四、機械能和內能的相互轉化（導學案）【學習目標】1．通過活動，知道做功是改變內能的另一種方式，是其他能與內能的相互轉化過程，并能舉例說明；2．知道熱機是將內能轉化為機械能的機械；了解四沖程汽油機的工作循環(huán)和各沖程涉及的能量轉化；3．通過實驗探究，建立熱值的概念，知道熱值是物質的物理屬性，能進行簡單的計算?！緦W習重點】1．機械能與內能是可以相互轉化的；2．汽油機的工作四個沖程的特點；3．熱值及其計算、應用?！緦W習難點】1．汽油機工作的特點、應用、及求有關參數(shù)；2．實驗探究：比較質量相等的不同燃料燃燒時放出的熱量；3．熱值、比熱容的綜合應用?！咀灾黝A習】閱讀教材，完成以下問題：1．做功可以改變物體的內能，對物體做功，內能增加；物體對外做功，內能減少。2．熱機是熱力發(fā)動機的簡稱，它是將燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣的內能轉化為機械能的裝置。3．汽油機主要由氣缸、活塞、火花塞、進氣門、排氣門、曲軸和連桿組成。4．汽油機的一個工作循環(huán)分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。其中壓縮沖程：機械能轉化為內能；做功沖程：內能轉化為機械能。5．四沖程內燃機一個工作循環(huán)：4個沖程；活塞往復運動2次；飛輪轉動2周；對外做功1次。6．燃料完全燃燒放出的熱量與燃料的質量之比，叫作這種燃料的熱值。燃料的熱值用q表示，單位是J/kg，讀作：焦耳每千克。公式：；質量為m的燃料，完全燃燒放出的熱量：Q放=mq。【探究新知】探究一、機械能與內能可以相互轉化如圖所示，小朋友從滑梯滑下，會感到臀部發(fā)燙；將試管中的水加熱至沸騰后，橡膠塞受到水蒸氣的壓力而沖出去。這些現(xiàn)象說明機械能與內能是可以相互轉化的?；顒?2.6探究做功對物體內能的影響【做一做】如圖所示，將鐵絲快速彎折十余次，然后用手指觸摸彎折處，你有何感覺?鐵絲的內能變化了嗎?反復折彎鐵絲空氣壓縮引火儀【看一看】如圖所示，在空氣壓縮引火儀的玻璃筒底部放一小團干燥的棉花，用力將活塞迅速下壓，你看到了什么?【實驗現(xiàn)象】（1）用手指觸摸彎折處，感覺燙手（溫度升高），鐵絲的內能變大。（2）硝化棉發(fā)生燃燒，玻璃筒內發(fā)出火光。【議一議】（1）在上述活動中，物體增加的內能是從哪里來的?能量是如何轉化的?（2）你還有什么辦法可以使鐵絲的溫度升高?這些方法中，哪些是用熱傳遞的方式改變物體內能的?哪些是通過做功改變物體內能的?（3）你能再舉一些通過做功改變物體內能的實例嗎?【分析】（1）在上述活動中，彎折鐵絲，人在做功，鐵絲增加的內能是通過做功實現(xiàn)的，是將人的機械能轉化為內能。（2）使鐵絲的溫度升高的一些辦法：如下所示。通過熱傳遞改變內能①用火焰加熱通過做功方式改變內能⑤用砂紙摩擦②太陽曬⑥用錘子不斷敲擊③用熱水燙⑦反復彎折④用手焐…………【看一看】如圖，在燒瓶（或可樂瓶）內盛少量水，并蓋緊瓶塞。向瓶內打氣，當瓶塞跳出時，觀察瓶內的變化?！舅伎肌可鲜鰧嶒炛?，通過什么途徑改變了燒瓶內空氣的內能？【實驗現(xiàn)象】發(fā)現(xiàn)水蒸氣把橡皮塞彈飛，同時瓶口出現(xiàn)了白霧?！粳F(xiàn)象分析】當瓶塞跳飛出時，是瓶內水蒸氣對瓶塞做功，水蒸氣的內能減少，溫度降低，水蒸氣遇冷，液化成小液滴，于是就觀察到“白霧”這種現(xiàn)象?！緦嶒灲Y論】水蒸氣對外做功，內能減小，溫度降低。（3）做功改變內能的實例：①冬天雙手快速互相摩擦會感覺暖和；②用砂紙打磨木頭，木頭和砂紙接觸面會發(fā)熱；③剎車時剎車片與車輪摩擦產(chǎn)生高溫；④給自行車輪胎打氣時，打氣筒的筒壁會明顯發(fā)熱；⑤柴油發(fā)動機在壓縮沖程中，氣缸內空氣被劇烈壓縮后溫度急劇升高，足以點燃柴油。⑥古人鉆木取火。⑦打開高壓氣瓶閥門，氣體高速噴出，閥門附近會變冷?！尽窘Y論】做功可以改變物體的內能，對物體做功，內能增加；物體對外做功，內能減少。從能量轉化的角度理解內能的改變有了內能的概念后，我們就能理解，對一個物體加熱或者做功，就是使能量“流入”了物體的內部，物體的內能増加。能量通過這種方式被儲存起來。反過來，物體也可以對外放熱或者做功，從而釋放內能。【例題1】在做功改變內能的實驗中，老師做了兩個實驗。（1）實驗一：如圖甲所示把活塞迅速壓下去，觀察到硝化棉燃燒，這是因為活塞壓縮氣體做功，空氣的內能_____（選填”增加”或“減少”），溫度_____(選填“升高”或“降低”)，達到棉花著火點的緣故。這個過程中是把_____能轉化為_____能。（2）實驗二：向裝有少量水的瓶子內打氣，使瓶內的氣壓增大，當瓶塞跳起來時，可以看到瓶內出現(xiàn)白霧，這是因為水蒸氣對瓶塞做功，內能______(填“增加”或“減少”)，溫度______(填“升高”或“降低”)，水蒸氣______而成小液滴?！敬鸢浮吭黾由邫C械內減少降低液化【解析】（1）活塞壓縮空氣對空氣做功，空氣的內能增加溫度升高，這個過程把活塞的機械能轉化成空氣的內能。（2）向裝有少量水的瓶子內不斷打氣瓶子內的空氣被壓縮外界對空氣做功，空氣內能增加溫度升高，當瓶塞跳起來時空氣膨脹對瓶塞做功內能減小空氣內的水蒸氣放出熱量溫度降低液化成小液滴。探究二、熱機（一）活動12.7觀察點火爆炸現(xiàn)象【看一看】如圖12-29所示，在透明塑料盒的底部鉆一個孔，將電子點火器的放電管緊緊塞進孔中，打開塑料盒蓋，向盒中滴入幾滴酒精，再將盒蓋蓋緊，按動電子點火器的按鈕。提醒：注意安全，千萬不要將蓋子對著自己或他人。提醒：注意安全，千萬不要將蓋子對著自己或他人。你觀察到什么現(xiàn)象?【現(xiàn)象】酒精開始燃燒，稍后，塑料盒蓋飛出?！究偨Y】在上述活動中，酒精燃燒產(chǎn)生的燃氣對外做功，燃氣的內能轉化為機械能。根據(jù)這一原理，可以制造出將內能轉化為機械能的機器。（二）熱機1．熱機：熱機是熱力發(fā)動機的簡稱，它是將燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃氣的內能轉化為機械能的裝置。熱機被廣泛應用于各種車輛、船舶、飛機、火箭、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、礦山、火力發(fā)電站、核電站等等。內燃機是最常見的一種熱機，按照所使用燃料的不同，內燃機可分為汽油機、柴油機和天然氣發(fā)動機等。2．汽油機的主要構造：如圖所示，汽油機主要由氣缸、活塞、火花塞、進氣門、排氣門、曲軸和連桿組成。3．汽油機的工作過程：汽油機工作時，活塞在汽缸里做往復運動?；钊麖钠椎囊欢诉\動到另一端的過程，稱為一個沖程。汽油機的一個工作循環(huán)分為圖12-31所示的四個沖程。吸氣沖程：進氣門打開，排氣門關閉，活塞向下運動，燃料和空氣的混合氣體被吸入汽缸。壓縮沖程：進氣門和排氣門都關閉，活塞向上運動，燃料混合氣體被壓縮，溫度升高，內能增大，機械能轉化為內能。做功沖程：當活塞到達汽缸頂端時，火花塞打火，使混合氣體猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃氣，推動活塞向下運動，內能轉化為機械能。排氣沖程：進氣門關閉，排氣門打開，活塞向上運動，將高溫廢氣排出汽缸。4．汽油機的能量轉化：（1）壓縮沖程：機械能轉化為內能；（2）做功沖程：內能轉化為機械能。5．汽油機一個工作循環(huán)，四個沖程的區(qū)分（1）看進氣門與排氣門開關：①全關，則是壓縮沖程與做功沖程；②一開一閉，則是吸氣沖程與排氣沖程。（2）看活塞處的箭頭方向：①箭頭向下，則是吸氣沖程與做功沖程；②箭頭向上，則是壓縮沖程與沖程排氣。6．四沖程內燃機一個工作循環(huán)的有關參數(shù)（1）做功沖程中，燃氣對外做功，帶動與曲軸相連的飛輪實現(xiàn)持續(xù)運轉。其余三個沖程是輔助沖程，活塞靠旋轉飛輪的慣性帶動曲軸連桿運動。（2）四沖程內燃機一個工作循環(huán)：4個沖程；活塞往復運動2次；飛輪轉動2周；對外做功1次。7．汽油機與柴油機的應用：汽油機比較輕巧，常用在汽車、小型飛機和小型農(nóng)業(yè)機械（如插秧機、機動噴霧器）上。在汽缸容積、轉速相等的情況下，柴油機的功率較大，熱效率較高，因此被廣泛應用于載重汽車、拖拉機、坦克和輪船上。（三）生活?物理?社會——熱機的發(fā)展歷程閱讀教材，了解熱機發(fā)展歷程，從蒸汽機到內燃機，再到渦輪噴氣發(fā)動機，火箭發(fā)動機。了解我國在火箭發(fā)動機的研制方面，已居世界前列，有力推動中國航天夢的加速實現(xiàn)?！纠}2】內燃機有四個工作沖程，如圖所示是內燃機的_______沖程，活塞上升時，汽缸內氣體的內能______（選填“減少”或“增加”），_______能轉化為________能?！敬鸢浮繅嚎s增加機械內【解析】從圖中可以看出進氣門和排氣門都是關閉的，活塞向上運動，所以是壓縮沖程。壓縮沖程活塞向上運動，壓縮氣體，使氣體的體積減小、溫度升高、機械能轉化為內能?！纠}3】關于汽油機與柴油機的說法中，不正確的是（）A．柴油機汽缸頂部有個火花塞，汽油機汽缸頂部有個噴油嘴B．柴油機通過壓縮空氣直接點燃柴油C．汽油機與柴油機的工作過程都分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程D．汽油機與柴油機使用的燃料不同【答案】A【解析】A．柴油機汽缸頂部有個噴油嘴，汽油機汽缸頂部有個火花塞，A錯誤.B．柴油機通過壓縮空氣直接點燃柴油，采用壓燃式，B正確.C．柴油機和汽油機的工作過程分為吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程，故C正確.D．汽油機與柴油機使用的燃料不同，汽油機的燃料是汽油，柴油機的燃料是柴油，故D正確。所以選A。探究三、熱值（一）活動12.8比較質量相等的不同燃料燃燒時放出的熱量【做一做】取質量相等的酒精和面巾紙碎片各5g，分別放入兩個燃燒皿中，點燃后對裝有相等質量的水（約30g）的試管加熱（圖12-35），使酒精和面巾紙碎片充分燃燒。記錄加熱前后兩支溫度計的示數(shù)。提醒：注意安全，防止燙傷。提醒：注意安全，防止燙傷。燃料加熱前的水溫/℃燃料燃盡后的水溫/℃水溫的變化/℃酒精

面巾紙碎片

【想一想】質量相等的酒精和面巾紙碎片充分燃燒后，試管中水溫的變化一樣嗎?這說明了什么?不一樣；說明了它們所放出的熱量不相等?！窘Y論】實驗表明，質量相等的不同燃料，充分燃燒所放出的熱量一般是不相等的。（二）熱值1．熱值：燃料完全燃燒放出的熱量與燃料的質量之比，叫作這種燃料的熱值。燃料的熱值用q表示，單位是J/kg，讀作：焦耳每千克。2．公式：；質量為m的燃料，完全燃燒放出的熱量：Q放=mq3．單位：q：燃料的熱值；單位：J/kg；Q：燃料完全燃燒放出的熱量；單位：J；m：燃料的質量；單位：kg4．物理意義：熱值在數(shù)值上等于1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。如：酒精的熱值為3.0×107J/kg，其物理意義是：質量為1kg的酒精，完全燃燒放出的熱量為3.0×107J。5．一些燃料的熱值6．解讀：（1）與比熱容相似，不同燃料的熱值一般不同，其大小與燃料的種類有關，與燃料的質量（體積）、是否燃燒、是否完全燃燒無關；（2）氫氣的熱值最大：氫氣熱值1.43×108J/kg。（3）氣體燃料的熱值公式：，體積為V的燃料，完全燃燒放出的熱量：Q放=Vq【例題4】關于燃料的熱值，下列說法正確的是（）A.熱值在數(shù)值上等于1kg某種燃料燃燒放出的熱量B.10kg木炭比1kg木炭的熱值大C.熱值大的燃料比熱值小的燃料燃燒時放出的熱量多D.燃料燃燒時放出熱量的多少與是否完全燃燒有關【答案】D【解析】熱值是燃料的一種屬性，同種燃料的熱值相同。燃料燃燒時放出的熱量與是否完全燃燒、燃料的熱值和質量都有關系，因此熱值大的燃料燃燒時放出的熱量不一定多。故選D。【例題5】如圖是某內燃機的能量流向圖。下列有關說法正確的是（）A．①是廢氣帶走的熱量 B．該內燃機是在壓縮沖程獲得動力C．該內燃機的效率為28% D．改進構造減小摩擦可提高③所占百分比【答案】C【解析】A．內燃機的能量流向中，廢氣帶走的能量占比最大，所以③是廢氣帶走的熱量，故A錯誤；B．內燃機是在做功沖程獲得動力，內能轉化為機械能，故B錯誤；C．該內燃機的效率為100%-6%-30%-36%=28%，故C正確；D．改進構造減小摩擦可提高機械效率，即提高有用機械能的占比，故D錯誤。故選C?！菊n堂總結】第4節(jié)機械能和內能的相互轉化【課堂練習】1．熱機的發(fā)明及廣泛使用，對人類社會的發(fā)展起到了重要的作用，下列不屬于熱機應用的（）A．噴氣式飛機 B．柴油拖拉機C．純電動汽車 D．燃油摩托車【答案】C【解析】ABD．噴氣式飛機、燃油摩托車、柴油拖拉機均是使用熱機進行運作，將燃料燃燒產(chǎn)生的內能轉化為機械能，故ABD不符合題意；C．純電動汽車利用的是電能，將電能轉化為機械能，沒有使用熱機，故C符合題意。故選C。2．四沖程汽油機工作時，將內能轉化為機械能的沖程是()A．吸氣沖程 B．壓縮沖程 C．做功沖程 D．排氣沖程【答案】C【解析】A．吸氣沖程沒有能量轉化，故A不符合題意；B．壓縮沖程是將機械能轉化為內能的過程，故B符合題意；C．做功沖程是將內能轉化為機械能的過程，故C不符合題意；D．排氣沖程沒有能量轉化，故D不符合題意．故選C。點睛：內燃機的四個沖程中有兩個沖程發(fā)生能量轉化，一是壓縮沖程中機械能轉化為內能，壓縮沖程是依靠飛輪的慣性完成的；二是做功沖程中內能轉化為機械能．3．關于的理解，下列說法中正確的是()A．熱值與燃料完全燃燒放出的熱量成正比B．若燃料燃燒不充分時，熱值將減小C．當燃料未燃燒時，其熱值為零D．某種燃料的熱值大小與是否充分燃燒無關【答案】D【解析】A．熱值是質量為1kg的燃料完全燃燒時所釋放出的熱量，熱值是燃料本身的特性，與熱量無關，故A錯誤；B．熱值的大小只與燃料的種類有關，與燃燒程度無關，故B錯誤；C．熱值是燃料的一種特性，與燃料是否燃燒無關，故C錯誤；D．熱值是由燃料本身特性決定的，與燃料是否充分燃燒無關，故D正確。故選D。4．電火花發(fā)生器點燃塑料盒內的酒精，酒精燃燒產(chǎn)生的燃氣能將盒蓋噴出很遠。實驗時在盒內滴入2×10-4kg的酒精（q酒精=3×107J/kg）。對于此實驗過程，以下說法不正確的是()A．燃氣在噴出的過程中溫度會降低B．燃氣的內能轉化為盒蓋的機械能C．能量轉化方式與汽油機的做功沖程相同D．酒精燃燒放出的熱量一定是6000J【答案】D【解析】ABC．燃氣在噴出的過程中，燃氣的內能轉化為盒蓋的機械能，燃氣的溫度會降低，能量轉化方式與汽油機的做功沖程相同，故ABC正確，不符合題意；D．酒精完全燃燒放出的熱量為在燃燒過程中，酒精若不能完全燃燒，酒精燃燒放出的熱量將小于6000J，故D錯誤，符合題意。故選D。5．如圖所示，2024年4月25日，搭載著神舟十八號載人飛船的長征二號F遙十八運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。下列說法正確的是()A．火箭的燃料燃燒得越充分，熱值越大B．火箭“體內”的燃料選用液氫是因為液氫的質量大C．火箭“體內”的液氫燃料溫度低至-253℃時，內能為零D．火箭“體內”的液氫燃料在燃燒過程中，質量減少，熱值不變【答案】D【解析】A．熱值是燃料的特性，與燃燒情況無關，所以火箭的燃料燃燒得越充分，熱值不變，故A錯誤；B．火箭“體內”的燃料選用液氫是因為液氫的熱值較大，燃燒時釋放的能量多，故B錯誤；C．一切物體在任何情況下都具有內能，所以火箭“體內”的液氫燃料溫度低至-253℃，內能不為零，故C錯誤；D．火箭“體內”的液氫燃料在燃燒過程中，燃料的質量在變小，即質量變小，而熱值是燃料的屬性，因此熱值不變，故D正確。故選D。6．如圖所示為內燃機四沖程工作示意圖，下列說法正確的是()A．一個工作循環(huán)的正確順序是：甲乙丙丁B．圖乙沖程是做功沖程C．圖甲沖程是將所有的內能轉化為機械能的過程D．圖丁沖程是機械能轉化為內能的過程【答案】D【解析】ABD．甲圖中兩個氣門都關閉，火花塞點火，活塞向下運動，是做功沖程，此沖程將內能轉化為機械能；乙圖中進氣門打開，活塞向下運行，氣缸容積增大，是吸氣沖程；丙圖中排氣門打開，活塞向上運動，氣缸容積減小，是排氣沖程；丁圖中兩個氣門都關閉，活塞向上運動，所以為壓縮沖程，是機械能轉化為內能。一個工作循環(huán)的正確順序是：乙丁甲丙。故AB錯誤，D正確；C．甲圖為做功沖程，此沖程將內能轉化為機械能，但轉化過程中會有能量損失，因此不可能所有的內能都轉化為機械能，故C錯誤。故選D。7．如圖所示，甲、乙、丙三圖中的裝置完全相同。燃料的質量、燒杯內液體質量及液體初溫均相同。不考慮熱量損失，燃料點燃直至燃盡，三裝置燒杯中液體升高的溫度隨時間變化的圖像如圖丁所示。以下判斷正確的是()A．液體a的比熱容是液體b的兩倍B．0-t1時間內甲、乙、丙燒杯中液體吸收的熱量相等C．燃料燃盡時乙中液體a吸收的熱量小于丙中液體b吸收的熱量D．僅利用裝置乙和丙進行實驗可以比較燃料2和燃料1的熱值大小【答案】C【解析】A．由圖丁甲丙圖線可知，加熱相同時間，吸收相同熱量，液體a、b