§12.4 机械能与内能的相互转化 研学案 2023-2024学年苏科版物理九年级上册（含答案）

《§12.4 机械能与内能的相互转化》研学案
【教学目标】
1. 通过探究实验，知道做功是改变物体内能的另一种方式
2.了解热机基本结构和工作原理，知道四冲程内燃机工作过程中的能量转化
3. 能从能量转化的角度认识燃料的热值，知道不同燃料的热值不同，会查热值表；会进行燃料燃烧放热的简单计算；初步认识能源与人类生存和社会发展的关系，树立可持续发展的观念。
4.通过探索性实验，提高观察能力、实验操作能力和比较、分析、概括的能力，培养实事求是的科学态度。
【教学重难点】
1. 内能和机械能的相互转化，热机的工作原理.
2. 燃料热值的概念，燃料燃烧放热的计算.
【教法学法】
问题情境、实验探究、交流评价、实践应用为主线的探究式教学.
【教学器材】
铁丝、空气压缩引火仪、电子式火花发生器、汽油机模型、天平、废纸、酒精、火柴等
【教学过程】
一、新课导入
问题：有一根铁丝，我们想要让它温度升高，内能增加，你有哪些办法？
学生讨论：用火柴烧、用热水烫、放在太阳下晒……
通过前面的学习，我们知道了这些改变物体内能的办法，总的都属于一种方式，这种方式是什么？（热传递）
有没有同学想到其它不同种类的方法？比如：来回弯折铁丝，弯折处会怎样？用砂纸摩擦铁丝，摩擦之处的铁丝有什么变化？ （请两位学生来体验一下）
这里来回弯折使铁丝温度升高，内能增加，用的是热传递的方法吗？那么，这种使物体内能增加的方法叫什么呢？
二、新课教学
1. 做功——改变物体内能的另一种方式
（1）空气压缩引火仪
问：在刚才的演示活动中，你看到了什么现象？能量是如何转化的？
（压缩气体做功，气体的内能增加，即机械能转化为内能）
（2）解释现象——弯折铁丝，铁丝弯折处发热
能量是怎样转化的？如果我们仅知道铁丝温度升高内能增大这一结果，能否断定是通过热传递方式还是做功方式来实现的？（不能，做功与热传递对于改变内能是等效的）
（3）你能再举一些通过做功来改变物体内能的实例吗？
（钻木取火；神舟飞船返回舱自由下落时表面温度升高；）
本质：热传递是内能的转移过程，能的形式没有变；而做功是机械能和内能的转化过程，能的形式已经发生改变。
2.热机
（1）热机中的能量转化情况
演示：演示酒精气体点火爆炸实验。
分析能量转化情况：化学能 内能 机械能
结论：酒精燃烧后的燃气对外做功，燃气的内能减少，转化成机械能。
（2）四冲程汽油机的结构和工作原理
热机：是将燃料燃烧产生的高温高压燃气的内能转化为机械能的装置。
指导学生阅读课文并设问：
（1）汽油机的主要结构是哪几部分？
（2）什么叫做冲程？四冲程汽油机完成一个工做循环要经历哪几个冲程？
（3）吸气冲程中燃料混合物为什么能吸进汽缸？
（4）压缩冲程中能量怎样转化？什么时候点燃燃料？
（5）在做功冲程中能量发生了怎样的转化？
（6）汽油机完成一个工做循环曲轴旋转_____圈，活塞往返_____次，四冲程内燃机只有________冲程对外做功，其他三个冲程靠_______完成。
阅读：了解热机发展历程。补充蒸汽机、燃气轮机、涡轮喷气发动机、火箭发动机初步知识。
3. 燃料的热值
实验探究：比较质量相同的不同燃料充分燃烧时放出的热量。
（1）讨论并设计实验方案，了解实验装置，进行实验，分析实验数据。
（2）提问：相同质量的酒精和碎纸完全燃烧后，烧杯中水温的变化情况相同吗？这个结果说明了什么？
（3）结论：相同质量的酒精和碎纸片完全燃烧时，酒精比碎纸片放出的热量多。
更多实验表明：质量相等的不同燃料完全燃烧所放出的热量一般是不同的。
燃料的热值是反映燃料燃烧时释放能量本领大小的物理量,是燃料的性能之一,因此燃料的热值只取决于燃料的种类,而与燃料的多少无关.对某种燃料来说,它是一个确定的数值.
思考: 汽油的热值是4.6×107 J/ kg它所表达的意思是_____________________.
节约燃料的方法: 改善燃烧条件,使燃料尽可能完全燃烧,尽可能减小能量损失.
4. 热值的应用
燃料燃烧放热的计算：Q放=m.q
例：计算5kg的酒精完全燃烧后，放出的热量是多少？
阅读：化石燃料的燃烧和环境保护
《§12.4 机械能与内能的相互转化》
班级： 姓名：
1. 下列事例中，用做功方法改变物体内能的是 ( )
A．酒精涂在手上觉得凉 B．锯木头时，锯条会发烫
C．冬天晒太阳，人感到暖和 D．烧红的铁块温度逐渐降低
2. 下列事例中，属于内能转化为机械能的是 ( )
A．用打气筒打气，气筒壁发热 B．内燃机做功冲程中，燃气对外做功
C．冬天对手哈气，手的温度升高 D．锯木头时，锯条发热
3. 如图所示的四种交通工具，不用热机作为动力机械的是 ( )
(
第
3题图
)
4. 关于“热机”，下列说法中错误的是 ( )
A．通过技术改进，可以使热机的效率达到100%
B．减少城市热岛效应的措施之一就是倡导“绿色出行”
C．用水而不用其他循环物质降低热机的温度，主要是利用水的比热容较大的特性
D．严寒的冬天，晚上把热机水箱中的水放出，是防止气温降低时，水凝固而胀坏水箱
5. 下列说法错误的是 ( )
A．现阶段，人类所用能量，大部分来源于燃料燃烧
B．燃料燃烧时化学能转化为内能
C．热值是表示燃料燃烧放热能力的物理量
D．汽车在行驶时，发动机把油料中的化学能全部转化成有用的机械能
6. 下列现象中，由机械能转化为内能的是 ( )
A．雨天时发生雷电 B．陨石的降落
C．电扇运转时间较长，电机发热 D．人劳动会出汗
7. 下列四种现象中，只发生能的转移而不发生能的转化的过程是 ( )
A．冬天，用手摸户外的金属杆时手感觉到冷
B．闭合开关后，灯泡发光
C．烧水时，水蒸气顶起壶盖
D．给电动自行车的蓄电池充电
8. 一箱汽油用掉一半后，关于它的说法下列正确的是 ( )
A．它的密度变为原来的一半 B．它的比热容变为原来的一半
C．它的热值变为原来的一半 D．它的质量变为原来的一半
9. 汽油机飞轮的转速是3000 r/min，可知每分钟内汽缸里燃气推动活塞做功次数是( )
A．1500次 B．3000次 C．6000次 D．750次
10. 汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分，现代汽车多数采用汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的工作循环示意图，下列说法中正确的是 ( )
(
第
10题图
)A．甲冲程是把机械能转化为内能
B．乙冲程是把内能转化为机械能
C．丙冲程是把机械能转化为内能
D．丁冲程是把内能转化为机械能
11. “长征六号”运载火箭首次采用了我国最新研制的大推力液氧煤油发动机．下列说法正确的是 ( )
A．煤油燃烧得越充分，其热值就越大 B．燃气对火箭做功，燃气的内能会增加
C．高温高压的燃气推动火箭升空把内能转化成机械能
D．使用煤油作燃料，是因为它是可再生能源
12. 如图能正确表示某种燃料的热值q与完全燃烧所放出热量Q的关系的是 ( )
(
A
B
C
D
第
12题图
)
13. 热机是将内能转化成________能的机器，在四冲程内燃机工作时，这种能的转化主要是在________冲程进行的；一台内燃机运行时各种能量的损耗大致为：汽缸直接散热损失占a%，废气带走的能量占b%， 摩擦等机械损耗占c%，则它的效率为________.
14. 质量为10千克的汽油，用去1/3后，剩下汽油的密度将________、比热容将________、热值将________。(填“变大”“变小”或“不变”)
15. 过春节时，同学们总喜欢燃放鞭炮．其中有一种鞭炮不需用火去点燃，只要稍用力将它甩向地面，鞭炮就可以爆响．鞭炮与地面发生碰撞时，通过________的方式，使它的内能_______（增大／减小）．火药爆炸过程相当于热机工作过程中的____________冲程。
16. 科学家发明了一款单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，在第四冲程结束后，立即向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速汽化成高温、高压水蒸气，推动活塞再次做功，水蒸气温度_______（升高／降低／不变），其内能_______（增大／减少／不变），这样燃烧同样多的燃料获得了更多的机械能，提高了热机的_______。为了进入下一个工作循环，这款内燃机的第六冲程是_______冲程。
17. “可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力。同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量可达煤气的数十倍，这说明“可燃冰”的 很大。1kg“可燃冰”完全燃烧大约放出4.2×108J的热量，可使 ㎏的水从20℃加热至60℃。（水的比热容为4.2×103kg/m3）
18.某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25℃加热到100℃，燃烧了6kg的无烟煤．[无烟煤的热值是3.4×107J/kg]试求：
（1）锅炉内200kg的水吸收的热量是多少焦耳？
（2）6kg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？
19. 某太阳能热水器，水容量为100L，该热水器在冬季有效日照时段里，平均每平方米的面积上每小时接收的太阳能约为2.8×106J，若该热水器接收太阳能的有效面积为1.5m2，每天日照时间按8h计算，若这些太阳能能使装满水的热水器中的水温从20℃升高到60℃[水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），水的密度为1.0×103kg/m3]，求：
（1）一天内热水器中的水吸收的热量；
（2）热水器在冬季的效率．
参考答案
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
答案 B B A A D B A D A A C A
13.机械 做功 （100-a-b-c）%
14. 不变 不变 不变
15. 做功 增加 做功
16. 降低 减少 效率 排气
17. 热值；2500
18. （1）6.3×107J（2）2.04×108J（3）30.9%
19. （1）1.68×107J （2）50%