机械能和内能
第十二章、机械能和内能
一、动能、势能、机械能
1、能量：一个物体能够对另一个物体做功，这这个物体就具有能量。
理解：①能量表示物体做功本领大小的物理量，能量可以通过能做功多少来衡量。 ②一个物体“能够做功”不代表“一定要做功”、“正在做功”、“已经做功”。
例1.下面关于功和能的关系，说法正确的是（ ）
A.物体具有的能越多，它做的功越多
B.物体有了能就一定正在做功
C.吊在屋顶上的日光灯，因为没有做功，所以没有重力势能
D.能是物体具有“做功的本领”，不一定正在做功
2、动能：物体由于运动而具有的能量
物体动能的大小与物体的速度和质量有关，物体的速度越大，质量越大，它具有的动能就越大。
动能公式 22
1mv E k ( 式中的υ是相对速度，一般以地面为参照物．)
探究动能大小与哪些因素有关的实验：P31
研究方法：控制变量法。
例2.（04烟台）如图所示是探究动能大小与哪些因素有并的实验：
（1）实验中你通过观察 知道动能的大
小。
（2）实验中采用 方法，使得铜球与钢球滚
到水平面的速度相同。
（3）甲和丙探究的问题是 。
例2变式题.如图所示，是“探究动能及其影响动能大小的因素”
的实验装置图：将A 、B 、C 三小车先后从同一装置的h A 、h B 、h C
高处滚下（m A =m B
（1）探究中让小车从装置中的同一高度滚下的目的
是 ；
（2）探究中通过比较 得出小车具有动能的大小；
（3）要探究动能与质量的关系，应选择 两图进行比较；要探究动能与速度的关系，应选择 两图进行比较；
（4）比较甲图和丙图，得出的结论是 。
（5）探究“动能跟哪些因素有关”的探究方法是 法；再列举一个利用此方法的实验，写出实验名称： 。
例3.如图是高速公路上的限速标志，可以看出，通常情况下载重汽车的
限制速度要比小轿车小，这是因为 ；而
在重大的事故中，有时小轿车造成的后果会比大货车严重，这又是什么
原因： ；雨天比晴天的限制的最
高速度要小，是因为 。
3、势能：常见的两种势能是弹性势能、重力势能
重力势能：被举高的物体所具有的势能。 物体的重力势能的大小与其质量和高度有关，质量越大、高度越高，其重力势能越大。 重力势能公式Ep=mgh ． （式中的h 是相对高度，一般从地面竖直向上量．）
弹性势能：发生弹性形变的物体所具有的势能。形变越大，形变物体的弹性势能越大。
例4.如图所示，是探究“重力势能及其影响重力势能大小的因素”的实验装置图：
（1）探究中，通过观察 来确定“重锤”具有重力势能的大小；
（2）把三根相同的木桩(a)、（b ）、（c ）插入沙子中的同一深
度，让同一重物从不同高度打击（a ）、(b)，再用较大质量的重物（与
打击a 的高度相同）打击（c ），木桩打入沙子中不同深度。比较（a ）
和（b ），说明 ；比较（a ）
和（c ）说明 。
（3）从能量转化角度分析，举重运动员为什么都是身体矮壮的人，
如果选拔举重运动员身高太高有什么不利因素： 。
例5. 市场上的乒乓球质量参差不齐，陈华同学买了两种不同品牌的乒乓球，为了比较两只乒乓球弹性的大小，他人设计了几种方案，你认为最好的是（ ）
A 、把两球向墙掷去，比较它们反弹后离墙的距离
B 、让两球置于乒乓球桌面上方同一高度自由落下，比较它们反弹的高度
C 、用乒乓球拍分别击打两球，比较两球飞出去的距离
D 、用手捏乒乓球，比较它们的硬度
例6．（07·深圳市）一架飞机在某灾区上空沿水平方向匀速飞行，同时向地面投放救灾物
资。投下物资后，飞机的动能和势能发生变化是（ ）
A 、动能不变，势能减小
B 、动能变小，势能不变
C 、动能和势能都变小
D 、动能和势能都不变
4、机械能：动能与势能的统称。
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． P k E E E +=
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．
例7.跳伞运动员在空中打开降落伞后，匀速下落的过程中，运动员的（ ）
A.动能增加，重力势能减少，机械能不变
B. 动能不变，重力势能减少，机械能减少
C. 动能减少，重力势能增加，机械能增加
D. 动能不变，重力势能不变，机械能不变
例8如图所示跳水运动员跳板跳水时的情景，从运动员腾空跳起向上运动后再向下落入水中，若不计空气阻力，则在整个过程中（ ）
A.运动员的动能一直在增大，机械能不变
B.运动员的重力势能一直在减小，机械能不变
C.运动员的动能先减小后增大，机械能不变
D.运动员的重力势能先减小后增大，机械能增大
例8变式题.杂技运动员从高空落向下面的弹簧床，又从弹簧床上弹起的过程中，能量转化正确的是（ ）。
A.重力势能→动能→弹性势能→动能→重力势能
B.重力势能→弹性势能→动能→重力势能
C.动能→弹性势能→动能→重力势能
D.重力势能→动能→弹性势能→动能
例9一个小球从h 高处以相同的速度0 抛出，一次斜止抛，如图9所示，沿a 运动轨迹落地；另一次水平抛，如图9所示，沿b 运动轨迹落地，不计空气阻力。关于小球落地时动能的大小，下列说法中正确的是( )。
A.沿a 轨迹大
B.沿b 轨迹大
C.沿a .b 轨迹一样大
D.条件不足，无法判断
例10 为了更好地理解动能.重力势能和机械能的概念，小明设计了一
个简单的实验，如图4所示。请帮小明一起回答：
把拴在细线下端的小球拉到A 位置后放手，小球向B 位置运动过
程中，
能转化为 能，小球到达B 位置时， 能达到最大值，若不计摩擦等阻力，小球在B 处的机械能跟小球在C 处的 能是相等的。(均选填“动”.“重力势”或“机械”)
例10变式题（2010，烟台）过山车是一项非常惊险刺激的娱乐休闲活
动．过山车时而从轨道的最低端上升到最高端，时而从最高端飞驰而
下(图3)．不计能量损失，下列说法正确的是（
）图
9 图4
A．a点机械能小于b点机械能
B．a点动能最大，b点势能最大，c点机械能最大
C．由a到b的过程中，动能减少，势能增大，机械能不变
D．由b到c的过程中，动能增大，势能减少，机械能变大
例11（11·聊城）如图所示，AB、AC、AD是三个高度相同，长度不同的斜面，现有物体G 先后从三个斜面顶端由静止开始无任何摩擦地沿斜面滑下，当它滑到斜面底端时的速度大小分别为v1、v2、v3，则下列说法正确的是( )
A．v1最大B．v2最大C．v3最大D．一样大
例12（2011·桂林）如图所示，质量为40 g的金属小球从导轨的a处自由滑下，依次经过b处、c处，到达d处时恰好停下．在从a到b的过程中，重力做功为______J；在整个运动过程中，小球克服导轨摩擦消耗的机械能为______ J.(g取10 N/kg)
一、动能、势能、机械能
例1 D
例2 （1）物体运动的距离（2）控制起点高度相同（3）动能的大小与物体运动的速度的关例2变式题（1）使小车到水平面上有相同的速度（2）木块被撞开的距离（3）甲丙甲
乙
（4）速度相同时，质量越大，动能越大
（5）控制变量法探究压力的作用效果与哪些因素有关重力势能的影响素等
例3 在速度相同时，载重汽车质量大，动能大；小轿车的质量小，但速度大，动能大
雨天路面滑，摩擦力小
例4 （1）木桩打入沙子的深度（2）质量相同时，被举得越高，重力势能越大；被举高的高度相同时，质量越大，重力势能越大（3）举重运动员个子高，举相同的杠铃，他要比其它运动员消耗更多的能量，运动成绩难提高。
例5 B
例6 C
例7 B
例8 C
例8变式题 A
例9 A
例10 重力势动动机械
例10变式题 C
例11 D
例12 0. 2 0.12
二、内能、热传递
1、物体内部大量分子的无规则运动叫做热运动。
2、分子存在动能与势能（由于分子间存在引力与斥力）
3、内能：物体内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。
内能的存在不需要条件，任何物体都具有内能，物体的内能不会等于或小于零。
4、影响物体内能大小的因素：
①温度物体温度越高内能越大。
②质量物体质量越大内能越大。
③材料物体材料不同，其内能也可能不相同。
④存在状态物体在不同状态下其具有的内能也不相同。
5、内能与机械能
内能是微观状态（分子）下物体所具有的能量。其反映分子在物体内部做无规则热运动，而不是物体的整体运动。
机械能是宏观的，是物体作为一个整体运动所具有的能量，它的大小与机械运动有关。
6、改变物体内能的方法：做功与热传递
热传递：当物体或物体的不同部分之间存在温度差时，就会发生热传递。
热传递时，能量从高温处转移到低温处，直至温度相同。
理解：1、发生的条件：存在温度差
2、传递的方向：高温到低温
3、传递的结果：温度相同
4、传递的是什么：内能热量
做功：对物体做功（摩擦、压缩等），物体内能增加。
例1.下列现象中，通过热传递改变物体内能的是（）
A．两手相互摩擦，手发热 B.用火炉烧水，水的温度升高
C．用锯锯木头，锯条发热 D.用砂轮磨菜刀，菜刀的温度升高
例1 B
例2．如图所示，把一个底端密闭的薄壁金属管固定在桌上，管里放一些酒精，
管口用塞子塞紧，用绳子在管外绕几圈并迅速地来回拉动；
（1）过一段时间后，看到的现象是 ，是 能 转化为 能，里面燃气的温度 ；
（2）拉动绳子克服摩擦做功，是将机械能转化为__________能；
（3）请说出该实验中的某一现象并简述其原因。
现象：_______________________；原因：________________________。
例2（1）塞子飞起来 内能 机械能 降低 （2）内能 （3）金属管热 做功使物体内能增加 或塞子飞起来 管中气体内能转化为塞子的机械能
例3．2009年3月29日，中国女子冰壶队今天在韩国江陵举行的
世锦赛决赛中，以八比六战胜冬奥会冠军瑞典队，首次夺得该项赛事
的冠军，比赛时两名队员在冰壶前方“刷冰”,通过 的方式改变
冰的内能,使表面的冰 成薄薄的一层水(填物态变化名称)，这
样就能够减小冰壶与冰面之间的 ，使冰壶按照运动员预计的
运动快慢和方向运动， 冰壶出手后仍然会向前是在确 作用下运动的。
例3．做功 熔化 摩擦 惯性
三、热量Q
1．定义：物体在热传递过程中转移能量的多少叫热量。
2．单位：焦耳； 符号：J 。
3．理解：1、热量是一个过程量
2、只能说物体吸收（或放出）了多少热量，不能说物体具（含）有多少热量
3、在只有热传递这一种方式的情况下，物体吸收热量内能增加
4．物体状态未变、温度改变过程中的吸、放热
物体温度升高时吸收的热量 t cm t t cm Q 吸?=-=)(0
物体温度降低时放出的热量 t cm t t cm Q 放?=-=)(0
5．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．
A ．物体温度升高，一定吸收了热量
B ．物体放出热量时，温度一定降低
C ．物体温度升高，内能一定增加
D ．物体内能增加时，温度一定升高
例5 C
四、物质的比热容
1、比热容C+：单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃，吸收（或放出）的热量叫做这种物质的比热容。
2、比热容是物质的一种物理属性，它不随物质的体积、质量、形状、位置、温度的改变而改变，只要物质相同，比热容就相同。
3、比热容的单位是：焦耳/(千克?℃)，读作：焦耳每千克摄氏度。 ?kg J ℃
4、水的比热是：C=4.2×103焦耳/(千克?℃)。它表示的物理意义是：1千克的水当温度升高（或降低）1℃时，吸收（或放出）的热量是4.2×103焦耳。
5、热传递过程中吸收或放出的热量的计算：)(0t t m c t m c Q -??=???= 单位：J 例1
6、小明在两个易拉罐中分别装入等质量的沙子和水，用相同的酒精
灯对其加热，以便探究沙子和水吸热升温快慢的程度。
（1） 比较沙子和水吸热升温快慢的方法有两种：
① ；
② 。
（2）实验中小明猜想：沙子吸热升温比水快。如果他的猜想是正确的，则应该观察到的现象是 ；
（3）由于物体吸热的多少不便用仪器测量，本实验中把吸热的多少转换成加热时间的长短。在探究活动中常用到这种方法。运用这种方法设计一个方案来较电磁铁磁性的强弱。 解答：（1）升高相同的温度比加热的时间 加热相同的时间比升高的温度
（2）加热相同的温度，沙子的温度比水的温度要高
（3）电磁铁吸引大头针的数量或转化为指针偏转的角度
例17、下列事例中不是利用水的比热容大这一特性的是 （ ）
A ．在河流上建水电站，用水发电
B ．汽车发动机用循环水冷却
C ．让流动的热水流过散热器取暖
D ．晚上向秧苗田里放水，以防冻坏秧苗
解答：A
五、燃料的热值q
物理意义 ：热值是表示燃料燃烧时释放热量多少的物理量．
定义：单位质量某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值。
单位：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
／m 3)
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
例18、两个质量相同的不同种金属做成的金属块，放在沸水中煮了很长的时间，然后将它们放在两只非常大的冰块上，足够长的时间后，熔化的冰多的是（ ）
A.含有热量多的金属块
B.比热容大的物体
C.内能大的物体
D.温度高的物体
解答：B
例19、煤炭是一种重要能源。区别优劣煤质最科学的办法是检测下列哪个物理量（）A．比热容 B．密度 C．热值 D．温度
解答：C
例20、小洪同学家中原来用液化气烧水，每天约用60℃的热水100kg，她家今年春节买了一台“皇明”太阳能热水器。（1）这台热水器夏天平均每天可将100kg的水从
20℃加热到60℃,这些水吸收了多少热量? (2)若石油液化气燃烧放出的热量有
70％被水吸收,她家改用太阳能热水器后，平均每个月节约多少kg液化气（液
化气的热值为8.0×107J/kg，每个月按30天计算）
（3）请你说说使用太阳能热水器的优点。（至少说出两点）
分析：第（1）问求水吸收的热量，利用Q吸=cm(t-t0)计算，利用热量公式计算时，要弄清初末温度，特别可能隐藏的条件要能挖掘出来，如将水加热到沸腾，表示的是末温度为100摄氏度等，第（2）问是燃料燃烧放出热量的百分之七十被水吸收，前后关系容易弄倒，引起注意，结合Q放=mq和第（1）问中的水吸收的热量列式。第（3）问对于目前的能源现状及对环境带来的影响，太阳能属于清洁能源，又可以节约将要枯寂的化石能源，并且是取之不尽用之不竭的能源宝藏，但它会受到天气、季节的影响。
解答：（1）1.68×107J （2）9
（3）太阳能属于清洁能源、节约能源、取之不尽用之不竭的能源
六、热机（机械能与内能的相互转化）
1.汽油机的4个工作循环：吸气冲程——压缩冲程——做功冲程——排气冲程（压缩过程中，机械能转化为内能；做功过程中，内能转化为机械能。）
2.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．
3.内燃机
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．
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．
4.热机的效率
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．
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．
%100?=燃烧
有用Q Q η 式中 qm Q 燃烧= 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．
较大．
6.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．
例14、汽油机的一个工作循环由四个冲程组成，右图是 冲程，其中在压缩冲程 中，气体的温度升高，是通过 方式增加内能的。为了降低汽缸体的温度， 汽缸外有一个水箱体，使汽缸被水包围着，这是通过热传递的方式 减少 汽缸内能的，用水来包围汽缸是因为水的 。 解答：做功 做功 热传递 水的比热容大
例15、“豪爵110”摩托车使用的是自发研制的单缸汽油机，
其转速为1800r/min ，则汽油机每秒钟完成 冲程，对外
做功 次。
解答：60 15