17 分）　气体定律、能源效率与成本

(a) 汽车轮胎在 290 K 时气压为 200 kPa。行车后轮胎内气体温度升至 310 K，体积不变。计算新的气压。 （4 分）

(b) 把 126000 J 的能量换算为 kWh。（1 kWh = 3.6×10⁶ J） （3 分）

(c) 若电费为每 kWh $1.20，计算上述能量的电费。 （3 分）

(d) 房屋原本每秒散失 250 J 能量，加装隔热层后散失量减少 60%。计算加装后每秒的散失量，并说明两项好处。 （4 分）

(e) 提出两个减少家居能源消耗的方法，并各说明其原理。 （3 分）

答案及评分准则

第 1 题　粒子模型与物质三态

(a) 固体粒子排列紧密而有序，只在固定位置振动（1 分）；液体粒子排列较松散，可互相滑动（1 分）；气体粒子相距很远，以高速随机运动（1 分）。 ［3 分］

(b) 加热令粒子吸收能量（1 分）；粒子振动幅度增大，平均间距增加（1 分）；因此整体体积增大（1 分）。 ［3 分］

(c) 温度是粒子平均动能的量度（1 分）；温度越高，粒子平均动能越大（1 分）。 ［2 分］

(d) 粒子不断随机运动并撞击容器壁（1 分）；每次撞击对器壁施加力（1 分）；大量撞击的平均效果形成压力（1 分）。 ［3 分］

(e) 液体粒子之间空隙很小，因此难以再压近（1 分）；气体粒子之间空隙很大，加压时可大幅缩小（1 分）。 ［2 分］

(f) 气体粒子运动速率较高（1 分）；气体粒子间空隙较大，粒子可自由通过（1 分）；因此气体中粒子混合较快（1 分）。 ［3 分］

第 2 题　比热容与加热计算

(a) 比热容是把 1 kg 物质升温 1 °C 所需的能量（1 分）；水的比热容为 4200 J/(kg°C)（1 分）；即 1 kg 水升温 1 °C 需吸收 4200 J 能量（1 分）。 ［3 分］

(b) 温升 = 80 − 20 = 60 °C（1 分）；能量 = m c ΔT = 0.50 × 4200 × 60（1 分）；= 126000 J（1 分）；= 126 kJ（1 分）。 ［4 分］

(c) 能量 = 功率 × 时间（1 分）；时间 = 126000 ÷ 1200（1 分）；= 105 s（1 分）。 ［3 分］

(d) 总能量 = 1500 × 105 = 157500 J（1 分）；效率 = 有用能量 ÷ 总能量（1 分）；= 126000 ÷ 157500（1 分）；= 80%（1 分）。 ［4 分］

(e) 水的比热容比陆地大（1 分）；吸收相同能量时水升温较少（1 分）；海风把较凉的空气带到岸边，因此日间沿岸气温较低（1 分）。 ［3 分］

第 3 题　熔化、潜热与冷却曲线

(a) 吸收的能量用于破坏粒子间的键合（1 分）；粒子由规则排列变成可滑动的排列（1 分）；能量成为潜热而非动能，所以温度不变（1 分）。 ［3 分］

(b) 能量 = m × L（1 分）；= 0.20 × 334000（1 分）；= 66800 J（2 分）。 ［4 分］

(c) 时间 = 能量 ÷ 功率（1 分）；= 66800 ÷ 1200（1 分）；= 55.7 s（1 分）。 ［3 分］

(d) 冰熔化时需吸收熔解潜热（1 分）；能量取自皮肤，令皮肤温度下降（1 分）；熔化后的水仍可再吸收能量升温（1 分）；因此总吸热量较大，降温效果较好（1 分）。 ［4 分］

(e) 温度先上升至 0 °C 出现第一个平台，代表冰熔化（1 分）；再上升至 100 °C 出现第二个平台，代表水沸腾（1 分）；平台段表示物态改变时温度不变（1 分）。 ［3 分］

第 4 题　传导、对流与辐射

(a) 传导需要粒子振动传递能量，主要在固体中发生（1 分）；对流靠流体粒子的流动，需要液体或气体（1 分）；辐射以电磁波传递，不需要介质，可在真空中进行（1 分）。 ［3 分］

(b) 代入公式：0.50 × 0.020 × 20 ÷ 0.010（2 分）；= 20 W（2 分）。 ［4 分］

(c) 两层玻璃之间的空间密封有空气（1 分）；空气是较差的导热体，传导较慢（1 分）；密封空间阻止空气流动，抑制对流（1 分）。 ［3 分］

(d) 底部的水受热膨胀，密度减小（1 分）；较轻的水上升，较冷的水下沉补充（1 分）；形成对流循环，把能量带到整壶水（1 分）；水的对流需要重力，在无重力环境不会自然形成（1 分）。 ［4 分］

(e) 深色表面吸收较多入射辐射，反射较少（1 分）；吸收的辐射转为内能令表面升温（1 分）；应用例子：太阳能热水器的吸热板漆成黑色以吸收更多能量（1 分）。 ［3 分］

第 5 题　热平衡与热胀冷缩

(a) 放出的能量 = 吸收的能量（1 分）；m1(T1 − T) = m2(T − T2)（1 分）；0.30 × (90 − T) = 0.20 × (T − 20)（1 分）；解得 T = 62.0 °C（1 分）。 ［4 分］

(b) 部分热量散失到周围空气及容器（1 分）；容器本身亦吸收部分能量（1 分）；因此水实际获得的能量较少，最终温度较低（1 分）。 ［3 分］

(c) ΔV = V β ΔT（1 分）；= 2.0 × 2.1×10⁻⁴ × 10 = 4.2×10⁻³ L（1 分）；= 4.2 cm³（1 分）。 ［3 分］

(d) 金属管受热会膨胀伸长（1 分）；若管道被固定，膨胀会产生很大的应力，可能令管道弯曲或破裂（1 分）；伸缩接头可吸收长度变化，避免损坏（1 分）。 ［3 分］

(e) 温度计需要时间与被测物体达到热平衡（1 分）；未达热平衡时读数仍在变化（1 分）；读数稳定表示两者温度相同，量度才准确（1 分）。 ［3 分］

第 6 题　气体定律、能源效率与成本

(a) 体积不变时压力与绝对温度成正比（1 分）；p2 = p1 × T2 ÷ T1（1 分）；= 200 × 310 ÷ 290（1 分）；= 213.8 kPa（1 分）。 ［4 分］

(b) kWh = 126000 ÷ 3.6×10⁶（2 分）；= 0.035 kWh（1 分）。 ［3 分］

(c) 电费 = 能量 × 单价（1 分）；= 0.035 × 1.20（1 分）；= $0.042（1 分）。 ［3 分］

(d) 新散失量 = 250 × (1 − 0.60)（2 分）；= 100 J/s（1 分）；好处：减少暖气用量而节省金钱，并减少燃烧燃料造成的碳排放（1 分）。 ［4 分］

(e) 使用 LED 灯：把较多电能转为光能而非热能，效率较高（1 分）；加厚屋顶隔热层：减少传导与对流的热量散失（1 分）；两者都能减少所需输入能量（1 分）。 ［3 分］

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