第十二章 机械能和内能.docx
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第十二章机械能和内能
第十二章机械能和内能
【知识梳理】
1．机械能
A.能
a.定义
在物理学中，把物体做功的本领叫做能．
物体能做多少功，它就具有多少能．具有能的物体不一定做功．能是一个状态量．
b．单位
在国际单位制中，能的单位与功的单位一样是焦耳．
B.机械能
a.动能
i．定义
物体由于运动而具有的能叫做动能．
ii．决定因素
质量和速度．运动的物体速度越大，质量越大，它具有的动能就越多．
式中的υ是相对速度，一般以地面为参照物．
b．重力势能
i．定义
物体由于被举高而具有的能叫做重力势能．
ii．决定因素
质量和高度．物体被举得越高，质量越大，它具有的重力势能就越多．
Ep=mgh．式中的h是相对高度，一般从地面竖直向上量．
c.弹性势能
i．定义
物体由于发生弹性形变（外力撤消后完全恢复原来形状的形变）而具有的能叫做弹性势能．
ii．决定因素
弹性强弱和形变大小．弹性物体的弹性越强，形变越大，它具有的弹性势能就越多．
d．机械能
动能和势能统称为机械能．
某物体在某状态下所具有的机械能，等于该状态下该物体所具有的动能和势能之和．
e.机械能的转化和守恒
物体的动能和势能可以相互转化，在转化的过程中，若没有摩擦等阻力，机械能的总量保持不变；若有摩擦等阻力，机械能的总量减少．
2．内能
A.定义
物体内部大量分子的无规则运动叫做热运动．
物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能．
严格地说，内能还应包括分子内部所具有的能，比如核能．
B.决定因素
物体的质量、温度、体积、物态、物质种类等．
说明：
内能与机械能的区别．
内能与机械能是两种不同形式的能，它们的决定因素不同：
内能的决定因素如上所述，机械能是指整个物体所具有的动能和势能的总和，它由物体的质量、速度、高度（或形变）等因素决定．内能和机械能两者互不包含：
一个物体在某一状态下可能同时具有机械能和内能，也可能机械能为零，但内能一定不为零．
C.改变物体内能的两种方式一热传递和做功
a.热传递
只要物体间或同一物体的不同部分间存在着温度差，就会发生热传递．热从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传到低温部分，直到温度相等（热平衡）时为止．
热传递的三种方式：
i．传导
热从物体的高温部分沿着物体传到低温部分叫做传导．它的特征是热沿着物体传递，而传导热的物体本身并没有发生流动．固体中的热传递以传导方式为主．
善于传导热的物质叫做热的良导体，如各种金属，其中最善于传导热的是银，其次是铜和铝．不善于传导热的物质叫做热的不良导体，如瓷、纸、木头、玻璃、皮革、棉花、石棉等，液体（除水银外）都不善于传导热，气体比液体更不善于传导热．
ii．对流
靠液体或气体的流动来传递热的方式叫做对流．它的特征是靠物质的流动来传热，因此对流是液体和气体特有的热传递方式．
当发生对流时，密度小的物质上升，密度大的物质下降，即只有在上部物质密度大于下部物质密度时才会产生对流．因此用对流的方式对物体加热时，热源应放在被加热物体的下方，而用致冷物对物体冷却时，应将致冷物置于被冷却物体的上方．
iii.辐射
热由物体以电磁波的形式直接向外射出去叫做辐射．它的特征是不需要介质，可在真空中进行．太阳的热就是通过辐射的方式传给地球的．
物体吸收（辐射）热的本领与它的温度高低、表面积大小和表面颜色深浅有关，物体温度越低（高）、表面积越大、表面颜色越深，越有利于吸收（辐射）热．
利用热传递的方式改变物体内能的实质是内能的转移，内能改变的多少可用传递的热量来量度．
在没有做功的条件下，物体放热，其内能减少；物体吸热，其内能增加．
b．做功
利用做功的方式改变物体内能的实质是内能和其他形式能的相互转化，内能改变的多少可用做功的多少来量度．
在不发生热传递的条件下，物体对外做功，其内能减少；外界对物体做功，其内能增加．
做功和热传递对改变物体的内能是等效的．
D．内能的利用
利用内能来直接加热物体和利用内能来做功．
3．热量
A.定义
在物理学中，把物体在热传递过程中放出或吸收能量的多少叫做热量．用字母Q表示．
热量是一个过程量．离开了热传递过程，说一个物体含有多少热量是没有意义的．
B.单位
在国际单位制中，热量的单位与功和能的单位相同，都是焦耳（J）．
C.物体状态未变、温度改变过程中的吸、放热
i．物体温度升高时吸收的热量
ii．物体温度降低时放出的热量
公式中的t表示物体的末温、t0表示物体的初温、△t表示物体温度的变化值．
由公式变形可得：
，对于混合物
D．物态变化过程中的吸、放热
i．熔化热与凝固热
单位质量的某种物质（晶体），在熔点时从固态完全熔化成同温度的液态时，所需要吸收的热量叫做这种物质的熔化热，用字母λ表示．
定义式：
在国际单位制中，熔化热的单位是焦／千克（J／kg）．
物质在凝固时要放出热量，这叫凝固热．在相同的热学状态下，同一物质的凝固热与熔化热相同．
ii．汽化热与液化热
单位质量的某种液体，完全变成同温度的气体时所需要吸收的热量，叫做这种物质的汽化热，用字母L表示．
定义式：
L=Q/m.
在国际单位制中，汽化热的单位是焦／千克（J／kg）．
物质在液化时要放出热量，这叫液化热．在相同的热学状态下，同一物质的液化热与汽化热相同．同种物质温度升高时，汽化热减小．
iii．升华热与凝华热
单位质量的固态物质升华时，所需要吸收的热量叫做这种物质的升华热．物质在凝华时要放出热量，这叫凝华热．在相同的热学状态下，同种物质的凝华热等于升华热，且等于相同条件下，它的汽化热和熔化热之和．
E热平衡方程
原来温度不同的物体，经过热传递而变得温度相同，即达到了热平衡状态．
高、低温物体组成的系统，在系统内进行热传递的过程中，若与外界不发生热交换，则Q放=Q吸；若与外界发生了热交换，则Q放=Q吸+Q损．
热平衡方程在整个热传递过程中的任一阶段都成立，并不是只有达到热平衡时才成立．其实质是能量守恒．
4．．燃料的热值
A.物理意义
热值是表示燃料燃烧时释放热量多少的物理量．
B.定义
单位质量（或单位体积）的某种燃料完全燃烧时所放出的热量叫做这种燃料的热值．用字母q表示．
热值是燃料的一种属性，它的大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量（或体积）、是否燃烧以及燃烧的程度均无关．
C.单位
在国际单位制中，固体和液体燃料热值的单位是焦／千克（J／kg），气体燃料热值的单位是焦／米3（J／m3）．
D．质量为m千克（或体积为V米3）的燃料完全燃烧放出的热量Q=qm或Q=qV
说明：
温度、内能、热量及它们之间的关系．
从微观角度看，温度反映了在某一状态下，物体内部分子做无规则运动的剧烈程度，一个物体的温度越高，它内部分子的无规则运动就越剧烈，温度是一个状态量．内能是物体内部所具有的能量，一切物体都具有内能，内能也是一个状态量．对于同一个物体，它的温度变化可以反映出其内能的变化：
温度升高，内能增大；温度降低，内能减小．但对于不同的物体，温度高的物体不一定比温度低的物体内能大，这是因为内能的大小不仅仅由温度决定．热量是在热传递过程中传递的内能的多少，它是一个过程量．在热传递过程中被传递的是热量而不是温度．当物体吸、放热时，其内能发生变化，但温度不一定改变，如晶体的熔化和凝固、液体的沸腾等过程．物体内能的改变不一定由热传递造成，因为改变物体内能的方式有两种：
做功和热传递．
5．热机
A.所有热机的共同特点
将燃料燃烧时获得的内能转化为机械能．
B．内燃机
i．定义
燃料直接在气缸内燃烧而推动活塞做功的热机叫做内燃机．
ii．工作原理
内燃机的一个工作循环由吸气、压缩、做功和排气四个冲程组成．活塞从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程．在压缩冲程中，机械能转化为内能；在做功冲程中，内能转化为机械能．在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，其余三个冲程叫做辅助冲程，都是依靠飞轮的惯性带动曲轴完成的．
在内燃机的一个工作循环中，活塞共来回两次，曲轴共转动两周．
C.热机的效率
i．能量损耗的原因
燃料不可能充分燃烧；热机部件散热损耗部分内能；克服机件之间的摩擦做功要损耗部分内能；废气带走部分内能．
ii．热机的效率
在热机里，用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧所获得的能量之比，叫做热机的效率．
式中
iii．提高热机效率的主要途径：
在热机的设计和制造上不断改进和革新，以减少各种能量损失；在使用时注意保养，例如加润滑剂以保证良好的润滑，以减小摩擦，合理调整运动零部件之间的间隙，以减小摩擦和防止漏气；充分利用废气带走的内能．
D．两种内燃机的不同点
机种
项目
汽油机
柴油机
构造
有火花塞，无喷油嘴
有喷油嘴，无火花塞
燃料
汽油
柴油
吸气冲程中吸进的物质
汽油和空气的燃料混合物
空气
压缩冲程末气缸内的温度
250～300℃
500～700℃
点火方式
点燃式
压燃式
做功冲程开始时燃气的压强
3×106～5×106Pa
5×106～107Pa
效率
20％～30％
28％～40％
主要用途
汽车、摩托车等
拖拉机、坦克、轮船、内燃机车、载重汽车等
柴油机的效率比汽油机的效率高的主要原因是：
在做功冲程中，柴油机气缸内燃气的压强较大．
E．环境保护
煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能，但同时也造成环境污染．污染环境主要有以下几个方面：
（1）燃烧生成有害气体；
（2）燃烧排放大量烟尘、废气；（3）内燃机的噪声．
保护环境的途径：
（1）改进燃烧设备；
（2）加消尘除尘装置；（3）集中供热，提高燃烧率；（4）普及推广气体燃料．
【典例剖析】
1.两个相同的篮球，表面潮湿，从不同高度自由落至同一地面，留下的印迹如图所示．关于初始时篮球的重力势能，下列说法正确的是（）
A.落在a处的大B.落在b处的大C.两个一样大D．无法比较大小
2.
如图所示，同一物体分别从三个不同斜面PA、PB、PC的顶端由静止滑下，已知物体在三个斜面上下滑时受到的摩擦力均为f（f>0）．当物体从斜面顶端P滑到底端A或B或C时，速度分别为υ1、υ2、υ3，则（）
D.不能确定
3.学生在做模拟“蹦极”的小实验（如图所示）．一根橡皮筋一端系一个小石块，另一端固定在a点，b点是橡皮筋不系小石块自然下垂时下端所在的位置，c点是小石块从a点自由下落所能到达的最低点，在小石块从a点到c点运动的过程中，以下说法正确的是
A.小石块动能一直在增加B.小石块减少的重力势能全部转化为动能
C.小石块经过b点时，橡皮筋具有弹性势能D.小石块到达c点时，动能为零
4.一个光滑圆管轨道固定在竖直平面内，AB是圆管的一条水平直径，如图所示，从A点以相同大小的速度同时向上、下抛出甲、乙两个小球，那么（）
A.甲先到B点B.乙先到B点C.两球同时到达B点D．无法确定哪个球先到达B点
5.
分析下列几种现象中温度变化的原因，其中一种与其他三种不同，它应该是（）
A.开啤酒盖瞬间，瓶口的二氧化碳气体温度会降低
B.化妆品或杀虫剂之类的自动喷剂，当喷了一会儿，罐身温度会降低
C.用打气筒打气了，过了一会儿就感到筒身发热
D．夏天，用嘴向手背快速吹气，会感到凉意
6.如图所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，
可以看到硝化棉燃烧起来，放手后活塞被弹起．
（1）活塞压缩筒内气体做功是将能转化能．
（2）请在题目中找一现象并简述原因．
现象：
；
原因：
．
7.
如图甲、乙分别是两种小型饮水锅炉的结构示意图，从节能角度看，你认为哪一种更合理?
请简要说明理由．
8.有一堆从河中捞出的湿砂子，测得其比热为l.2×103J／（kg·℃）．已知干砂子的比热为0.9×103J／（kg·℃），则按质量说，这堆砂子含水的百分比是多少?
9.质量和初温都相同的甲、乙两个物体，先把甲放在一杯冷水中，热平衡后水的温度升高了△t℃；把甲取出后再立即把乙放入此杯水中，热平衡后水温又升高了t℃．若忽略热损失，甲、乙两种物质的比热哪个大?
请加以论证说明．
10.
车型
某品牌轿车
测试道路
标准水平国道
测试距离
100km
测试速度
80km／h匀速行驶
整车质量
900kg
消耗汽油
9L
受到阻力
整车重的0.08倍
近年来，我国汽车工业发展迅猛，各种新型汽车不断投放市场．以下是我国某品牌轿车的测试报告．
（1）汽油的热值q=3.3×107J／L，燃料完全燃烧放出热量的公式是Q=qV，式中V表示燃料的体积．请计算该品牌轿车在测试过程中，汽油完全燃烧产生的内能转化为发动机牵引轿车前进的能量的效率．（g取10N／kg）
（2）近年来，我国部分省份开始推广使用乙醇汽油，乙醇汽油是由l0％体积的乙醇与90％体积的汽油混合而成，已知乙醇的热值q=2.4×107J／L，设混合后总体积不变，请计算乙醇汽油的热值为多少焦每升．
（3）乙醇，俗称酒精．推广使用乙醇汽油，有何积极意义?
（请写出一点）
11.
型号
8813
流量
330m3／h
扬程
12m
质量
111kg
效率
80％
有一台水泵的铭牌如附表所示：
（1）水泵连续正常工作5h，所做的有用功为多少焦？
（2）此水泵总功率是多少千瓦?
（3）如果该水泵的动力由一台柴油机提供，并假设柴油完全燃烧所释放的内能有40％转化为水泵轴的机械能，则每小时要消耗多少柴油?
（柴油热值3×107J／kg，g取10N／kg）
12.一单缸汽油机的飞轮每分钟转600r，设做功冲程中燃气对活塞的压强保持为5×105Pa不变，活塞行程为0.2m，活塞的面积为100cm2．求汽油机的功率．
13.
如图所示，东湖中学想用离心泵将湖中的水抽到C处的养鱼池中．要求在30min内至少向养鱼池输水120m3，学校领导将以下几个需要解决的问题交给了科技小组．
（1）A、B处各有一个平台，离心泵应放在什么位置，请说明理由．
（2）如果某型号离心式水泵的扬程为l5m，功率为l7kW，效率为0．6，试通过计算说明这台水泵是否满足东湖中学的需求?
（3）为了节约资金，有人提出全部采购比硬质管便宜、而且与水泵管径相符的软橡皮管配套使用，你认为是否可行，为什么?
并说出你的正确答案．
14.
型号
CWNG0.7-80／60-AⅡ
CWNG1.O5-80／60-AⅡ
CWNG1.4-80／60-AⅡ
功率／MW
（）
1.05
1.4
容水量／t
3
3.5
4
耗煤量／（kg·h－1）
145
（）
290
外型尺寸／m3
2.7×1.5×2
3．O×1.5×2.9
3.O×1.9×2.9
烟囱尺寸
φ300×15000
φ350×15000
φ400×15000
热效率／％
75
75
75
出水温度
80
80
80
回水温度
60
60
60
总重量／t
5
7.5
9
运行压力
常压
常压
常压
供暖面积／m2
6000
（）
12000
循环水量／（m3·h－1）
（）
45
60
下表是某锅炉厂生产的CWNG系列三种锅炉的主要技术参数表．
CWNG系列三种锅炉主要技术参数
`
已知水的比热容为4.2×103J／（kg·℃），假设三种锅炉的燃煤效率相同，且煤均可达到完全燃烧．
请根据上表回答以下问题：
（1）根据表格中的已知数据，请在表格中的四个（）内填上合适的数据．
（2）按表格中的出水温度和回水温度，计算CWNGl．05-80／60-AⅡ型锅炉每小时向住宅内释放的热量是多少．
（3）根据表格中已知数据计算燃煤的热值为多少．
15.
某学习小组的同学们为了探究物体的动能跟质量和速度的关系，他们用如图所示的装置进行实验．让钢球从斜面上由静止滚下，撞到一个在水平面上放置的小木块上，能将木块撞出一段距离，木块被撞的越远，表示钢球的动能越大．同学们进行了两组实验，第一组实验是将质量不同的钢球从斜面上同一高度滚下，得到的实验数据见表一．第二组实验是将质量相同的钢球从斜面上不同的高度滚下，得到的实验数据见表二．
表一（钢球撞击木块时的速度v=5cm／s）表二（质量为=10g的钢球）
（1）在进行第二组实验时，让钢球从不同高度滚下，其目的是为了．
（2）分析表一中的实验数据，可得出的结论是.
（3）分析表二中的实验数据，可得出的结论是.
（4）在整理仪器过程中，爱动脑筋的小丽提出了一个新问题：
质量和速度这两个因素对动能大小的影响程度一样吗?
实验小组的同学们又马上对表一和表二中的实验数据进行了综合分析，由实验序号2和5的数据得出了结论：
对物体动能大小影响较大的因素是
．
16.
实验序号
钢球质量（g）
木块被撞出的距离（cm）
1
10
6
2
20
12
3
30
18
实验序号
钢球撞击木块时的速度（cm／s）
木块被撞出的距离（cm）
4
5
6
5
10
24
6
15
54
小明从电影中看到，古代将军用力把铁弓拉满后，能将箭射得很远，联想到自己玩耍的竹弓，即使拉得很满，也只能将箭射得很近．请你分析以上现象，提出一个值得探究的问题，并简述探究的方法．
（1）你提出的探究问题是．
（2）你探究的方法是．
17.用打气筒给自行车充气，打气筒会发热，产生这种现象有两种可能原因：
（1）活塞与筒壁摩擦发热；
（2）活塞压缩气体使气体温度升高，然后气体传热给筒壁使其温度升高．
到底哪一种原因是主要的?
请设计一个解决该问题的实验方案．
18.
有人在夏季用简易晒水箱给水加热用来淋浴，这不仅能节省能源，而且很方便．李明和张华想利用这样的装置估测太阳光对地球表面辐射的强度的大小．也就是说，太阳光垂直照射地球表面时，地球表面单位时间单位面积所获得的能量是多少．实验装置如图所示，晒水箱内部是被涂黑的，箱体外加了保温层，上面开口并盖有透明玻璃板．
在估测之前要首先弄清，透过玻璃板的太阳光能量究竟占太阳辐射到玻璃板上的能量的百分之几?
李明和张华各拿一块实验用的玻璃板，把阳光反射到墙上的同一个地方，他们发现，两块反射光斑重叠处的强度，和太阳光直接射到地上的强度差不多．
（1）透过玻璃板的太阳光能量占太阳辐射到玻璃板上的能量的百分之几?
你在得出这个结论时做了什么假设?
假设的根据是什么?
（2）请你帮助他们设计实验方案，并写出具体的实验步骤．
（3）请你对这个实验方案的可行性做出评价．
【自主训练】
一、填空题
1.
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：
（1）助跑阶段，运动员消耗体内的化学能（填“大于”、“小于’’或“等于”）运动员和撑杆获得的动能．
（2）撑杆起跳阶段，运动员的能增加．
（3）运动员越过横杆后，运动员将能转化能．
2.如图所示，从斜面上滚下来的小球，接触弹簧后，将弹簧压缩至最短．在这一过程中，小球的能转化为能，又转化为弹簧的能．
3.我国“神舟六号”飞船飞行的椭圆轨道，近地点200公里，远地点347公里．飞船从远地点到近地点运行的过程中，飞船的速度，势能（两空均填“增大”、“减小”或“不变”）；两名航天员躺在座椅上，以飞船为参照物，则两名航天员是的．
4.用比热为130.2J／（kg·℃）的铅粉和比热为390.6J／（kg·℃）的铜粉相混合在一起，混合后的比热为260.4J／（kg·℃），那么铅粉和铜粉的质量之比为．
5.已知铅的比热是130J／（k9·℃），密度是11.3×103kg／m3，铜的比热容是390J／（kg·℃），密度是8.9×103kg／m3，把铅块和铜块放在同一烧杯中加热．如果它们的质量相同，则它们吸收的热量之比是；若它们的体积相同，则它们吸收的热量之比是．
6.在完全隔热的装置内，用同一热源给100g水和100g油分别加热．其温度变化随加热时问变化关系如图所示，l00g水每分钟吸热J，100g油每分钟吸热J，油的比热容是J／（kg·℃）．
7.晴天时，若在垂直于阳光的表面上能接受到的热辐射为1.2×103J／（m2·s）．现有一台太阳能热水器，可将接收到的热辐射的40％用来升高水温．如果该热水器接受阳光垂直照射的有效面积始终是2.1m2，晴天晒了1h，其水箱中50kg水的温度最多能升高℃．[水的比热容为4.2×103J／（kg·℃）]
8.“东坡米线”是黄州特色小吃．制作的第一步是熬汤：
在锅中放入水和鸡，用大火将水煮至沸腾，然后转用小火烹煮．不断给沸腾中的汤加热，汤的温度将．再将以下食料一起上桌：
一碗热汤，上面浮着一层油；一碟切成薄片的鲜肉；一碗已煮熟的米线．食客先把肉片放进汤内，稍候再加入米线．碗中油层的作用是．现有以下资料：
汤的质量l.4㎏，初温97℃，比热容为4.2×l03J／（kg·℃）；肉的初温22℃，比热容为3.5×103J／（kg·℃）．基于健康缘故，肉必须最少加热至82℃．在汤中最多可以放入kg肉．（不计热损失）
9.现有三种不同的液体A、B、C，它们的初温分别为15℃、25℃、35℃．将A、B混合时，其平衡温度为21℃；将B、C混合时，其平衡温度为32℃．那么将A、C混合后的平衡温
度将为．
10.汽油机的一个工作循环是由四个冲程组成．其中在做功部程中燃气对活塞做功，实现能向能的转化．如图表示的是汽油机的冲程（填冲程的名称）．
11.国产l65型单缸四冲程汽油机的气缸直径为65mm，活塞冲程长为55mm，满负荷工作时，燃气平均压强为9.58×105Pa，飞轮转速为l500r／rain，则该汽油机满负荷工作时的功率为W．不计摩擦损失，如果满负荷工作时每分钟消耗l5g汽油，这种汽油机的效率为．（q汽油=4.6×107J／kg）
二、选择题
12.如图所示为一高山的等高线图，某登山运动员从A点到8点时，下列说法正确的是（）
A.运动员的体重变大
B．运动员的重力势能减小
C．运动员烧水时，水的沸点升高
D．运动员携带的气压计的示数减小
13.
“神舟五号”飞船的返回舱曾在我市平湖展出．据介绍，返回舱返回地面时，在距地面1.2m高处，反冲发动机向地面喷火，使飞船进一步减速；返回舱落地时，坚固的舱体发生了一些凹陷；落地处形成了一个很大的坑；舱体表面烧得红红的．下列对返回舱着落过程的一些说法，不合理的是（）
A.发动机向地面喷火使舱体减速，说明力能改变物体的运动状态
B.坚固的舱体发生凹陷，说明了速度越大惯性越大
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