四、机械能与内能的相互转化（第2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2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30MB. ……………………………………………………………………… 2. 视频资源：本ppt共有38张、1段视频，可根据需要选择点播. 视频讲解—《热值的概念》 ………………………………………………………………… 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 为什么有的汽车用汽油，有的汽车用柴油，还有的汽车用天然气？ 也许是由于相等质量的不同燃料燃烧时，产生的热量不同。 1. 通过实验探究，建立热值的概念。 2. 会查热值表，会进行燃料燃烧放热的简单计算。 学习目标 1. 燃料的热值 2. 课堂总结 3. 实践与练习 4. 综合提升训练 学习内容 一、燃料的热值 第4节 机械能与内能的相互转化（第2课时） 一、燃料的热值 1. 比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量 【做一做】 取质量相等的酒精和面巾纸碎片各5g，分别放入两个燃烧皿中，点燃后对装有相等质量的水（约30g）的试管加热，使酒精和面巾纸碎片充分燃烧。记录加热前后两支温度计的示数。 一、燃料的热值 燃料 加热前的 水温/℃ 燃料燃尽 后的水温/℃ 水温的 变化/℃ 酒精 25 65 40 面巾碎纸片 25 44 19 数据记录表格 一、燃料的热值 【想一想】相同质量的酒精与面巾碎纸片充分燃烧后，试管中水温的变化一样吗？这说明了什么？ 【实验分析】相同质量的酒精与面巾碎纸片充分燃烧后，试管中水温的变化不一样。实验表明：相同质量的酒精与面巾碎纸片燃烧后，酒精比面巾碎纸片放出的热量多。 【实验结论】 质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是不相等的。 2. 燃料的热值 由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 （1）定义：燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。用字母q表示。 （2）公式：q= Q表示放出的热量，单位是焦，符号为 J； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg； q表示热值，单位是焦/千克，符号为 J/kg。 一、燃料的热值 （3）热值的物理意义 热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。 同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 （4）燃料燃烧放出热量的计算 一、燃料的热值 一、燃料的热值 （5）气体燃料的热值 ①定义：气体燃料完全燃烧放出的热量与其体积之比，叫作这种气体燃料的热值。 ②公式：q= V 表示气体燃料的体积，单位是米3，符号为m3； Q 表示放出的热量，单位是焦，符号为J； q 表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3，符号为J/m3。 一、燃料的热值 3. 一些燃料的热值 【想一想】 ①热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？ ②火箭上为什么用液态氢作燃料？ ③热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？ 【解答】 ①表中热值最大的是氢，热值1.4×108J/kg，热值最小的是干木柴，热值1.2×107J/kg。 ②火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大。 ③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值。 一、燃料的热值 一、燃料的热值 视频欣赏——《热值的概念》 一、燃料的热值 4. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 热机也有类似的情况，汽油在汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量，机械装置吸收了一部分能量，废气带走了一部分能量，由于机械传动等克服摩擦消耗了一部分能量，等等。真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做有用功的能量是被有效利用的。 燃料的 内能 一、燃料的热值 （2）热机的效率 ①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫作热机的效率。 ②公式： η 或 η ③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，可以节约能源。 一、燃料的热值 （3）提高热机效率的主要途径 ①尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量。大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。 ②在热机的设计和制造上，采用先进的技术。 ③使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 【例题1】关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ） A. 热值在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量 B. 10kg木炭比1kg木炭的热值大 C. 热值大的燃料比热值小的燃料燃烧时放出的热量多 D. 燃料燃烧时放出热量的多少与是否完全燃烧有关 D 【解析】热值是燃料的一种属性，同种燃料的热值相同。燃料燃烧时放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系，因此热值大的燃料燃烧时放出的热量不一定多。故选D。 一、燃料的热值 一、燃料的热值 【例题2】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的煤气，这是通过 的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）。 ［水的比热容c水=4.2×103J/（kg℃），煤气的热值 q煤气=4.8×107J/kg］ 不变 热传递 6.72×105 1.6×10-2 一、燃料的热值 【解析】将2kg水从20℃加热到100℃，水吸收的热量为 Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃-20℃)=6.72×105J 由题意可知，若不计热量损失，则Q放=Q吸=6.72×105J 由Q放=mq可得，需要完全燃烧的煤气质量为 水变热，水吸收热量、内能增大，是通过热传递改变物体的内能。 燃料的热值是燃料自身的一种性质，与它是否完全燃烧没有关系，若煤气燃烧不充分，其热值不变。 （3）从表中数据可发现，质量相同的酒精和碎纸片都充分燃烧后，______放出的热量多。 （4）通过实验表明，质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是 ______（填“相同”或“不同”）的。 【例题3】小明采用如图所示的装置进行探究“质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量”。 （1）探究过程中，要控制两套装置中燃料的质量和水的_______（选填“初始温度”、“质量”）一定要相等。 （2）实验后，可以通过比较____________（填“加热时间”或“水升高的温度”）来比较酒精和碎纸片放出的热量多少。 不同 燃料 加热前的水温/℃ 燃料燃尽后 的水温/℃ 酒精 25 65 纸片 25 44 质量 水升高的温度 酒精 一、燃料的热值 【解析】 （1）由于探究过程中，燃料燃烧放出的热量与 燃料的质量和种类有关，要比较酒精和碎纸片的放热 多少，应该要控制两套装置中燃料的质量和水的质量一定要相等。 （2）实验中，用酒精和碎纸片燃烧给水加热，可通过水升高的温度来比较酒精和碎纸片放出的热量多少。 （3）由表格中的数据可知，酒精使水升高的 温度更高，所以酒精放出的热量多。 （4）根据实验的数据可得出，质量相等的 不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是不同的。 一、燃料的热值 【例题4】如图是某内燃机的能量流向图。 下列有关说法正确的是（　　） A．①是废气带走的热量 B．该内燃机是在压缩冲程获得动力 C．该内燃机的效率为28% D．改进构造减小摩擦可提高③所占百分比 B 【解析】A．内燃机的能量流向中，废气带走的能量占比最大，所以③是废气带走的热量，故A错误； B．内燃机是在做功冲程获得动力，内能转化为机械能，故B错误； C．该内燃机的效率为100%-6%-30%-36%=28%，故C正确； D．改进构造减小摩擦可提高机械效率，即提高有用机械能的占比，故D错误。 二、课堂总结 第4节 机械能与内能的相互转化（第2课时） 课堂总结 机械能与内能 的相互转化 ①定义：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比。 是燃料的一种特性。 ②公式：固体q 气体q ③单位：焦/千克（J/kg）、焦/米3（J/m3 ） ①热机的效率：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比。 ② 公式：η ③提高热机效率的方法：利用废气的能量、减少机械摩擦、尽量使燃料充分燃烧等。 热 值 热机的效率 三、实践与练习 第4节 机械能与内能的相互转化（第2课时） 【解析】“西气东输”的主要输送对象是天然气，其三个主要用途，一是工业发电，二是化工原料，三是民用燃气。东西部能源拥有量和需求间有巨大落差，存在着大的“势能”，“西气东输”工程正是将这种“势能”释放出来的过程。因此“西气东输”工程不仅将使我国天然气在能源消费结构中的比重提高到 8%左右，改变天然气在我国一次能源构成中的比重不到3%，而世界平均水平已达23.8%的落后局面，而且西部供气地区和长江三角洲地区将直接从“西气东输”中受益，拉动了西部的经济发展，带动了全局性的产业升级。铺设这样一条长距离大口径的输气管道，既可加速改善东部地区的能源结构，也会有力拉动相关产业的发展，激活沿途省区天然气加工、石油化工、建材、钢铁、水泥、土建安装和机械、电子等行业的发展潜能，从而在全国形成最大的一块新的经济增长带. 实践与练习 3. 随着“西气东输”工程的实施，我国大部分城市开始用天然气来取代煤气和液化石油气。请你查找相关资料，谈谈这样做有什么好处。 【解析】航天飞船穿越大气层返回地面时，与大气层发生摩擦，机械能转化为内能，是通过做功的方式，增加了飞船的内能，从而使飞船温度升高。 实践与练习 4. 火箭的外壳有一层烧蚀材料，可以有效防止火箭因高温而损坏。想一想，为什么火箭在大气层飞行时温度会升高? 四、综合提升训练 第4节 机械能与内能的相互转化（第2课时） 综合提升训练 1. 2022年11月，神舟十五号载人火箭将了名航天员送入中国空间站。下列关于神舟十五号升空过程中分析正确的是（　　） A．神舟十五号火箭的发动机不是热机 B．神舟十五号火箭利用氢做燃料是因为氢的热值大 C．神舟十五号火箭对氢能的利用效率可以达到100% D．神舟十五号火箭加速升空过程中机械能守恒 B 【解析】A．神舟十五号火箭的发动机工作时把燃烧燃料时产生的内能转化为机械能，因此属于热机，故A错误； B．火箭选用液态作氢燃料是因为氢的热值大，与质量相同的其它热值小的燃料相比，氢燃烧能放出更多的热量，故B正确； C．氢燃烧产生的热量并不能被火箭完全利用，一部分转化成火箭的内能，使火箭温度升高，还有一部分散失在周围环境，因此火箭对氢能的利用效率小干100%，故C错误； D．神舟十五号火箭加速升空的过程中，质量不变（忽略燃料质量的变化），速度增大，动能增大，高度增大，重力势能增大，机械能等于动能与势能之和，因此机械能增大，故D错误。故选B。 综合提升训练 综合提升训练 【解析】 干木柴的热值为 = = = 1.2×107J/kg 热值是燃料的特性，其大小只与燃料的种类有关，而与燃料的质量无关，用掉一半后，干木柴的热值仍为1.2×107J/kg. 2. 小越参加一次长跑，身体消耗的能量为6.6×106J，这些能量相当于完全燃烧0.55kg的干木柴才能得到，则干木柴的热值为_________J/kg，如果用掉一半后，干木柴的热值将_______（选填“变大”“变小”或“不变”）。 1.2×107 不变 【解析】ABC．为了比较热值大小要用不同的燃料，燃料的质量相同，加热同一种液体，让液体和烧杯的质量相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小，故ABC不符合题意； D．记录燃料完全燃烧后液体的温度，不需要控制各自的加热时间，故D符合题意。所以选D. 综合提升训练 3. 在“比较燃料热值大小”的实验中，不需要控制相同或相等的因素是（　　） A．两种燃料的质量 B．两只装水的烧杯 C．烧杯中水的质量 D．各自加热的时间 D 综合提升训练 【解析】由题意知消耗汽油的质量m=10g=0.01kg 汽油完全燃烧产生的热量Q=mq=0.01kg×4.6×107J/kg=4.6×105J 根据热机效率η ，汽油机输出的有用机械能 = η= 4.6×105J×30%=1.38×105J 4. 有一台汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油（热值为4.6×107J/kg），这些汽油完全燃烧产生的热量是________J。若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为__________J。 1.38×105 4.6×105     综合提升训练 5. 如图所示，是汽车能量转化示意图，关于汽车的效率其中正确的是（ 　） A．33% B．30% C．37% D．40% B 【解析】 用总功减去各种能量的损失即得到汽车的效率为 η＝1-33%-30%-7%＝30% 故B符合题意，ACD不符合题意。故选B. 综合提升训练 6. 如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机。若该飞机以270km/h的速度匀速直线航行20min，消耗航空燃油1.35t，飞机发动机的功率为2.25×107W。（航空燃油的热值为4×107J/kg）求： （1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是多少？ （2）飞机在航行过程中的阻力是多少？ （3）发动机的效率是多少？ 综合提升训练 【解析】（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量 Q放=mq=1.35×103kg×4×107J/kg=5.4×1010J （2）飞机航行20min牵引力做功 W=Pt=2.25×107W×20×60s=2.7×1010J 飞机运动的路程 s=vt=270km/h×20h/60=90km=9×104 m 飞机受到的牵引力 因为飞机做匀速直线运动，受到牵引力和阻力是平衡力，所以飞机受到的阻力f=F=3×105N （3）发动机的效率 Lavf59.27.100 $$