四、机械能与内能的相互转化（第1课时）（培优教学课件）物理苏科版2024九年级上册

第十二章 机械能和内能 四、机械能与内能的相互转化（第1课时） 江苏凤凰科学技术出版社 九年级物理 上册 义务教育教科书 儿时，各种玩具车吸引着我们， 为什么有的玩具车不用电池也能向前运动? 现在，我们有了更多的疑问: 为什么汽车要加注燃料才能行驶? 为什么要向发动机的水箱中加水? ......... 让我们从能量的视角来探究其中的奥秘! 1. 说明: ppt使用高质量视频，资源比较大，本ppt约70MB. ……………………………………………………………………… 2. 视频资源：本ppt共有57张、2段视频，可根据需要选择点播. ①演示实验—《做功改变物体的内能》 ②动画讲解—《汽油机的工作过程》 ………………………………………………………………… 3. 免责声明：视频版权归原作者，如涉及版权问题，请联系删除。 4. 追责声明：课件版权归本工作室，侵权必究。 致老师、同学 导入新课 想一想 18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快汽车的速度已经超过了声速。 汽车是如何获得机械能的呢? 超声速汽车 1. 通过活动，知道做功是改变物体内能的另一种方式，是其他形式的能与内能相互转化的过程。 2. 了解热机的工作原理。 3. 了解四冲程汽油机的基本结构及其工作过程。 学习目标 1. 做功—改变物体内能的另一种方式 2. 热机 3. 课堂总结 4. 实践与练习 5. 综合提升训练 学习内容 一、做功—改变物体内能的另一种方式 第4节 机械能与内能的相互转化（第1课时） 一、做功—改变物体内能的另一种方式 1. 研究做功能否改变物体的内能 【做一做】如图所示，将铁丝快速弯折十余次，然后用手指触摸弯折处，你有何感觉? 铁丝的内能变化了吗? 【看一看】如图所示，在空气压缩引火仪的玻璃筒底部放一小团干燥的棉花，用力将活塞迅速下压，你看到了什么? 反复弯折铁丝 空气压缩引火仪 一、做功—改变物体内能的另一种方式 【实验现象】 （1）在《做一做》中，用手指触摸弯折处，感觉烫手（温度升高）， 铁丝的内能变大。 （2）在《看一看》中，硝化棉发生燃烧。 【议一议】 （1）在上述活动中，物体增加的内能是从哪里来的?能量是如何转化的? （2）你还有什么办法可以使铁丝的温度升高?这些方法中，哪些是用热传递的方式改变物体内能的?哪些是通过做功改变物体内能的? （3）你能再举一些通过做功改变物体内能的实例吗? 一、做功—改变物体内能的另一种方式 【分析】 （1）在上述活动中，弯折铁丝，人在做功，铁丝增加的内能是通过做功实现的，是将人的机械能转化为内能。 （2）使铁丝的温度升高的一些办法： 热传递方式使铁丝的温度升高的一些办法： ①用火焰加热；②太阳晒；③用热水烫；④用手焐。 做功方式使铁丝的温度升高的一些办法： ⑤用砂纸摩擦；⑥用锤子不断敲击；⑦反复弯折 …… 一、做功—改变物体内能的另一种方式 【结论】做功可以改变物体的内能，对物体做功，内能增加。 钻木取火 载人飞船返回舱进入大气层 一、做功—改变物体内能的另一种方式 【实例分析】 ②汽车急刹车时，轮胎克服地面间的摩擦做功，内能增加，温度升高，轮胎表面被烧焦。 ①搓手取暖是克服摩擦做功，使物体的内能增大，温度升高，是通过做功改变物体的内能。 一、做功—改变物体内能的另一种方式 2. 探究物体对外界做功时内能的变化 既然对物体做功，会使物体温度升高，内能增加；如果物体对外做功，那么物体的内能会怎样变化呢？ 【进行实验】 如图，在烧瓶（或可乐瓶）内盛少量水，并盖紧瓶塞。向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。 【思考】上述实验中，通过什么途径改变了烧瓶内空气的内能？ 演示实验——《气体对外界功时内能减少》 一、做功—改变物体内能的另一种方式 一、做功—改变物体内能的另一种方式 【实验现象】发现水蒸气把橡皮塞弹飞，同时瓶口出现了白雾。 【现象分析】当瓶塞跳飞出时，是瓶内水蒸气对瓶塞做功，水蒸气的内能减少，温度降低，水蒸气遇冷，液化成小液滴，于是就观察到“白雾”这种现象。 【实验结论】 水蒸气对外做功，内能减小，温度降低。 一、做功—改变物体内能的另一种方式 3. 结论： 做功可以改变物体的内能。外界对物体做功，内能增加；物体对外界做功，内能减小。 4. 从能量转化的角度理解内能的改变 有了内能的概念后，我们就能理解，对一个物体加热或者做功，就是使能量“流入”了物体的内部，物体的内能増加。能量通过这种方式被储存起来。 反过来，物体也可以对外放热或者做功，从而释放内能。 做功改变物体内能的实质是机械能与内能的转化。 热传递改变物体内能的实质是内能的转移。 对物体内能的改变是等效的。一个物体的温度升高，内能变大，可能是热传递，也可能是外界对物体做了功。 一、做功—改变物体内能的另一种方式 一、做功—改变物体内能的另一种方式 （2）实验二：向装有少量水的瓶子内打气，使瓶内的气压增大，当瓶塞跳起来时，可以看到瓶内出现白雾，这是因为水蒸气对瓶塞做功，内能______ (填“增加”或“减少”)，温度______ (填“升高”或“降低”)，水蒸气______而成小液滴。 （1）实验一：如图甲所示把活塞迅速压下去，观察到硝化棉燃烧，这是因为活塞压缩气体做功，空气的内能_____（选填”增加”或“减少”），温度_____(选填“升高”或“降低”)，达到棉花着火点的缘故。这个过程中是把_____能转化为_____能。 增加 升高 机械 减少 液化 降低 内 【例题3】在做功改变内能的实验中，老师做了两个实验。 【解析】 （1）活塞压缩空气对空气做功，空气的内能增加温度升高，这个过程把活塞的机械能转化成空气的内能。 （2）向装有少量水的瓶子内不断打气瓶子内的空气被压缩外界对空气做功，空气内能增加温度升高，当瓶塞跳起来时空气膨胀对瓶塞做功内能减小空气内的水蒸气放出热量温度降低液化成小液滴。 一、做功—改变物体内能的另一种方式 二、热机 第4节 机械能与内能的相互转化（第1课时） 二、热机 1. 热机及其原理 （1）探究热机原理 【实验】如图所示，在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电火花发生器的放电管紧紧塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入几滴酒精，再将盒盖盖紧，然后按动电火花发生器的按钮。你观察到什么现象? 【现象】塑料盒盖飞出去。 二、热机 【分析】在此过程中，酒精燃烧产生的燃气对外做功，燃气的内能转化为机械能。 根据这一原理，可以制造出将内能转化为机械能的机器——热机。 （2）热机 热机是热力发动机的简称，它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。 热机内部图 二、热机 （3）内燃机 内燃机是最常见的一种热机，按照所使用燃料的不同，内燃机可分为汽油机、柴油机和天然气发动机等。 柴油机 汽油机 天然气发动机 二、热机 2. 汽油机 （1）工作原理 利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。 （2）汽油机的构造 由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。 气缸 活 塞 连 杆 排气门 曲 轴 火花塞 进气门 ①冲程：汽油机在工作时，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。 ②四个冲程：汽油机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。 多数汽油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。 二、热机 （3）汽油机的四个冲程 二、热机 （4）汽油机的工作过程分析 ①吸气冲程 进气门打开，排气门关闭。活塞向下运动，汽油和空气的混合物被吸入气缸。 二、热机 ②压缩冲程 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，内能增加，温度升高。 能量转化： 机械能转化为内能。 二、热机 ③做功冲程 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞做功，并通过连杆带动曲轴转动，对外做功。 能量转化： 内能转化为机械能。 二、热机 ④排气冲程 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。 二、热机 冲程名称 进气 门 排气 门 活塞 运动 冲程的作用 能量转化 吸气冲程 开 闭 向下 吸入燃料和空气的混合物 压缩冲程 闭 闭 向上 压缩燃料和空气的混合物， 使其内能增大，温度升高 机械能转化 为内能 做功冲程 闭 闭 向下 火花塞产生电火花，点燃燃料，高温高压的燃气推动活塞做功，通过连杆、曲轴带动飞轮转动 内能转化为 机械能 排气冲程 闭 开 向上 排出废气 （5）汽油机四个冲程工作情况总结 二、热机 对外做功1次 飞轮转动2周 活塞往复2次 有4个冲程 1个工作 循环 在这个四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。 （6）汽油机一个工作循环情况总结 二、热机 喷油嘴 （1）工作原理 利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。 （2）柴油机的构造 与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。 3. 柴油机 二、热机 （3）工作过程 柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。 柴油机吸入气缸内的物质只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来。 二、热机 4. 柴油机和汽油机的异同点 项目 汽油机 柴油机 构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴 燃料 汽油 柴油 吸气冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 压缩冲程 压缩程度较小 压缩程度较大 做功冲程 点燃式，内能转化为机械能 压燃式，内能转化为机械能 排气冲程 排出废气 特点与适用范围 轻巧、功率小；小汽车、摩托车等 笨重、功率大；载重汽车、轮船等 相同点 一个工作循环都由四个冲程组成，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。压缩冲程把机械能转化为内能。做功冲程把内能转化为机械能。 二、热机 【例题2】内燃机有四个工作冲程，如图所示是内燃机的_______冲程，活塞上升时，汽缸内气体的内能______（选填“减少”或“增加”），_______能转化为________能。 压缩 增加 机械 内 【解析】 从图中可以看出进气门和排气门都是关闭的，活塞向上运动，所以是压缩冲程。压缩冲程活塞向上运动，压缩气体，使气体的体积减小、温度升高、机械能转化为内能。 【例题3】内燃机的一个工作循环由_____ 、_____ 、_____ 、______四个冲程组成。一台某型号单缸四冲程汽油机的飞轮速度是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功___次。 吸气 压缩 做功 排气 10 【解析】一个工作循环包括四个冲程，曲轴转动二周，对外做功一次。汽油机的飞轮速度是 = 汽油机每秒钟对外做功 =10 （次） 二、热机 【例题4】关于汽油机与柴油机的说法中，不正确的是（　　） A．柴油机汽缸顶部有个火花塞，汽油机汽缸顶部有个喷油嘴 B．柴油机通过压缩空气直接点燃柴油 C．汽油机与柴油机的工作过程都分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程 D．汽油机与柴油机使用的燃料不同 A 【解析】A．柴油机汽缸顶部有个喷油嘴，汽油机汽缸顶部有个火花塞，A错误. B．柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，采用压燃式，B正确. C．柴油机和汽油机的工作过程分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程，故C正确. D．汽油机与柴油机使用的燃料不同，汽油机的燃料是汽油，柴油机的燃料是柴油，故D正确. 所以选A. 二、热机 二、热机 5. 热机的发展历程 （1）蒸汽机 17世纪末，第一台带活塞的蒸汽机由法国物理学家、发明家巴本制成。经瓦特等人的改进，蒸汽机在工业生产上得到了广泛应用，人类从此进入了工业时代。但是，当时的蒸汽机在使用中能量损失大，效率只有5%~8%。 瓦特改良的蒸汽机 二、热机 （2）内燃机 为了进一步提高热机效率，人们设法让燃料在汽缸内燃烧，用燃烧的气体直接推动活塞做功，这就是内燃机。今天的燃油汽车、拖拉机、坦克等，都使用了内燃机。 （3）涡轮喷气发动机与火箭发动机 随着航空航天事业的发展，人们迫切需要大功率的发动机以提高飞行器的飞行速度，因此涡轮喷气发动机应运而生。涡轮喷气发动机使压缩后的混合气体在燃烧室燃烧，燃烧后剧烈膨胀的气体从尾部高速喷出，其巨大的反冲推力直接成为飞机的推进力。火箭发动机的工作原理与涡轮喷气发动机十分相似。主要的差别是，火箭自带燃料和氧化剂，可在大气层之外工作；涡轮喷气发动机只带燃料，利用空气做氧化剂，因此它只能在大气层内工作。 涡轮喷气发动机结构示意 二、热机 二、热机 （4）我国的火箭发动机研制历程 我国在火箭发动机的研制方面，固体火箭发动机和液体火箭发动机齐头并进，现已居世界前列。 2021年10月19日，我国研制的直径为3.5m的500t级整体式固体火箭发动机试车成功，这是目前世界上推力最大的固体火箭发动机。 2022年11月5日，我国自主研制的500t级液体火箭发动机首次整机试车成功。这些成果标志着我国火箭发动机的研制水平大幅提升，将有力推动中国航天梦的加速实现。 液体火箭发动机结构示意图 三、课堂总结 第4节 机械能与内能的相互转化（第1课时） 课堂总结 机械能与内能 的相互转化 ①热传递：实质是内能的转移。 ②做功：实质是其它形式的能与内能之间的转化。 ①热机：将燃料燃烧产生的燃气的内能转化为机械能。 ②内燃机的分类：汽油机、柴油机和天然气发动机。 ③内燃机一个工作循环：吸气、压缩、做功和排气冲程。 ④能量转化：压缩冲程，燃料的机械能转化为内能。 做功冲程：燃料的内能转化为机械能。 ⑤热机的发展历程：蒸汽机、内燃机、涡轮喷气发动机、 火箭发动机等。 改变内能的 两种方式 内燃机 四、实践与练习 第4节 机械能与内能的相互转化（第1课时） 【解析】这是一个开放性问题，目的是要让学生会辨别改变物体内能的两种方式。例如：可以采用加热的方式（热传递方式），或对冰进行摩擦（做功方式）。 实践与练习 1. 给你一块冰，你能用哪些方法使其熔化?这些方法中，哪些是采用做功方式?哪些是采用热传递方式? 【解析】 因为在打气过程中，一方面，打气筒的活塞与筒壁上下摩擦，机械能转化为内能，使气筒外壁变热；另一方面，活塞也压缩气体做功，使气体的内能增大，温度升高，通过热传递也使气筒外壁变热。 实践与练习 2. 用打气筒给自行车轮胎打气，打完后摸一摸打气筒的外壁，发现外壁变热了。请用所学的物理知识解释这一现象。 六、综合提升训练 第4节 机械能与内能的相互转化（第1课时） 综合提升训练 1. 如图的实验或事例都揭示了一定的物理知识，关于它们的说法正确的是（　　） A．甲图中，使小孩臀部发热是通过热传递的方式来实现的 B．乙图中，人搓手发热说明物体对外做功，内能增大 C．丙图钻木取火过程是机械能转化为内能 D．丁图中水蒸气将塞子冲出的过程中，水蒸气通过做功的方式使自己内能增大 C 综合提升训练 【解析】 A．坐滑梯时，臀部与滑梯相互摩擦做功，机械能转化为内能，是通过做功的方式改变物体的内能；故A错误； B．人搓手时相互摩擦，克服摩擦对手做功，手的内能变大，故B错误； C．钻木取火过程是克服摩擦做功的过程，机械能转化为内能，故C正确； D．图中试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减少，温度降低，故D错误。所以选C. 【解析】 当塞子从试管口被管内气体推出时，试管口附近伴随有白雾出现，因为试管内的气体对塞子做功，管内气体的内能转化为塞子的机械能，导致气体内能减少，温度降低，发生液化形成小水珠，试管口出现“白雾”。 综合提升训练 2. 如图所示，试管内装有水，用塞子塞紧试管口，用酒精灯加热试管底部，一段时间后，塞子从试管口被管内气体推出，试管口附近伴随有白雾出现，这是因为试管内的气体对塞子______时，将管内气体的______能转化为塞子的机械能，导致气体温度降低所致。 做功 内 【解析】医生用冰袋给发热病人降温，是人体放出了热量而温度降低，通过热传递改变了内能；铁丝反复弯折后发热，是通过做功，将机械能转化为内能，而改变内能的，是通过做功方式改变内能；搓手时，克服摩擦做功，将机械能转化内能，通过做功改变内能的；钢锯锯断木头，钢锯变热，钢锯与木头间有摩擦，锯木头过程，需要克服摩擦做功，通过做功改变钢锯的内能。与其他三个改变内能途径不同的是A选项，故A符合题意，BCD不符合题意。故选A. 综合提升训练 3. 下列实例中，改变物体内能的途径与其他三个不同的是（　） A．医生用冰袋给发热的病人降温 B．铁丝反复弯折后发热 C．搓手时手掌发热 D．钢锯锯断木头，钢锯变热 A 【解析】在内燃机的压缩冲程中，两个气门都关闭，活塞向上运动；如图所示。 综合提升训练 4. 如图甲是某汽油机的吸气冲程时的气门开闭情况和活塞的运动方向，仿照甲图在乙图中画出压缩冲程时的气门开闭和活塞和连杆的大致位置。 甲 乙 综合提升训练 5. 如图所示，内燃机工作过程中能的转化与图中水蒸气将塞子冲开时能的转化相同的是图 ____（选填“甲”“乙”“丙”或“丁”），若该内燃机的铭牌上标有3600r/min，则内燃机每秒做功 ______次。 甲 30 【解析】对试管中的水加热，使试管中水蒸气内能增大，使塞子飞出去，内能转化为塞子的机械能； 图甲中的气门都关闭，活塞向下运行，且上端的火花塞发出电火花，是做功冲程，把内能转化为机械能，图甲的能的转化与图中水蒸气将塞子冲开时能的转化相同的。若汽油机飞轮转速是3600r/min，即60r/s，所以此汽油机每秒钟转60圈，可完成30个工作循环，120个冲程，对外做30次功。 综合提升训练 综合提升训练 6. 如图所示，是研究做功与内能改变的一个实验装置，玻璃瓶内装入少量的水，用塞子把瓶口塞紧，并用打气筒往瓶内打气，瓶内压强增大到一定程度时，塞子会从瓶口跳起来。 （1）在这一实验中，你应该注意观察的是_____； A．打气的过程 B．打气的过程中瓶中的情况 C．塞子跳起的高度 D．塞子跳起的瞬间，瓶内发生的变化 （2）玻璃瓶内装入少量水的目的是_____； （3）你所观察到的现象是瓶内出现白雾， 这一现象所能说明的问题是_____。 D 见解析 物体对外做功，温度降低，内能减少 综合提升训练 【解析】 （1）本实验需要观察瓶塞跳起的瞬间瓶内出现的现象，故D符合题意，ABC不符合题意。故选D。 （2）玻璃瓶内装入少量的水，用打气筒往瓶内打气，瓶内气体温度升高，瓶内水汽化，产生大量的水蒸气，当气体对瓶塞做功，瓶塞跳起时，观察水蒸气的液化现象。 （3）当瓶内气体冲开瓶塞时，因为瓶内气体对塞子做功，内能减少，温度降低，瓶内的水蒸气液化形成雾，此现象说明物体对外做功，温度降低，内能减少。 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $$