12.4 机械能与内能的相互转化学案（典型例题分析）2021-2022学年苏科版九年级上册物理（含答案）

课题：机械能与内能的相互转化
学习目标
＊通过活动，认识到做功是改变物体内能的一种方式，是其他形式能和内能的相互转化过程
＊通过观察分析内能转化为机械能的现象，知道热机的工作原理
＊了解四冲程汽油机的基本结构及工作过程
＊知道不同燃料的热值一般不同，会查热值表，会进行燃料燃烧放热的简单计算
知识点①做功——改变内能的另一种方式
活动探究
（1）将铁丝快速弯折多次，用手指触摸一下弯折处，我们会发现弯折处的温度较高，内能增大。
用如图所示的空气压缩引火仪进行实验，快速推动活塞，发现里面的棉絮被点燃了。说明筒内的空气温度升高，内能增大。
结论：对物体做功，物体的内能会增大。
机械能转化为内能
做功是改变物体内能的另一种方式
壶内装一些水，盖好壶盖，放在火上加热，使水沸腾，水蒸气会把壶盖顶起来。水蒸气对壶盖做功把内能转化为机械能。
用打火装置点燃桶内的酒精，我们看到塞子被冲了出去，并且桶口冒白气。说明在此过程中。酒精燃烧后，气体对塞子做了功。
气体的温度下降，内能减小。
结论：物体对外做功时，物体自身内能会减小
内能转化为机械能
改变物体内能的两种方式：
热传递
内能的转移
做功
内能与其他形式能的转化
做功与热传递在改变物体的内能上是等效的，一个物体内能增加，可能是对他加热（热传递）的，也可能是对它做功了。
知识点②热机
热机：热机是将燃料产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置
常见热机有：蒸汽机、汽油机、柴油机、燃气轮机、喷气发动机。
汽油机和柴油机是最常见的两种内燃机
汽油机：
工作原理：利用汽缸内燃烧的汽油
产生高温高压的燃气来推动活塞做功
构造：如图所示
工作过程：
冲程：冲程汽油机在工作时，活塞在气
缸内往复运动，活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程叫做一个冲程。
汽油机的一个工作循环有四个冲程组成：分别是吸气冲程，压缩冲程、做功冲程、排气冲程。汽油机是通过四个冲程不断循环来保证连续工作的。
每完成一个工作循环，曲轴和飞轮均转动两周，活塞往返两次，对外做功一次，在四个冲程中，只有做功冲程中燃气对外做功，其他三个冲程靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
压缩冲程机械能转化为内能
做功冲程内能转化为机械能
知识点③燃料的热值
比较质量相等的不同燃料充分燃烧时放出热量的多少
用天平测出质量为10g的酒精和10g的碎纸片，分别放入燃烧器皿中，点然后给两个完全的烧杯和质量、初温相同的水加热。等到酒精和碎纸片充分燃烧（燃尽）后分别记录水的温度。
（2）
水的初温/
℃
燃料燃尽后的水温/
℃
水温的变化/
℃
10g酒精
15
35
20
10g碎纸片
15
25
10
充分燃烧质量相等的酒精和碎纸片，燃烧酒精使水的温度变化较大（转换法），说明燃烧酒精时放出的热量较多。
（3）质量相等的不同燃料在完全燃烧后放出的热量，一般是不相等的。
2、热值（q）
（1）定义：燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。
（2）单位：焦/千克，符号为J/Kg，气体燃料通常以焦/米3为热值单位，符号为J/m3
（3）定义式：q=
（4）热值表示单位质量的某种燃料在完全燃烧时所放出热量的多少，如酒精的热值为3.0×107J/Kg她表示1Kg酒精完全燃烧所放出的热量是3.0×107J
（5）同种燃料的热值相同，不同然的热值一般不同
（6）热值是所有燃料的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧没有关系。不能认为热值q与Q放成正比，与m成反比
3、计算热量的公式：Q放=mq，部分液体和气体燃烧可用Q放=qV
4、利用燃料燃烧获得内能的效率：
（1）对我们有用的能量与燃料完全燃烧放出的能量的比值，叫做燃料的利用率
η=×100％
热机的效率：热机气缸内燃料燃烧产生的内能，相当大的一部分被废气带走，只有很少一部分转化为有用的机械能。要提高热机的效率，首先要使燃料充分燃烧，其次要尽量减少各种热量的损失，还要保证良好的润滑，减少机械摩擦。
典型例题
例题1：端午节那天，小志给小文开啤酒瓶盖时，发现瓶口出现“白雾”，这是瓶内的气体冲出时，内能转化为_____能，使气体的内能减小，温度降低，水蒸气_____（填物态变化名称）而产生的现象，这个现象说明_____方式可以改变物体的内能。
解析：
开啤酒瓶盖时，瓶内的气体冲出，气体对瓶盖做功，将气体的内能转化为瓶盖的机械能，使气体的内能减小、温度降低，水蒸气液化耳形成“白雾”；这个现象说明做功方式可以改变物体的内能。
故答案为：机械；液化；做功。
例题2：汽车是我们常用的交通工具之一，汽油机是汽车的动力装置，在压缩冲程末，火花塞点火使燃料猛烈的燃烧，将
_____能转化成内能。如图所示是汽油机的
_____冲程。若某汽车效率为40%，完全燃烧10kg的汽油可转化为
_____J的机械能。（q汽油=4.6×107J/kg）
解析：
内燃机的?个工作循环包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程，其中压缩冲程将机械能转化成内能，压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料猛烈地燃烧是化学能转化为内能；做功冲程将内能转化成机械能；由图可知，此时的两个气门关闭，活塞下行，（关键火花塞产生电火花）为做功冲程；
燃料完全燃烧放出的热量用公式Q=qm计算，其中q为燃料的热值，根据效率求出机械能的大小。
2t汽油完全燃烧要放出的热量：Q
放
=mq=10kg×4.6×10
7
J/kg=4.6×10
8
J；
则机械能为：E=ηQ
放
=4.6×10
8
J×40%=1.84×108
J。
故答案为：化学；做功；1.84×10
8
例题3：某品牌汽车汽油机的能量流程图如图所示，在汽油机的一个工作循环中，机械能转化为内能的是
_____冲程；若汽车行驶过程中消耗汽油0.2kg，已知汽油的热值为4.2×107J/kg，假如这些汽油完全燃烧，则牵引力做的功是
_____J；使水箱中20kg的冷却水温度升高
_____℃（不计热散失），行驶中的汽车在紧急刹车时，刹车片会发烫，这是通过
_____的方式增加物体内能的。[c水=4.2×103J/（kg?℃）]
解析：
汽油机的?个工作循环中，机械能转化为内能的是压缩冲程；
汽油放出的热量Q
放
=qm=4.2×10
7
J/kg×0.2kg=8.4×10
6
J；
汽油机输出的有用功的效率：η=1-33%-30%-7%=30%，
则牵引力做的功是：W
有用
=ηQ
放
=30%×8.4×10
6
J=2.52×10
6
J；
冷却水的效率等于有用功的效率，水吸收的热量Q
吸
=W
有用
=2.52×10
6
J，
由Q
吸
=cm（t-t
0
）得，
2.52×10
6
J=4.2×10
3
J/kg×20kg×△t，
解得：△t=30℃。
刹车片发热，是刹车片克服摩擦做功，使刹车片的内能增加、温度升高，是通过做功途径改变物体内能。
故答案为：压缩；2.52×10
6
；30；做功。
例题4：小明同学学习了燃料的热值后，考虑到燃料燃烧放出的热量会被水吸收，而水的比热容已知。他自己设计了一个实验来比较煤油和菜籽油的热值的大小关系。他组装了如图所示的装置进行实验，记录结果如表。
燃料
加热前的水温/℃
燃料燃尽后水温/℃
煤油
25
44
菜籽油
25
34
（1）为了保证实验结论的可靠，小明同学选择了两套完全相同的装置。在实验中除了控制水的初温相等外，还应控制水的_____相等。
（2）安装实验器材时，应按照_____（选填“自下而上”或“自上而下”）的顺序安装。
（3）根据记录结果分析得出：煤油和菜籽油两种燃料中，热值较大的是_____。
（4）实验中燃料燃烧放出的热量，通过_____的方式使水的内能增大（选填“做功”或“热传递”）。
（5）小明同学还想利用这个实验测算出煤油和菜籽油的热值，那么除了图中装置外，小明还要使用的测量仪器是_____。
解析：
利用控制变量法和转换法设计实验的能力，由于燃料的热值不能直接测量，所以通过水温升高的度数大小来体现燃料的热值大小；由于水吸收热量后升高的温度受水的质量的影响，所以在实验中还应控制水的质量和初温相等；
为保证用火焰的外焰加热，且温度计的玻璃泡不能接触容器底和容器壁，所以先安装下面器材，再安装上面器材，便于调节器材间的距离；
用相同质量的煤油和菜籽油燃烧后加热相同的水，由表中数据可知，用煤油加热的水温度升的高，则说明煤油燃烧放出的热量多，煤油的热值大；
掌握热传递的概念。热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。燃料燃烧放出的热量，通过热传递的方式使物体的内能增大。
要测量煤油的热值，需要知道煤油和被加热水的质量，所以需要天平测量煤油和水的质量，除了图中装置外，小明还要使?的测量仪器是天平。
故答案为：（1）质量；
（2）自下而上；（3）煤油；（4）热传递；（5）天平。