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一、知识梳理
1.能
能就是指能量.一切能量的单位都是焦耳,符号是J.一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能.功是能量变化的量度,我们可以用功的大小来量度做功前后物体能量的变化.能是表示物体做功能力大小的物理量.物体要对外界做功,就必须消耗本身的能量,或者从别处得到能量来补充.
2.动能
动能的定义或解释:(1)物体由于运动而具有的能叫做动能;(2)物理学中把物体的质量跟它速度的平方的乘积的一半叫做该物体的动能;(3)动能是一种物体由于有运动而具有的能量.它是一个由物体的质量和运动速度共同决定的并且其变化可以用功来量度的物理量.公式为Ek=mv2/2.
3.势能
势能的定义或解释:物体由于被举高或者发生弹性形变而具有的能.
在中学物理中,所研究的势能是重力势能和弹性势能.
重力势能是由于物体和地球间的相互吸引而产生的,它的大小随物体和地球的相对位置的变化而变化.重力势能是一种引力势能,公式为Ep=Gh=mgh.
弹性势能是由于物体发生弹性形变时,各部分之间存在相互作用的弹力而产生的,它的大小随各部分之间相对位置的变化而变化.在弹性限度内,弹簧发生的形变越大,弹性势能越大.
4.机械能
动能和势能统称为机械能.动能和势能之间可以相互转化,在动能和势能相互转化的过程中,如果忽略一切阻力,物体只受重力作用,或者受其他的力,但这些力不做功,那么,机械能的总量保持不变,即机械能守恒.
5.内能及其改变
(1)内能
分子动能:分子不停地做着无规则的热运动,因此分子具有动能.物体的温度越高,分子运动得越快,它们的动能越大.
分子势能:由于分子间有一定距离,而且存在着相互作用力,所以分子间具有势能.
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.一切物体的分子都在不停地做无规则运动,所以不论温度高低,一切物体都具有内能.
(2)内能的改变
改变物体内能有做功和热传递两种方式.
①做功的实质是能量的转化.对物体做功(压缩气体、克服摩擦、锻打、弯折等),物体的内能增加;气体膨胀对外做功,物体本身的内能减小.
②热传递的实质是能量的转移.在热传递的过程中,高温物体温度降低,内能减小;低温物体温度升高,内能增加.
做功和热传递在改变物体的内能上是等效的.
6.热传递
热传递是改变物体内能的一种方式,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.热传递有三种方式:传导、对流、辐射.在实际的热传递过程中,这三种方式往往是伴随着进行的.
7.热量
热量,符号Q.物体在热传递过程中转移能量的多少叫做热量.热量是在热传递过程中量度系统内能变化的物理量.
(1)热量的计算公式:Q=cmΔt;
(2)吸收热量的计算公式:Q吸=cm(t末-t初);
(3)放出热量的计算公式:Q放=cm(t初-t末);
(4)由能量守恒定律可知:Q吸=Q放(不考虑热损失).
8.比热容
比热容,符号c.单位质量的某种物质温度升高(降低)1℃所吸收(放出)的热量叫做这种物质的比热容.
在国际单位中,比热容的单位是焦耳/(千克·开),符号:J/(kg·K),常用单位是焦耳/(千克·摄氏度),符号:J/(kg·℃).比热容是反映物质的吸热(或放热)本领大小的物理量,它是物质的一种属性.任何物体都有自己的比热容,即使是同一种物质,所处物态不同,比热容也不相同.例如,水的比热容是4.2×103J/(kg·℃),而结成冰后的比热容则是2.1×103J/(kg·℃),几乎是液态水的一半.
9.热值
热值,符号q.单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值.在国际单位制中,热值的单位是焦耳/千克,即
J/kg;对于气体燃料而言,单位是焦耳/立方米,即J/m3.对热值的理解要注意的是燃料完全燃烧.保证充分燃烧的方法是:燃料颗粒尽可能地小而分散,有氧气,而且氧气要充分.在能量转化形式上,是将物质的化学能转化为内能.
10.热机
热机,就是把燃料燃烧释放出来的内能转化为机械能的机器.热机包括外燃机、内燃机、燃汽轮机等等.在现代社会中,内燃机是主要的机器.
内燃机的工作原理:让燃料在汽缸内燃烧生成高温高压的燃气,这些高温高压燃气膨胀而对外做功,使一部分内能转化为机械能,同时自己的内能减少,温度降低.
内燃机完成一次工作循环包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程.活塞往复两次,曲轴转动两周,便完成一个工作循环.在一个工作循环中,只对外做功一次.
压缩冲程是机械能转化为内能.做功冲程是内能转化为机械能.
热机的效率是反映热机性能的一项重要标志.转变为有用功的热量跟燃料完全燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率.影响热机效率的因素有:燃料不可能完全燃烧;高温热源总是对低温物体传递热量;克服机械传动的摩擦要消耗部分能量;尾气带走部分能量等.
二、重、难点剖析
1.具有能的物体一定在对外做功吗?
具有能的物体不一定在对外做功,如:悬挂着的钢球,它虽然具有重力势能,但它没有做功.
2.在弹性限度内,被拉伸的弹簧具有弹性势能,被压缩的弹簧具有弹性势能吗?
在弹性限度内,弹簧无论被拉伸还是被压缩都具有弹性势能,而且形变量越大,弹性势能越大.
3.如何判断机械能是否变化?
(1)由“机械能=动能+势能”判断.如:速度和高度不变,物体质量减小,则动能减小,重力势能减小,机械能减小;若质量和速度不变,物体高度减小,则动能不变,重力势能减小,机械能减小.
(2)在动能和势能相互转化的过程中,如果除重力和弹力外没有其他外力做功(没有其他形式能量补充或没有能量损失),则在动能和势能转化过程中机械能不变.
4.热量与内能
物体在吸收或放出热的过程中,传递的是能量.与功一样,热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量,是用来衡量物体内能的变化的.有过程,才有变化,离开过程,将毫无意义.就某一状态而言,只存在“内能”,根本不存在什么“热量”和“功”.因此,不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”.
5.热量和温度
热量是物体内能变化的量度,而温度是物体内部大量分子做无规则热运动激烈程度的宏观标志.虽然热传递的前提条件是两个物体之间存在温度差,但是,传递的是能量,不是温度,更不是根本不存在的“热质”.有热传递的发生,可以使物质的温度发生改变,但在晶体的熔化、凝固以及液体的沸腾等物态变化过程中,尽管存在热传递,但温度却保持不变.因此诸如“吸收的热量越多,温度变化就越大”“系统的温度越高,它放出的热量就越多”等说法是错误的.因为放出的热量不仅和温度的变化值有关,而且还与物体的质量、比热容、物态等有关.
6.内能与机械能
(1)内能与机械能是两种形式的能,两者都与运动有关,都描述物体的运动状态.一定条件下,内能和机械能是可以相互转化的.
(2)内能的研究对象是微观粒子,机械能的研究对象是宏观物体.内能由物体内分子无规则运动和相互作用的分子间相对位置决定,它与物体的机械运动情况无关;机械能是由物体的整体运动状态和物体间相对位置决定的能,它与物体的分子运动无关.可以说,内能和机械能是从不同的角度、不同的侧面描述了物体的运动.
(3)具有内能的物体不一定具有机械能;但具有机械能的物体一定具有内能,物体在任何情况下都具有内能.
三、易错点扫描
1.动能与势能转化问题的分析
(1)首先明确决定动能大小的因素、决定重力势能(或弹性势能)大小的因素,再看动能和重力势能(或弹性势能)如何变化.
(2)要注意动能和势能相互转化过程中能量的损失和增大,如果除重力和弹力外没有其他外力做功(即:没有其他形式能量补充或没有能量损失),则动能与势能转化过程中机械能不变.
2.温度越高的物体内能一定越大吗?
同一个物体,它的温度越高,分子无规则运动的速度越大,因此分子的动能变大,导致物体内部分子动能和势能的总和增加.例如,一个铁块在烧红时的内能比它冷却时的内能大.对于内能与温度的关系不能错误地理解为温度越高的物体内能越大,内能的大小除了与温度有关,还与其他因素有关,而其他因素将在我们以后的物理学习中介绍.但对同一个物体而言,温度升高,内能增加;温度降低,内能减少.
3.内燃机的工作循环是如何完成的?
内燃机的每一个工作循环分为四个阶段:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程.在这四个阶段,吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的,而做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程,是由内能转化为机械能.另外压缩冲程将机械能转化为内能.
4.关于热值的理解
(1)对于热值的概念,要注重理解三个关键词:“1kg”“某种燃料”“完全燃烧”.1kg是针对燃料的质量而言,如果燃料的质量不是1kg,那么该燃料完全燃烧放出的热量就不是热值.某种燃料说明热值与燃料的种类有关.完全燃烧表明要完全烧尽,否则1kg燃料的化学能转变成内能就不是该燃料的热值.
(2)热值反映的是某种物质的一种燃烧特性,同时反映出不同燃料燃烧过程中化学能转变成内能的本领大小,也就是说,它是燃料本身的一种特性,只与燃料的种类有关.
四、典型例题
例1 跳伞运动员从空中匀速下落,人和伞的().
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
解析从动能、重力势能、机械能的概念出发去分析问题.匀速下落的跳伞运动员,质量和速度不变,动能不变;下落过程中,相对地面的高度减小,重力势能减少;机械能=动能+势能,动能不变,势能减少,故机械能减少.
选B.
例2下列说法中正确的是().
A.100℃的水比50℃的水所含的热量多
B.温度升高得多的物体吸收的热量一定多
C.热传递时高温物体将温度传给低温物体
D.热传递时高温物体将热量传给低温物体
解析物体之间没有热传递就谈不上热量,因此说物体含有多少热量是错误的;物体在热传递过程中,吸收或放出热量的多少,不仅与温度的变化有关,还与其他因素有关;温度是分子无规则运动剧烈程度的标志,热传递过程中传递的不是温度而是能量,所以A、B、C的说法都是错误的.
选D.
例3质量为1kg的铝壶中装有500g10℃的水,给壶加热,使水温升高到100℃,需要吸收多少热量?
解析本题中水温升高要吸热,铝壶也要吸热,铝壶的初温、末温和里面水的初温、末温应相同,求需要的热量就是铝壶和水吸收的热量之和.
Q吸=Q铝+Q水
= c铝m铝△t + c水m水△t
= 8.8×102J/(kg·℃)×1kg×90℃+ 4.2×103J/(kg·℃)×0.5kg×90℃
=2.682×105J.
例4卖火柴的小女孩在严寒中只能靠点燃火柴取暖.一根火柴的质量约为0.065g,火柴的热值平均为1.2×107J/kg,求一根火柴完全燃烧能使1m3的空气温度升高多少摄氏度?〔已知空气的密度为1.3kg/m3,比热容为1×103J/(kg·℃)〕
解析设火柴完全燃烧释放的热量全部被空气吸收,即Q吸=Q放.
cm1△t=qm2
所以完全燃烧一根火柴能使1m3的空气升高的温度为:
△t=qm2/cm1=qm2/cρV=1.2×107J/kg×0.065
×10-3kg/[1×103J/(kg·℃)×1.3kg/m3×1m3]=0.6℃.
例5汽油机工作的四个冲程为:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程,如图所示为冲程.在压缩冲程中,活塞压缩气体做功,气体的内能 (选填“增大”或“减少”),能转化为气体的内能.
解析从图中可以看出:两气门关闭,火花塞发出电火花,活塞向下运动,所以是做功冲程;在压缩冲程中,活塞向上运动,压缩气体做功,机械能转化为内能,气体内能增加.
分别填“做功”“增加”“机械”.
1.能
能就是指能量.一切能量的单位都是焦耳,符号是J.一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能.功是能量变化的量度,我们可以用功的大小来量度做功前后物体能量的变化.能是表示物体做功能力大小的物理量.物体要对外界做功,就必须消耗本身的能量,或者从别处得到能量来补充.
2.动能
动能的定义或解释:(1)物体由于运动而具有的能叫做动能;(2)物理学中把物体的质量跟它速度的平方的乘积的一半叫做该物体的动能;(3)动能是一种物体由于有运动而具有的能量.它是一个由物体的质量和运动速度共同决定的并且其变化可以用功来量度的物理量.公式为Ek=mv2/2.
3.势能
势能的定义或解释:物体由于被举高或者发生弹性形变而具有的能.
在中学物理中,所研究的势能是重力势能和弹性势能.
重力势能是由于物体和地球间的相互吸引而产生的,它的大小随物体和地球的相对位置的变化而变化.重力势能是一种引力势能,公式为Ep=Gh=mgh.
弹性势能是由于物体发生弹性形变时,各部分之间存在相互作用的弹力而产生的,它的大小随各部分之间相对位置的变化而变化.在弹性限度内,弹簧发生的形变越大,弹性势能越大.
4.机械能
动能和势能统称为机械能.动能和势能之间可以相互转化,在动能和势能相互转化的过程中,如果忽略一切阻力,物体只受重力作用,或者受其他的力,但这些力不做功,那么,机械能的总量保持不变,即机械能守恒.
5.内能及其改变
(1)内能
分子动能:分子不停地做着无规则的热运动,因此分子具有动能.物体的温度越高,分子运动得越快,它们的动能越大.
分子势能:由于分子间有一定距离,而且存在着相互作用力,所以分子间具有势能.
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.一切物体的分子都在不停地做无规则运动,所以不论温度高低,一切物体都具有内能.
(2)内能的改变
改变物体内能有做功和热传递两种方式.
①做功的实质是能量的转化.对物体做功(压缩气体、克服摩擦、锻打、弯折等),物体的内能增加;气体膨胀对外做功,物体本身的内能减小.
②热传递的实质是能量的转移.在热传递的过程中,高温物体温度降低,内能减小;低温物体温度升高,内能增加.
做功和热传递在改变物体的内能上是等效的.
6.热传递
热传递是改变物体内能的一种方式,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.热传递有三种方式:传导、对流、辐射.在实际的热传递过程中,这三种方式往往是伴随着进行的.
7.热量
热量,符号Q.物体在热传递过程中转移能量的多少叫做热量.热量是在热传递过程中量度系统内能变化的物理量.
(1)热量的计算公式:Q=cmΔt;
(2)吸收热量的计算公式:Q吸=cm(t末-t初);
(3)放出热量的计算公式:Q放=cm(t初-t末);
(4)由能量守恒定律可知:Q吸=Q放(不考虑热损失).
8.比热容
比热容,符号c.单位质量的某种物质温度升高(降低)1℃所吸收(放出)的热量叫做这种物质的比热容.
在国际单位中,比热容的单位是焦耳/(千克·开),符号:J/(kg·K),常用单位是焦耳/(千克·摄氏度),符号:J/(kg·℃).比热容是反映物质的吸热(或放热)本领大小的物理量,它是物质的一种属性.任何物体都有自己的比热容,即使是同一种物质,所处物态不同,比热容也不相同.例如,水的比热容是4.2×103J/(kg·℃),而结成冰后的比热容则是2.1×103J/(kg·℃),几乎是液态水的一半.
9.热值
热值,符号q.单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值.在国际单位制中,热值的单位是焦耳/千克,即
J/kg;对于气体燃料而言,单位是焦耳/立方米,即J/m3.对热值的理解要注意的是燃料完全燃烧.保证充分燃烧的方法是:燃料颗粒尽可能地小而分散,有氧气,而且氧气要充分.在能量转化形式上,是将物质的化学能转化为内能.
10.热机
热机,就是把燃料燃烧释放出来的内能转化为机械能的机器.热机包括外燃机、内燃机、燃汽轮机等等.在现代社会中,内燃机是主要的机器.
内燃机的工作原理:让燃料在汽缸内燃烧生成高温高压的燃气,这些高温高压燃气膨胀而对外做功,使一部分内能转化为机械能,同时自己的内能减少,温度降低.
内燃机完成一次工作循环包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程.活塞往复两次,曲轴转动两周,便完成一个工作循环.在一个工作循环中,只对外做功一次.
压缩冲程是机械能转化为内能.做功冲程是内能转化为机械能.
热机的效率是反映热机性能的一项重要标志.转变为有用功的热量跟燃料完全燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率.影响热机效率的因素有:燃料不可能完全燃烧;高温热源总是对低温物体传递热量;克服机械传动的摩擦要消耗部分能量;尾气带走部分能量等.
二、重、难点剖析
1.具有能的物体一定在对外做功吗?
具有能的物体不一定在对外做功,如:悬挂着的钢球,它虽然具有重力势能,但它没有做功.
2.在弹性限度内,被拉伸的弹簧具有弹性势能,被压缩的弹簧具有弹性势能吗?
在弹性限度内,弹簧无论被拉伸还是被压缩都具有弹性势能,而且形变量越大,弹性势能越大.
3.如何判断机械能是否变化?
(1)由“机械能=动能+势能”判断.如:速度和高度不变,物体质量减小,则动能减小,重力势能减小,机械能减小;若质量和速度不变,物体高度减小,则动能不变,重力势能减小,机械能减小.
(2)在动能和势能相互转化的过程中,如果除重力和弹力外没有其他外力做功(没有其他形式能量补充或没有能量损失),则在动能和势能转化过程中机械能不变.
4.热量与内能
物体在吸收或放出热的过程中,传递的是能量.与功一样,热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量,是用来衡量物体内能的变化的.有过程,才有变化,离开过程,将毫无意义.就某一状态而言,只存在“内能”,根本不存在什么“热量”和“功”.因此,不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”.
5.热量和温度
热量是物体内能变化的量度,而温度是物体内部大量分子做无规则热运动激烈程度的宏观标志.虽然热传递的前提条件是两个物体之间存在温度差,但是,传递的是能量,不是温度,更不是根本不存在的“热质”.有热传递的发生,可以使物质的温度发生改变,但在晶体的熔化、凝固以及液体的沸腾等物态变化过程中,尽管存在热传递,但温度却保持不变.因此诸如“吸收的热量越多,温度变化就越大”“系统的温度越高,它放出的热量就越多”等说法是错误的.因为放出的热量不仅和温度的变化值有关,而且还与物体的质量、比热容、物态等有关.
6.内能与机械能
(1)内能与机械能是两种形式的能,两者都与运动有关,都描述物体的运动状态.一定条件下,内能和机械能是可以相互转化的.
(2)内能的研究对象是微观粒子,机械能的研究对象是宏观物体.内能由物体内分子无规则运动和相互作用的分子间相对位置决定,它与物体的机械运动情况无关;机械能是由物体的整体运动状态和物体间相对位置决定的能,它与物体的分子运动无关.可以说,内能和机械能是从不同的角度、不同的侧面描述了物体的运动.
(3)具有内能的物体不一定具有机械能;但具有机械能的物体一定具有内能,物体在任何情况下都具有内能.
三、易错点扫描
1.动能与势能转化问题的分析
(1)首先明确决定动能大小的因素、决定重力势能(或弹性势能)大小的因素,再看动能和重力势能(或弹性势能)如何变化.
(2)要注意动能和势能相互转化过程中能量的损失和增大,如果除重力和弹力外没有其他外力做功(即:没有其他形式能量补充或没有能量损失),则动能与势能转化过程中机械能不变.
2.温度越高的物体内能一定越大吗?
同一个物体,它的温度越高,分子无规则运动的速度越大,因此分子的动能变大,导致物体内部分子动能和势能的总和增加.例如,一个铁块在烧红时的内能比它冷却时的内能大.对于内能与温度的关系不能错误地理解为温度越高的物体内能越大,内能的大小除了与温度有关,还与其他因素有关,而其他因素将在我们以后的物理学习中介绍.但对同一个物体而言,温度升高,内能增加;温度降低,内能减少.
3.内燃机的工作循环是如何完成的?
内燃机的每一个工作循环分为四个阶段:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程.在这四个阶段,吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的,而做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程,是由内能转化为机械能.另外压缩冲程将机械能转化为内能.
4.关于热值的理解
(1)对于热值的概念,要注重理解三个关键词:“1kg”“某种燃料”“完全燃烧”.1kg是针对燃料的质量而言,如果燃料的质量不是1kg,那么该燃料完全燃烧放出的热量就不是热值.某种燃料说明热值与燃料的种类有关.完全燃烧表明要完全烧尽,否则1kg燃料的化学能转变成内能就不是该燃料的热值.
(2)热值反映的是某种物质的一种燃烧特性,同时反映出不同燃料燃烧过程中化学能转变成内能的本领大小,也就是说,它是燃料本身的一种特性,只与燃料的种类有关.
四、典型例题
例1 跳伞运动员从空中匀速下落,人和伞的().
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
解析从动能、重力势能、机械能的概念出发去分析问题.匀速下落的跳伞运动员,质量和速度不变,动能不变;下落过程中,相对地面的高度减小,重力势能减少;机械能=动能+势能,动能不变,势能减少,故机械能减少.
选B.
例2下列说法中正确的是().
A.100℃的水比50℃的水所含的热量多
B.温度升高得多的物体吸收的热量一定多
C.热传递时高温物体将温度传给低温物体
D.热传递时高温物体将热量传给低温物体
解析物体之间没有热传递就谈不上热量,因此说物体含有多少热量是错误的;物体在热传递过程中,吸收或放出热量的多少,不仅与温度的变化有关,还与其他因素有关;温度是分子无规则运动剧烈程度的标志,热传递过程中传递的不是温度而是能量,所以A、B、C的说法都是错误的.
选D.
例3质量为1kg的铝壶中装有500g10℃的水,给壶加热,使水温升高到100℃,需要吸收多少热量?
解析本题中水温升高要吸热,铝壶也要吸热,铝壶的初温、末温和里面水的初温、末温应相同,求需要的热量就是铝壶和水吸收的热量之和.
Q吸=Q铝+Q水
= c铝m铝△t + c水m水△t
= 8.8×102J/(kg·℃)×1kg×90℃+ 4.2×103J/(kg·℃)×0.5kg×90℃
=2.682×105J.
例4卖火柴的小女孩在严寒中只能靠点燃火柴取暖.一根火柴的质量约为0.065g,火柴的热值平均为1.2×107J/kg,求一根火柴完全燃烧能使1m3的空气温度升高多少摄氏度?〔已知空气的密度为1.3kg/m3,比热容为1×103J/(kg·℃)〕
解析设火柴完全燃烧释放的热量全部被空气吸收,即Q吸=Q放.
cm1△t=qm2
所以完全燃烧一根火柴能使1m3的空气升高的温度为:
△t=qm2/cm1=qm2/cρV=1.2×107J/kg×0.065
×10-3kg/[1×103J/(kg·℃)×1.3kg/m3×1m3]=0.6℃.
例5汽油机工作的四个冲程为:吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程,如图所示为冲程.在压缩冲程中,活塞压缩气体做功,气体的内能 (选填“增大”或“减少”),能转化为气体的内能.
解析从图中可以看出:两气门关闭,火花塞发出电火花,活塞向下运动,所以是做功冲程;在压缩冲程中,活塞向上运动,压缩气体做功,机械能转化为内能,气体内能增加.
分别填“做功”“增加”“机械”.