【本讲教育信息】

一. 教学内容：

机械能与内能的相互转化

二. 教学重点、难点：

　1、做功改变物体的内能；机械能和内能的相互转化

　2、热机及其种类和工作原理

　3、热值的概念、单位、计算公式及简单的热值计算。

三. 主要知识点：

1. 做功改变物体的内能，对物体做多少功就有多少能转化为内能；物体对外做功，内能减少，做了多少功，内能就减少多少。

2. 热机：是将燃料燃烧所产生的高温高压的燃气的内能转变为机械能的装置

A. 汽油机：a.构造

b. 工作过程：一个工作循环包括：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程

吸气冲程、　　　　　压缩冲程、　　 　　做功冲程、　　　　　排气冲程

能的转化情况：吸气冲程，没有能的转化；压缩冲程使机械能转化为内能；使混合气的温度升高的是做功冲程；内能转化成机械能对外做功的是排气冲程。

3. 燃料的热值；

A. 物理意义：表示燃料燃烧时放热本领的物理量，每种燃料都有自己的热值。

B. 定义：1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值。用符号q表示。

C. 单位：J/kg，如酒精的热值是3.0×10⁷J/kg，表示质量为1kg的酒精完全燃烧时所放出的热量是3.0×10⁷J。

D. 计算公式：Q_放＝qm

【典型例题】

例1. 在下列过程中，由于做功而使物体内能增加的是（　　 ）

A. 把铁丝反复弯曲，弯曲处变热。

B. 用酒精灯对烧杯中的水加热。

C. 把钢球放入炉火中烧一段时间。

D. 烧开水时，蒸气将壶盖顶起。

分析：本题考查做功和物体内能变化的关系。要点和分析如下：

1. 要求物体的内能“增加”。选项D为蒸气对壶盖做功后，内能减少，不符合题意

2. 增加物体内能的方法必须是对物体“做功”。选项B、C使用的方法均为热传递，不合要求

解答：正确选项是A。

说明：改变物体的内能的两种方式：做功和热传递，在进行相关的判断时，一要看是否有力，二要看该力是否做功；还要看是否发生了热传递。

例2. 用比热是0.13×10³焦/（千克℃）的铅与比热是0.22×10³焦/（千克℃）的锡混合成比热为0.18×10³焦/（千克℃）的混合金属，铅与锡的质量配合之比为______。

分析：本题考查求解混合物比热的能力。

根据定义，比热这一特性只有在“物体吸收或放出热量，发生温度变化”的过程中才能表现出来。本题的困难在于并不存在上述过程。解决这一问题的方法为----虚拟两个过程：设铅和锡的质量分别为m_铅和m_锡，比热分别为c_铅和c_锡，混合后的比热为c_混。

第一个过程两者温度各自升高Δt，吸热分别为Q_铅和Q_锡；第二个过程成为混合金属后，温度仍然升高Δt，共吸热Q_总。根据能量守恒，有

Q_铅+Q_锡＝Q_总

两边展开

c_铅m_铅Δt+ c_锡m_锡Δt＝ c_混（m_铅+m_锡）Δt

带入数据后，解得

m_铅/m_锡＝4/5

解答：4：5

小结：本题所采用的方法——“虚拟过程”法，能够轻松地打开许多“死结”，堪称物理学解题的一项“独门绝技”！值得下气力去学习、掌握。

例3. 在四冲程内燃机工作的一个工作循环中，存在着机械能转化为内能的过程，也存在着内能转化为机械能的过程，这两个能量转化的过程存在于（　　 ）

A. 吸气冲程和压缩冲程 B. 压缩冲程和做功冲程

C. 做功冲程和排气冲程 D. 吸气冲程和排气冲程

分析：本题考查对于四冲程内燃机工作过程的了解。

首先要明确：使用内燃机的目的，是“利用燃烧燃料做功，让内能转化为机械能”----这一过程发生在做功冲程，这样，不包含做功冲程的选项A和选项D就被一举排除

----“四选一”变成了（从选项B和选项C中）“二选一”。其次要理解：内燃机为什么需要存在“机械能转化为内能”的过程?（从表面看起来，这是和使用内燃机的目的----内能转化为机械能----背道而驰的）。原来，做功冲程把内能转化为机械能的效率，取决于燃烧室（气缸）的温度，温度越高，转化效率越高。“提高燃烧室的温度，以提高内燃机效率”，这就是在做功冲程之前，插入一个（对气缸内的气体压缩做功的）压缩冲程的目的。弄清了这一点，问题便迎刃而解----应该选B。

解答：B

说明：学物理，不“悟理”不行。不但要“知其然”，还要“知其所以然”。对于选择题，“排错”（排除错误）＋“择优”是事半功倍的好方法

例4. 太阳光垂直照射到地面，在每平方米的面积上，平均每分钟能得到8.4×10⁴焦耳的热量，如果我们能利用太阳光热的10%，那么在面积为50米²的屋顶上可以利用的太阳热的功率为______千瓦。

分析：本题为效率与功率的综合题。可分步求解如下：

1. 在屋顶上每分钟能得到的热量

Q_总＝n Q₀＝50×8.4×10⁴焦耳＝4.2×10⁶焦耳

2. 其中我们能利用的热量

Q_有用＝ηQ_总＝0.1×4.2×10⁶焦耳＝4.2×10⁵焦耳

3. 在屋顶上可以利用的太阳热的功率

P＝ Q_有用/t＝（4.2×10⁵焦耳）/60秒＝7×10³瓦特＝7千瓦

解答：7

说明：本题上述解法，思路是“已知→所求”，这种方法叫做“综合法”；也可以反过来，“所求→已知”。这种方法叫做“分析法”。本题若用“分析法”求解，则为

P＝ Q_有用/t＝（ηQ_总） /t＝（ηn Q₀） /t

＝（0.1×50×8.4×10⁴焦耳）/60秒

＝ 7×10³瓦特＝7千瓦

【模拟试题】（答题时间：60分钟）

一、选择题（每题2分，共计26分）

1. 2003年10月15日，我国成功发射“神舟五号”载人飞船，飞船随火箭一起离开发射塔飞向太空的过程如图所示，下列表述错误的是 （ ）

A. 飞船受到平衡力的作用

B. 推力对飞船做了功

C. 飞船的动能和势能不断增加

D. 燃料的化学能最终转化为火箭的机械能

2. 下列现象中，利用内能做功的是 （　）

A. 冬天在户外时两手相搓一会儿就暖和

B. 车刀在砂轮的高速摩擦之下溅出火花

C. 在烈日之下柏油路面被晒熔化了

D. 火箭在“熊熊烈火”的喷射中冲天而起

3. 2003年12月30日，我国成功地将“探测一号”卫星送入了绕地球的椭圆轨道。卫星在轨道上运行的过程中 （ ）

A. 只有动能转化成势能 B. 只有势能转化成动能

C. 动能和势能不断地相互转化 D. 动能和势能各自保持不变

4. 已知铝、铁、铜的比热依次减小，它们的初温和质量都相等，吸收相等的热量，最后的温度是 （ ）

A. 铝的温度高 B. 铁的温度高

C. 铜的温度高 D. 铝、铁、铜的温度都相同

5. 下列关于温度、内能、热量和做功的说法中正确的是 （ ）

A. 物体吸热，温度一定升高

B. 一个物体的温度升高，一定是外界对物体做功

C. 某一铁块，温度降低，内能一定减小

D. 温度高的物体把温度传给温度低的物体

6. 一物体沿粗糙的斜面匀速下滑的过程中 （ ）

A. 物体的动能转化为重力势能 B. 物体的重力势能转化为动能

C. 物体的机械能保持不变 D. 物体的机械能转化为内能

7. 在研究物体放出热量多少跟物质种类是否有关的实验中，提供的材料为：（1）0.1㎏的铜块；（2）0.1㎏的铝块；（3）0.2㎏的铜块；（4）0.3㎏的铝块。应选用的材料是 （ ）

A. （1）与（2）。 B. （1）与（3）。

C. （2）与（4）。 D. （3）与（4）。

8. 有关能的转化的讨论，给出的说法正确的是 （ ）

A. 用加压的方法使石油气体液化时，液化石油气的内能减少

B. 太阳能热水器工作时，实现了光能向内能的转化

C. 给自行车打气，过一会儿气筒壁发热，说明做功可以产生温度

D. 水沸腾时，水蒸气把壶盖顶起来，是水能转化为内能的现象

9. 内燃机在做功冲程中，高温气体迅速膨胀而做功，此时这些气体的温度和内能变化的情况是 （ ）

A. 内能减少，温度降低 B. 内能增加，温度升高

C. 内能减少，温度升高 D. 内能增加，温度降低

10. 如图所示把凉牛奶放在热水中加热，经过一段较长的时间，它们的温度随时间变化的图像如图所示，下列说法中正确的是 （ ）

A. 水和牛奶最后温度相同

B. 水的温度变化比牛奶大

C. 牛奶温度变化比水慢

D. 甲是牛奶温度变化的图像

11. 一箱子货物在一对平衡力的作用下运动，则下列说法中正确的是 （ ）

A. 该箱子的机械能一定不变，动能一定不变

B. 该箱子的机械能可能改变，动能一定不变

C. 该箱子的机械能可能改变，动能可能改变

D. 该箱子的机械能一定不变，动能可能改变

12. 甲、乙两个完全相同的皮球，在同一水平面上以大小相等的速度，同时将甲球竖直向上抛出、将乙球竖直向下抛出，两球在地面上反复弹跳。运动中不计空气阻力，与地面碰撞时不计能量损失。则下列说法正确的是（ ）

A. 球在空中下降时，重力势能减小，动能增大

B. 抛出时刻，甲球的动能大于乙球的动能

C. 任何时刻，两球的机械能都相等

D. 甲球的最大重力势能大于乙球的最大重力势能

13. 如图所示为内燃机工作时的某冲程示意图，该冲程是（ ）

A. 吸气冲程 B. 压缩冲程 C. 做功冲程 D. 排气冲程

二、填空题（22分）

14. 西气东输主干线西起塔里木盆地的轮南油气田，向东途经九个省区，最终到达上海，总计年输送天然气1.2×10¹⁰m³，即年输气质量为_____㎏。若这些天然气完全燃烧放出的热量是_______J。（管道内天然气密度为6㎏/m³，天然气的热值是5×10⁷J/㎏）

15. 近年来我市城市建设突飞猛进，但也给环境带来了负面影响，“热岛效应”越来越明显。我市某中学“环境研究小组”经过调查研究，结合所学的物理知识，提出了一个“人工湖缓解热岛效应方案”。若该湖设计蓄水总体积为1.0×10⁴m³，水面面积为4.2×10³m²。在夏季每天高温时段，湖面从周围环境的吸热能力为2×10⁷J/m²。在这一时段，湖水温度平均升高__________℃。

16. 做功和热传递都可以改变物体的内能。给自行车轮胎打气的气筒连续使用一段时间就会发热，这是由于 使气筒的内能 （第二空选填“减少”或“增加”）。

17. 一杯水变凉了，它的内能 ，比热容 （选填“增大”、“减少”或“不变”）。

18. 某人用力推车，车仍然静止。则人做的功等于 J。竖直上抛的小球在上升过程中，将动能逐渐转化为 能（不计空气阻力）。

19. 随着人们生活水平的提高。轿车已逐步进入我国普通百姓家中。已知某国产轿车每行驶100km消耗8L汽油（1L＝10^-3m³），汽油的密度为0.71×10³kg/m³、热值为4.6×l0⁷J／kg．则

（1）10kg汽油完全燃烧时所产生的热量是_________J．

（2）该汽车行驶100km消耗的汽油的质量是________kg．

（3）当该汽车以50kW的功率在平直公路上以72km／h的速度匀速行驶时，它所受到的阻力等于________N．

20. 完全燃烧42g的焦炭可放出__________J的热量．若这些热量完全被水吸收，能使质量为20kg，初温为10℃的水温度升高到_____℃。 [焦炭的热值为3.0×10⁷J/（kg）]

21. 在保温瓶内倒入开水，但不倒满，上面还留有一些空间，内有空气，然后塞上木塞，过一会儿木塞被冲起．这个现象说明 对 做功，　　　 的内能转化成木塞的 能．

22. 下图表示撑杆跳高运动的几个阶段：助跑、撑杆起跳、越横杆。在这几个阶段中能量的转化情况是：

⑴助跑阶段，运动员消耗体内的化学能_________________ （选填“大于”、“小于”或“等于”）运动员和撑杆获得的动能。

⑵撑杆起跳阶段，运动员的______________能增加。

⑶运动员越过横杆后，运动员将_______________能转化为_________________能。

三、实验与探究题（26分）

23. 下表列出了由实验测定的几种物质的比热容。

几种物质的比热容[J／（kg·℃）]

水4.2×10^3	冰2.1×10^3	铝0.88×10^3	铜0.39×10^3
酒精2.4×10^3	蓖麻油1.8×10^3	干泥土0.84×10^3	水银0.14×10^3
煤油2.1×10^3	砂石0.92×10^3	铁、钢0.46×10^3	铅0.13×10^3

认真阅读上表，你一定能有所发现，请填出其中任意三条。（结论开放） （3分）

（1）

（2）

（3）

24. 如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务．图示是某轻轨车站的设计方案示意图，该图表明与站台前后连接的轨道都有一个小坡度．请你说明这种设计可以节能的理由．（2分）

25. 小军经常参加球类体育运动，在运动过程不同情况下球的触地反弹引起了他的注意，他决定和小宇一起探究这一现象，他们计划首先通过实验研究“竖直下落的球反弹的高度与什么有关”这一问题

（1）请你猜想一下，竖直下落的球反弹的高度可能与哪些因素有关？

答：因素1：_____________________________________________

因素2：_________________________________________________

（2）为了探索与“因素1”的关系，请你设计一个可操作的实验方案：

（3）在（2）的基础上，请列出相应的实验器材。

答：____________________________________________________________

（4）除了小军和小宇提出的问题外，你还可以对球的反弹提出一个什么探究问题（6分）

26. 太阳能热水器可直接利用吸收太阳光的热量来加热，它具有环保、节能的优点。对市场调查后不难发现，不同品牌的太阳能热水器的表面都是黑色的。难道物体吸热的本领与颜色有关?对此，我们可以猜想：颜色越深，物体吸热本领就越强。（5分）

（1）为了验证此猜想，现设计了如下实验步骤，请你补充完整：

①选用四个 的容器，分别涂上黑、红、黄、白四种颜色；

②在容器中加入温度和体积均相同的水，并同时放到阳光下照射，每隔15分钟，测量各容器中水的温度值；

③将测量的结果记录在事先准备好的表格中，进行分析论证。请设计并画出此表格。

（2）若上述猜想得到了证实，请以此为依据，分析企鹅背部的黑色羽毛对它生存有利的一面。

27. 2003年10月中旬，我国首次载人飞船“神舟五号”的成功发射和顺利回收，标志着我国载人航天技术的研究已进入世界领先行列。下列有关“神舟五号”发射和回收的问题，请用你所学的知识进行解释：（10分）

（1）此次所用运载火箭为“长征二号”捆绑式火箭，其燃料为液态氢，为什么火箭中用液态氢作燃料？

（2）飞船在太空中沿椭圆轨道绕地球飞行，从远地点向近地点运动时，其动能、重力势能及机械能、速度如何变化？（分别回答）

（3）飞船穿越大气层返回地球，在高空打开巨大的降落伞，在运动到地面附近匀速下落时，其动能、重力势能、机械能、内能如何变化？ （分别回答）

四、计算题（26分）

28. 某中学为学生供应开水，用锅炉将200㎏的水从25℃加热到100℃，燃烧了6㎏的无烟煤。［无烟煤的热值是3.4×10⁷J/㎏］试求：（12分）

（1）锅炉内200㎏的水吸收的热量是多少焦耳？

（2）6㎏无烟煤完全燃烧放出的热量是多少焦耳？

（3）此锅炉的效率是多少？

29. 单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为30cm²，一个冲程中活塞在气缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为9.0×l0⁵Pa，飞轮lmin转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），求：（10分）

（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力；

（2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功；

（3）汽油机的功率

30. 从50m高处落下一水滴，若重力对它所做功的80%转化为它的内能，若不计热量损失，则水滴落地后的温度会升高多少？（4分）

【试题答案】

一、选择题（每题2分，共计26分）

题号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
答案	D	D	C	C	C	D	A	B	A	A	B	A	D

8. （说明C产生的是能量而不是温度）　

11. （说明：C可能在竖直方向上运动）

13. （要注意气门的开关、活塞的运动情况）

二、填空题（22分）

14. 7.2×10¹⁰　3.6×10¹⁸ 　　　　

15. 吸收的总热量为：2×10⁷J/m²×4.2×10³m²　　升高的温度为：△t＝＝2℃

16. 做功　增加　　

17. 减少　不变　　

18. 0 重力势

19. （1）4.6×l0⁸J　　　（2）5.68　　（3）f＝＝2.5×10³N

20. 1.26×10⁶　25　

21. 蒸气　　木塞　　蒸气　内

22. ⑴大于　　⑵重力势 　　⑶重力势 　动 　

三、实验与探究题（26分）

23. （1）水的比热容最大

（2）液体的比热容一般都比固体的比热容大

（3）同一种物质的不同状态，比热容可能不同（如水和冰）

（4）不同的物质的比热容往往不同

24. 进站时，动能转化为重力势能；出站时，重力势能转化为动能。可以避免机械能转化为内能。节约能源

25. （1）下落的高度　　小球开始运动的速度　　小球的弹性　地面的材料等　

（2）略　　（注意用控制变量法）　　　（3）略　　　（4）略

26. （1）①形状和容积完全相同　　③略（注意记录观察时间和对应的测量温度）

（2）企鹅黑色的羽毛利于吸热

27. （1）液态的氢体积小、热值高、燃烧后无污染

（2）从远地点向近地点运动时，重力势能转化为动能，速度增加，高度降低，机械能总量保持不变

（3）飞船穿越大气层返回地球，在高空打开巨大的降落伞，在运动到地面附近匀速下落时，其动能不变、重力势能减小、机械能减小、内能增加。

四、计算题（26分）

28. （1）6.3×10⁷焦耳　　（2）2.04×10⁸焦耳　　　（3）30.88%

29. （1）F＝PS＝2700N

（2）135J

（3）2025W（1min转1800转，1秒钟转30转做了15次功）

30. mgh80%＝cm△t　　　△t＝0.95℃