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第十三章 内能与热机
第一节 物体的内能
教学目标
1.了解内能的概念,能简单描述温度和内能的关系。
2.知道热传递过程中,物体吸收(或放出)热量,温度升高(或降低),内能改变。
3.了解热量的概念,热量的单位是焦耳。
4.知道做功可以使物体内能增加和减少的一些事例。
教学过程
导入新课
你不停地用力搓手,或不停地用力跺脚,手和脚都会发热,搓手、跺脚,手和脚为什么会发热呢
教学过程1 物体的内能
活动1：物体的内能是什么
物体内所有分子无规则运动的动能,以及分子势能的总和叫做物体的内能。内能是自然界能量存在的一种形式。内能的国际单位是焦耳,符号为“J”。
活动2：什么是热运动
物理学中把分子的无规则运动叫做分子的热运动。分子的无规则运动与温度有关。
活动3：分子运动的剧烈程度与温度有关,那么分子具有的能是否也与温度有关
物体内能的大小跟温度有关,当一个物体的温度升高时,该物体的内能就会增大;温度降低,其内能就会减小。
活动4：内能除了与温度有关外,还与哪些因素有关
物体内能的大小不仅与物体的温度有关,还与物体的质量、状态、种类等有关。由于物体的内能与多个因素有关,所以比较物体内能的大小时,应该在控制变量的条件下进行。
活动5：内能与机械能有什么区别
内能与机械能的区别:机械能与整个物体的机械运动情况有关,内能与物体内部所有分子的热运动和分子间的相互作用情况有关。物体总具有内能,但不一定具有机械能。
活动6：0 ℃的物体内能为零吗
一切物体在任何情况下都具有内能,0 ℃的物体内能不为零。
跟踪训练
1.关于物体的内能,下列说法正确的是(　　)
A.一个分子动能和势能的总和叫做内能
B.一个物体的动能和势能的总和叫做内能
C.在0 ℃时,物体的内能也为0
D.物体内所有分子的动能和分子势能的总和叫做内能
【答案】D
教学过程2 改变物体内能的两种途径
活动1：物体的内能不是一定的,应根据什么判断物体的内能是否发生了变化
物体的内能与温度有关,可以用物体温度的变化来判断其内能是否发生了变化。
活动2：改变内能的途径有哪些 点燃酒精灯,将铁丝的一端放在酒精灯的火焰上灼烧,让一名同学手握铁丝的另一端,一会儿就觉得发烫,这是为什么
热量从铁丝的一端传递到了另一端,手握的这一端的温度升高了,内能增加了,物体的内能改变了。
活动3：将一根铁丝快速反复弯折数十次,铁丝弯折处就会发热,为什么
反复弯折的铁丝温度升高,内能增大。铁丝内能增大的原因是人对铁丝做了功,机械能转化为内能。
改变物体内能的两种途径是做功和热传递。做功改变物体的内能,实际上是内能和机械能之间的相互转化。对物体做功,物体内能会增加;物体对外做功,内能会减少。热传递改变物体的内能,实际上是内能发生了转移。
活动4：什么是热传递 发生热传递的条件是什么
能量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,这种现象叫做热传递。发生热传递的条件是物体之间或同一物体的不同部位之间存在着温度差。
活动5：热传递的方式有哪些 热传递的结果是什么
热传递有热传导、对流、热辐射三种方式。热传递的结果是物体的温度变得相同。
活动6：不看过程,只看结果,一个物体的内能增加了,你能知道是做功还是热传递改变了物体的内能吗
物体内能增加了,可能是外界对这个物体做了功,也可能是这个物体从外界吸收了热量,从这个角度看,做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。
跟踪训练
2.如图所示,通过做功改变物体内能的是(　　)
【答案】D
3.下列事例中,通过做功的途径改变物体内能的是(　　)
A.把饮料放入冰箱,饮料温度会降低
B.把酒精涂在手上,手会感觉到冰凉
C.在太阳光的照射下,路面温度升高
D.给自行车打气,打气筒壁会发热
【答案】D
教学过程3 热量
活动1：什么是热量 它的单位是什么
在热传递过程中,物体间内能传递的多少称为热量。热量常用字母Q表示,常用单位是焦耳,符号为“J”。
活动2：热量用什么术语来描述
热量是一个过程量,没有热传递,便谈不上热量,所以不能说物体具有(或含有)多少热量,更不能比较两个物体热量的大小或多少,只能说物体吸收或放出多少热量。
活动3：热传递过程中传递的是温度,还是能量
热传递过程中传递的是能量。
活动4：温度、热量、内能是三个重要的物理量,它们有什么区别和联系
(1)区别:①温度表示物体的冷热程度,对温度不能说“有”“没有”或“含有”等;②热量是内能的变化量,对热量只能说“吸收多少”或“放出多少”;③内能是物体内所有分子无规则运动的动能以及分子势能的总和,内能只能说“有”,不能说“无”。
(2)联系:①不发生物态变化时,物体吸收热量,内能增加,温度升高;物体放出热量,内能减少,温度降低;②发生物态变化时,物体吸收热量,内能增加,温度可能不变;物体放出热量,内能减少,温度可能不变。
跟踪训练
4.两个物体接触并发生热传递,实质上是内能从(　　)
A.能量多的物体传给能量少的物体
B.温度高的物体传给温度低的物体
C.质量大的物体传给质量小的物体
D.热量大的物体传给热量小的物体
【答案】B
5.关于温度、热量和内能,下列说法正确的是(　　)
A.温度高的物体内能一定大,温度低的物体内能一定小
B.物体的内能与温度有关,只要温度不变,物体的内能就一定不变
C.内能小的物体也可能将热量传递给内能大的物体
D.物体的温度越高,所含热量越多
【答案】C
布置作业
1.完成课本P28作业第1-4题。
第二节 科学探究：物质的比热容
教学目标
1.理解物质的比热容,比热容的单位及其读法。
2.知道比热容是物质的特性之一,会查物质的比热容表。
3.会根据水的比热容较大这一特性来解释一些有关的简单现象,会根据比热容进行热量计算。
教学过程
导入新课
暑假里,花迎春同学跟随父母去海边旅游,在沙滩上玩的时候,她发现了如图所示的奇怪现象,心想为什么在同样的阳光照射下,沙子更烫脚,而海水却较凉呢 你能帮她解释一下吗
教学过程1 实验：探究物质吸热或放热规律
活动1：物体吸收或放出热量的多少跟哪些因素有关呢
物体吸收或放出的热量可能跟物体的质量、物体温度变化的度数、物质的种类等有关。
活动2：怎样探究物体吸收的热量跟物质种类的关系呢
实验：探究不同质量的同种物质,温度变化时吸收热量的能力。
1.实验设计的思路:选取两种物质,让它们的质量、升高的温度相同,比较它们加热的时间。加热时间短的物质吸收热量少,加热时间长的物质吸收热量多。或者选取两种物质,让它们的质量、吸收的热量相同,比较两种物质温度升高的度数。温度升高度数小的吸收热量的能力强,温度升高度数大的吸收热量的能力弱。
2.实验器材:酒精灯、两只相同的烧杯(或一只烧杯、两支相同的试管)、火柴(或打火机)、两只搅拌器、质量相同的水和煤油、两支温度计、铁架台、钟表、天平。
思考：实验时怎样做才能让水和煤油吸收的热量相同
为了使水和煤油在相同的时间内吸收的热量相等,可以用两个完全相同的热源同时对它们加热,也可以把两种物质分别放入试管中,把两支试管同时放入同一个烧杯的水中,通过水给它们加热。
3.实验步骤:
(1)取相同质量的水和煤油分别倒入两只烧杯中,根据酒精灯火焰固定烧杯的高度,按照如图组装实验器材。
　　(2)观察并记录水和煤油的初温度t1,预先设定好液体加热的末温度t2。
(3)用酒精灯给烧杯加热,记下加热的开始时刻。加热过程中,上下反复缓慢地提拉搅拌器。
(4)当一种液体温度达到t2时,记录该液体加热的最终时刻,计算该液体加热的时间t。对另一液体作同样的观察和记录。
(5)将用过的水和煤油倒在事先准备好的器皿内。整理好实验器材。
活动3：对质量和初温都相同的水和煤油加热,吸收相同的热量后,哪种物质的温度升高得多 要让水和煤油升高相同的温度,对哪种物质加热的时间长 这说明了什么
对水和煤油加热,吸收相同的热量后,煤油的温度升高得多。要让水和煤油升高相同的温度,对水加热的时间长,这说明水吸收的热量多。由此可知,相同质量的不同种物质,升高相同的温度,吸收的热量不同。
教学过程2 物质的比热容
活动1：比热容描述的是物质的什么规律 比热容的定义、公式、单位是什么
(1)比热容描述的物质规律是相同质量的不同种物质,升高相同的温度,吸收的热量不同。
(2)比热容的大小等于一定质量的某种物质在温度升高(或降低)时吸收(或放出)的热量与它的质量和升高(或降低)温度的乘积之比。
(3)比热容用字母c表示,它的公式:c=,单位:J/(kg·℃)。
活动2：比热容的大小能不能等于单位质量的物质温度升高1 ℃吸收的热量 同种物质温度降低1 ℃放出的热量与温度升高1 ℃所吸收的热量相同吗
能;相同。
活动3：水的比热容是4.2×103 J/(kg·℃),它表示什么意思
1 kg水温度升高(或降低)1 ℃所吸收(或放出)的热量是4.2×103 J。
活动4：读“常见物质的比热容”表,你有哪些发现
(1)不同物质的比热容一般不同,水的比热容最大。
(2)液态物质的比热容一般比固态物质的比热容大。
(3)有个别不同种物质,它们的比热容相同(如冰、煤油);有个别同种物质,在不同状态下(如冰、水),比热容不同。
活动5：质量相同的情况下,吸收相同的热量,什么样的物质温度变化大 升高相同的温度,什么样的物质吸收热量多
质量相同的情况下,吸收相同的热量,比热容小的物质温度变化大(如煤油);升高相同的温度,比热容大的物质吸收热量多(如水)。
活动6：水的比热容最大,在生活、实践中有哪些应用
水的比热容最大,在同样条件下,水吸收或放出的热量多,因此常用冷水冷却汽车发动机,常用热水来取暖。
活动7：铝的比热容是0.88×103 J/(kg·℃),要把2 kg的铝块从30 ℃加热到100 ℃,至少需供给多少热量
1 kg铝温度升高1 ℃吸收的热量为0.88×103 J;
2 kg铝温度升高1 ℃吸收的热量为0.88×103 J×2=1.76×103 J;
2 kg铝温度升高100 ℃-30 ℃=70 ℃,吸收的热量为1.76×103 J×70=1.232×105 J。
吸热公式为Q吸=cm(t2-t1)。其中,Q吸表示物体吸收的热量,c表示物质的比热容,m表示物体的质量,t1表示物体的初温,t2表示物体的末温。同理可得放热公式Q放=cm(t1-t2)。
跟踪训练
1.下列各种情况下比热容会发生变化的是(　　)
A.一杯水倒去一半
B.水凝结成冰
C.一块铁加工成铁屑
D.15 ℃的水变成45 ℃的水
【答案】B
2.由Q=cm(t-t0)可得c=,关于同一种物质的比热容c,下列说法正确的是(　　)
A.若吸收的热量增大一倍,则比热容增大一倍
B.若质量增大一倍,则比热容减至一半
C.若加热前后的温度差增大一倍,则比热容增大一倍
D.无论质量多大,比热容都一样
【答案】D
3.在沙漠地区有“早穿皮袄午穿纱,夜抱火炉吃西瓜”的奇特现象.而沿海地区是“气候宜人,四季如春”,这表明水对气温有显著影响,是因为(　　)
A.水的透明度高,容易吸收太阳能
B.水的比热容比沙石的比热容大
C.水在蒸发时有致冷作用
D.水的对流性能好
【答案】B
4.铜的比热容是铅的比热容的3倍。质量相同的铜块和铅块,若它们升高的温度之比为1∶2,则它们吸热之比为(　　)
A.2∶3 B.3∶2
C.6∶1 D.1∶6
【答案】B
5.一太阳能热水器水箱内装有质量为80 kg的水,经太阳晒2 h后,温度从20 ℃升高到50 ℃所吸收的热量是　 　J,这是用　 　的方式增加了水的内能。
【答案】1.008×107 热传递
布置作业
1.完成课本P44作业第1-5题。
第三节 内燃机
教学目标
1.了解内燃机是热机的一种,通过模型或挂图了解汽油机、柴油机的构造及工作原理,了解汽油机和柴油机的主要区别。
2.能用文字或口头表述内燃机各冲程的工作状态和能量转化。
教学过程
导入新课
看图提问题:家用小轿车为什么会无言以对
教学过程1 热机和内燃机
活动1：用酒精灯给试管中的水加热,如图所示,水沸腾后,达到一定程度,软木塞就会被水蒸气推出,在这个过程中,能量是怎样转化的
内能转化为机械能。
活动2：热机是什么 热机分为哪些类型
(1)热机是把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置,又叫发动机。
(2)热机分为蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等类型。
活动3：什么是内燃机 常见的内燃机有哪些
燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机,叫做内燃机。内燃机中最常见的有汽油机和柴油机。
教学过程2 汽油机
活动1：汽油机使用的燃料是什么 汽油机主要由哪些部分组成
汽油机使用的燃料是汽油。汽油机主要由气缸、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、曲轴连杆、飞轮和火花塞组成。
活动2：什么叫冲程
汽油机工作时,活塞在气缸内做一次单向运动叫做一个冲程(或行程)。
活动3：汽油机是怎样工作的
汽油机的工作原理:
甲: 吸气冲程 进气阀 打开 排气阀 关闭 活塞向下运动 空气和汽油的混合气体通过进气道进入气缸
乙: 压缩冲程 进气阀 关闭 排气阀 关闭 活塞向上运动 混合气体被压缩,机械能转化为内能,内能增加、温度升高、压强增大
丙: 做功冲程 进气阀 关闭 排气阀 关闭 在压缩冲程末,火花塞产生电火花,气体迅速燃烧,高温高压气体迅速膨胀,使活塞向下运动 内能转化为机械能
丁: 排气冲程 进气阀 关闭 排气阀 打开 飞轮因为惯性继续转动使活塞向上运动,将燃烧后的废气排出缸外 接下来又进行吸气冲程
跟踪训练
1.如图为汽油机工作各冲程的示意图,表示做功冲程的是(　　)
【答案】D
2.单缸四冲程内燃机工作时,依靠飞轮惯性完成的是(　　)
A.只有吸气和压缩两个冲程
B.只有压缩和排气两个冲程
C.只有排气和吸气两个冲程
D.有吸气、压缩和排气三个冲程
【答案】D
3.我们知道:多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来连续工作的,关于压缩冲程的作用,下列说法正确的是(　　)
A.将废气排出气缸外
B.完成对外做功
C.吸进汽油和空气的混合物
D.压缩燃料和空气的混合物
【答案】D
教学过程3柴油机
活动1：柴油机使用的燃料是什么
柴油机使用的燃料是柴油。
活动2：柴油机主要由哪些部分组成
柴油机主要由排气门、喷油嘴、进气门、气缸、活塞、连杆、曲轴组成。
活动3：汽油机和柴油机有什么区别
汽油机和柴油机的区别:
汽油机 柴油机
构造 火花塞 喷油嘴
吸气冲程吸 入的物质 空气和汽油 空气
压缩冲程末气 缸内的温度 较高 更高
点火方式 点燃式 压燃式
做功冲程燃 气的压强 较大 更大
优缺点 效率低,燃点低;功率一般不大,较轻巧,工作平稳 效率较高,燃点较高;功率很大,较笨重,工作时震动较剧烈
应用 适于轻便快速工作,常在飞机、小汽车、摩托车上采用 适宜长途负荷大的工作,常在拖拉机、舰艇、坦克等上使用
活动4：四冲程内燃机在一个工作循环中,飞轮转几周 活塞往复运动几次 对外做功几次
四冲程内燃机在一个工作循环中,飞轮转动2周,活塞往复运动2次,气缸内的燃油燃烧爆发1次,对外做功1次。
活动5：内燃机的四个冲程之间有什么关系
(1)在一个工作循环中,只有第三个冲程燃气对外做功,其他三个冲程不但不做功,还要消耗机械能。
(2)做功冲程为其他三个冲程提供能量,其他三个冲程为做功冲程提供基础。
(3)吸气、压缩、排气冲程都要靠飞轮的惯性来完成。
跟踪训练
4.下列关于汽油机与柴油机的说法中,不正确的是(　　)
A.汽油机和柴油机使用的燃料不同
B.汽油机采用点燃式点火,柴油机采用压燃式点火
C.汽油机气缸顶部有个火花塞,柴油机气缸顶部有个喷油嘴
D.汽油机和柴油机除使用的燃料不同外,在构造上完全相同
【答案】D
5.一柴油机的飞轮转速为2 400 r/min,由此可推断,该柴油机每秒做功多少次
【答案】因该柴油机飞轮转速为2 400 r/min=40 r/s,即1 s内完成20个工作循环,所以每秒做功20次。
布置作业
1.完成课本P48作业第1-4题。
第四节 热机效率和环境保护
教学目标
1.从生活中体会不同燃料燃烧释放热能的本领不同,建立燃料热值的概念。
2.能利用燃料的热值表计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量。
3.了解热机工作时能量的主要流向,对热机效率有初步的认识,大致说出提高热机效率的途径。
教学过程
导入新课
烧菜做饭、奔驰的汽车与火车、火力发电、直入苍穹的火箭等都离不开燃料。燃料燃烧的过程是化学能转变为内能的过程。从原始人类学会用火起,至今,人们使用的能量绝大部分都还是通过燃料燃烧获得的。下面的一组数据表示一个四口之家使用某种燃料的月消耗量:柴:约200 kg;家用煤(蜂窝煤):约90 kg;液化石油气:约30 kg。使用不同的燃料,消耗量是不同的。你知道其中的道理吗
教学过程1 燃料的热值
活动1：燃料在燃烧过程中,能量是怎样进行转化的
燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。
活动2：燃料的热值是什么 其单位是什么
某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比,叫做这种燃料的热值。热值用字母q表示,单位是“J/kg”或“J/m3”。
活动3：酒精的热值是3.0×107 J/kg,煤气的热值是1.8×107 J/m3,它们分别表示的意思是什么
酒精的热值是3.0×107 J/kg,表示1 kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107 J。
煤气的热值是1.8×107 J/m3,表示1 m3的煤气完全燃烧放出的热量是1.8×107 J。
活动4：燃料热值的大小等于什么
燃料的热值等于1 kg这种燃料完全燃烧放出的热量。
活动5：某种燃料的热值是一定的吗 燃料的热值与什么有关
燃料的热值是燃料本身的一种性质,它的大小取决于物质的种类,同种燃料的热值相同,不同种燃料的热值一般不同。热值与燃料的质量及燃烧条件(是否完全燃烧)无关。
活动6：怎样计算气体燃料燃烧放出的热量
Q=mq用于计算固体和液体燃料燃烧放出的热量,Q=Vq用于计算气体燃料燃烧放出的热量。
跟踪训练
1.一支蜡烛在燃烧过程中,它的(　　)
A.质量变小,比热容变小,热值变小
B.质量变小,比热容变小,热值不变
C.质量不变,比热容不变,热值变小
D.质量变小,比热容不变,热值不变
【答案】D
2.下列关于热值的说法不正确的是(　　)
A.燃料不燃烧,其热值为零
B.燃料不完全燃烧其热值不会变小
C.燃料的热值与燃烧情况和质量无关,只与燃料种类有关
D.燃料燃烧时放出热量多的其热值不一定大
【答案】A
3.煤油的热值是4.6×107 J/kg,意义是　 　。将质量为10 kg的煤油完全燃烧放出的热量是　 　。
【答案】1 kg煤油完全燃烧释放4.6×107 J的热量 4.6×108 J
教学过程2 热机效率
活动1：燃料燃烧释放的能量有几个走向 从中你有什么发现
(1)燃料燃烧释放的能量有5个走向:①部分燃料未完全燃烧;②克服摩擦消耗能量;③废气排出带走能量;④机械传热损失能量;⑤转化为对外做有用功的能量。
(2)真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。
活动2：什么是热机效率 怎样计算热机效率的大小
(1)热机运转中,对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。
(2)热机效率的公式:η=×100%。
活动3：热机效率的特点是什么 为什么
热机效率的特点是总小于1,原因是燃料不能完全燃烧、废气排出带走能量、克服摩擦消耗能量、机械传热损失能量,没办法将全部能量都用来做功。
活动4：怎样提高热机的效率
提高热机效率的主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。首先要减少燃烧过程中的热量损失,其次是要尽量简化机械传动部分,并选用优良的润滑材料减小摩擦,以减少能量损失。
活动5：汽油机的效率为20%~30%,柴油机的效率为30%~40%,为什么柴油机的效率比汽油机的高
柴油机的效率比汽油机的高,原因是在做功冲程中,柴油机的燃气对活塞的压强大于汽油机的燃气对活塞的压强,在相等的时间内,柴油机的燃气对活塞做的功大于汽油机的燃气对活塞做的功。
跟踪训练
4.有人说“某汽油机比柴油机热机效率低”这句话的意思是(　　)
A.汽油机功率比柴油机功率小
B.汽油机用来做有用功的能量比柴油机少
C.汽油机比柴油机所消耗的燃料少
D.汽油机用来做有用功的能量跟燃料完全燃烧所放出的能量的比值比柴油机小
【答案】D
5.下列数据符合实际的是(　　)
A.水的比热容为4.2 J/(kg·℃)
B.在一个标准大气压下,水的沸点为100 ℃
C.汽油的热值为4.6×102 J/kg
D.柴油机的效率可以达到99%
【答案】B
教学过程3 环境保护
活动1：热机对环境的污染有哪些
热机对环境的污染有以下几个方面:
(1)烟尘污染:排放的烟尘使大气十分浑浊。
(2)酸雨污染:排放的二氧化硫和氮氧化合物与空气中的水结合成酸雨,破坏土壤结构,使土壤酸化、损坏建筑物、危害植物使林木降低抗病能力、在酸性湖泊中鱼的种类和数量大大减少。
(3)噪声污染:热机及带动的机器产生的声音会对环境形成噪声污染。
(4)温室效应:燃料燃烧产生的二氧化碳,使大气中二氧化碳的浓度逐年增加,以致引起“温室效应”,使地球的温度上升。
活动2：如何保护我们生存的环境
保护我们生存的环境的措施:①改进燃烧设备,加装消烟除尘装置;②集中供热;③改用气体燃料,普及煤气和天然气;④充分开发利用污染少和无污染的新能源;⑤在内燃机排气管上安装消音器,减小噪声污染;⑥大力植树种草;⑦加强立法,加强环卫部分的执法力度。对工厂和交通工具要强制达标排放。
跟踪训练
6.汽车为人类文明作出了巨大贡献,但同时也对自然生态环境造成了污染,为减小汽车尾气对居民的危害,某市政府购进了不少以天然气为燃料的汽车作公交车,成为街头一个新的亮点。
(1)这种汽车的发动机在做功冲程中将内能转化为　 　能。
(2)汽车使用天然气作燃料的优点是(写一条)　 　。
【答案】（1）机械 （2）节能或环保等
布置作业
1.完成课本P53作业第1-5题。

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