IGCSE 物理 0625 Paper 4 練習卷：熱學、傳熱與比熱容（Extended 理論卷・100 分）

年級：中四至中五（IGCSE Year 10–11）　｜　科目：化學 0620　｜　時限：75 分鐘　｜　總分：100 分　｜　題數：31

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Paper	時間	分數	計算機
Paper 4（Extended，結構題）	1 小時 15 分	75	不可用

題目

第 1 題（16 分）　粒子模型與物質三態

(a) 描述固體、液體與氣體中粒子的排列方式及運動方式的差異。 （3 分）

(b) 用粒子模型解釋固體受熱時為何會膨脹。 （3 分）

(c) 說明溫度與氣體粒子平均動能的關係。 （2 分）

(d) 解釋氣體壓力如何由粒子的運動產生。 （3 分）

(e) 解釋液體難以壓縮、氣體容易壓縮的原因。 （2 分）

(f) 解釋氣體擴散比液體擴散快的原因。 （3 分）

第 2 題（17 分）　比熱容與加熱計算

(a) 說明比熱容的定義，並解釋 4200 J/(kg°C) 的意義。 （3 分）

(b) 某容器盛有 0.50 kg 水，水溫由 20 °C 升至 80 °C。水的比熱容為 4200 J/(kg°C)。計算水吸收的能量，並以 kJ 表示。 （4 分）

(c) 若用功率 1200 W 的加熱器加熱，假設無熱量散失，計算所需時間。 （3 分）

(d) 實際上電源供應的功率為 1500 W。計算電源提供的總能量，以及該加熱裝置的效率。 （4 分）

(e) 解釋海邊日間氣溫一般比內陸低的原因。 （3 分）

第 3 題（17 分）　熔化、潛熱與冷卻曲線

(a) 解釋冰在熔化過程中持續吸熱，但溫度保持不變的原因。 （3 分）

(b) 質量 0.20 kg、溫度 0 °C 的冰完全熔化成 0 °C 的水。冰的熔解比潛熱為 334000 J/kg。計算所需的能量。 （4 分）

(c) 用功率 1200 W 的加熱器供應上述能量，假設無熱量散失，計算完全熔化的時間。 （3 分）

(d) 解釋為何 0 °C 的冰敷在皮膚上，降溫效果比同質量 0 °C 的水更好。 （4 分）

(e) 描述加熱冰至水蒸氣過程的溫度－時間圖，並指出兩個平台段的意義。 （3 分）

第 4 題（17 分）　傳導、對流與輻射

(a) 比較傳導、對流與輻射三種傳熱方式，指出哪些需要介質。 （3 分）

(b) 一塊玻璃的導熱係數為 0.50 W/(m·K)，面積 0.020 m²，厚度 0.010 m，內外溫差 20 °C。以 Q/t = kAΔT/d 計算每秒通過玻璃的熱量。 （4 分）

(c) 解釋雙層玻璃窗如何減少房屋的熱量散失。 （3 分）

(d) 解釋水壺底部加熱時，水如何以對流形成循環。 （4 分）

(e) 說明為何深色表面吸收輻射較多，並舉出一個日常應用。 （3 分）

第 5 題（16 分）　熱平衡與熱脹冷縮

(a) 0.30 kg、90 °C 的水與 0.20 kg、20 °C 的水混合。假設無熱量散失，計算混合後的最終溫度。 （4 分）

(b) 實驗中量得的最終溫度通常略低於計算值。解釋原因。 （3 分）

(c) 2.0 L 的水升溫 10 °C。水的體脹係數為 2.1×10⁻⁴ /°C。計算體積的增加量（以 cm³ 表示）。 （3 分）

(d) 說明為什麼熱水管要每隔一段距離加裝伸縮接頭。 （3 分）

(e) 說明使用溫度計時為何要等待讀數穩定才讀取。 （3 分）

第 6 題（17 分）　氣體定律、能源效率與成本

(a) 汽車輪胎在 290 K 時氣壓為 200 kPa。行車後輪胎內氣體溫度升至 310 K，體積不變。計算新的氣壓。 （4 分）

(b) 把 126000 J 的能量換算為 kWh。（1 kWh = 3.6×10⁶ J） （3 分）

(c) 若電費為每 kWh $1.20，計算上述能量的電費。 （3 分）

(d) 房屋原本每秒散失 250 J 能量，加裝隔熱層後散失量減少 60%。計算加裝後每秒的散失量，並說明兩項好處。 （4 分）

(e) 提出兩個減少家居能源消耗的方法，並各說明其原理。 （3 分）

答案及評分準則

第 1 題　粒子模型與物質三態

(a) 固體粒子排列緊密而有序，只在固定位置振動（1 分）；液體粒子排列較鬆散，可互相滑動（1 分）；氣體粒子相距很遠，以高速隨機運動（1 分）。 ［3 分］

(b) 加熱令粒子吸收能量（1 分）；粒子振動幅度增大，平均間距增加（1 分）；因此整體體積增大（1 分）。 ［3 分］

(c) 溫度是粒子平均動能的量度（1 分）；溫度越高，粒子平均動能越大（1 分）。 ［2 分］

(d) 粒子不斷隨機運動並撞擊容器壁（1 分）；每次撞擊對器壁施加力（1 分）；大量撞擊的平均效果形成壓力（1 分）。 ［3 分］

(e) 液體粒子之間空隙很小，因此難以再壓近（1 分）；氣體粒子之間空隙很大，加壓時可大幅縮小（1 分）。 ［2 分］

(f) 氣體粒子運動速率較高（1 分）；氣體粒子間空隙較大，粒子可自由通過（1 分）；因此氣體中粒子混合較快（1 分）。 ［3 分］

第 2 題　比熱容與加熱計算

(a) 比熱容是把 1 kg 物質升溫 1 °C 所需的能量（1 分）；水的比熱容為 4200 J/(kg°C)（1 分）；即 1 kg 水升溫 1 °C 需吸收 4200 J 能量（1 分）。 ［3 分］

(b) 溫升 = 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 × 時間（1 分）；時間 = 126000 ÷ 1200（1 分）；= 105 s（1 分）。 ［3 分］

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

(e) 水的比熱容比陸地大（1 分）；吸收相同能量時水升溫較少（1 分）；海風把較涼的空氣帶到岸邊，因此日間沿岸氣溫較低（1 分）。 ［3 分］

第 3 題　熔化、潛熱與冷卻曲線

(a) 吸收的能量用於破壞粒子間的鍵合（1 分）；粒子由規則排列變成可滑動的排列（1 分）；能量成為潛熱而非動能，所以溫度不變（1 分）。 ［3 分］

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

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

(d) 冰熔化時需吸收熔解潛熱（1 分）；能量取自皮膚，令皮膚溫度下降（1 分）；熔化後的水仍可再吸收能量升溫（1 分）；因此總吸熱量較大，降溫效果較好（1 分）。 ［4 分］

(e) 溫度先上升至 0 °C 出現第一個平台，代表冰熔化（1 分）；再上升至 100 °C 出現第二個平台，代表水沸騰（1 分）；平台段表示物態改變時溫度不變（1 分）。 ［3 分］

第 4 題　傳導、對流與輻射

(a) 傳導需要粒子振動傳遞能量，主要在固體中發生（1 分）；對流靠流體粒子的流動，需要液體或氣體（1 分）；輻射以電磁波傳遞，不需要介質，可在真空中進行（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) 兩層玻璃之間的空間密封有空氣（1 分）；空氣是較差的導熱體，傳導較慢（1 分）；密封空間阻止空氣流動，抑制對流（1 分）。 ［3 分］

(d) 底部的水受熱膨脹，密度減小（1 分）；較輕的水上升，較冷的水下沉補充（1 分）；形成對流循環，把能量帶到整壺水（1 分）；水的對流需要重力，在無重力環境不會自然形成（1 分）。 ［4 分］

(e) 深色表面吸收較多入射輻射，反射較少（1 分）；吸收的輻射轉為內能令表面升溫（1 分）；應用例子：太陽能熱水器的吸熱板漆成黑色以吸收更多能量（1 分）。 ［3 分］

第 5 題　熱平衡與熱脹冷縮

(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) 部分熱量散失到周圍空氣及容器（1 分）；容器本身亦吸收部分能量（1 分）；因此水實際獲得的能量較少，最終溫度較低（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) 金屬管受熱會膨脹伸長（1 分）；若管道被固定，膨脹會產生很大的應力，可能令管道彎曲或破裂（1 分）；伸縮接頭可吸收長度變化，避免損壞（1 分）。 ［3 分］

(e) 溫度計需要時間與被測物體達到熱平衡（1 分）；未達熱平衡時讀數仍在變化（1 分）；讀數穩定表示兩者溫度相同，量度才準確（1 分）。 ［3 分］

第 6 題　氣體定律、能源效率與成本

(a) 體積不變時壓力與絕對溫度成正比（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) 電費 = 能量 × 單價（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）；好處：減少暖氣用量而節省金錢，並減少燃燒燃料造成的碳排放（1 分）。 ［4 分］

(e) 使用 LED 燈：把較多電能轉為光能而非熱能，效率較高（1 分）；加厚屋頂隔熱層：減少傳導與對流的熱量散失（1 分）；兩者都能減少所需輸入能量（1 分）。 ［3 分］

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