12.4 机械能与内能的相互转化--2025-2026学年初中物理九年级上册同步课堂教案与分层练习（苏科版2024新教材）

本文围绕“机械能与内能的相互转化”展开，涵盖做功改变内能、热机工作原理、燃料热值及热机效率等核心知识。承接机械能和内能相关背景，为后续能量知识学习奠基。通过实例分析、实验探究等环节，培养学生物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该教学设计创新点在于以丰富多样的题型强化知识理解。特色教法结合理论与实践，凸显学生主体地位。对学生而言，提升科学思维能力；对教师来说，提供清晰授课路径，助力高效备课，有效突破教学难点。

第十二章 机械能和内能 课时12.4 机械能与内能的相互转化 1. 了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义，知道常见的热机——内燃机工作过程及其在历史、现实生活中的应用实例； 2. 从能量转化的角度认识燃料的热值； 3. 通过能量的转化和转移，进一步认识效率的概念。 题型汇总：机械能和其他形式能的转化、能量的转化、内燃机的四个冲程、有关热机的计算、燃料的热值及其计算、热机的效率。 · 做功——改变物体内能的另一种方式 (1) 改变物体内能的方式：做功和热传递都可以改变物体的内能。 (2) 做功改变内能原理：① 外界对物体做功，物体的内能会增加。如“钻木取火”是机械能转化为内能；② 物体对外界做功，物体的内能会减少。如瓶塞被水蒸气顶出是内能转化为机械能。 (3) 做功和热传递在改变物体内能上是等效的。 · 热机 (1) 热机：热力发动机的简称，利用内能做功的机械。 (2) 内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机叫作内燃机。常见的有汽油机和柴油机。 · 汽油机的工作循环 (1) 汽油机：常见的四冲程汽油机，它的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。 (2) 汽油机工作过程： 1． 吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，空气和汽油的混合气体（燃料）被吸入气缸； 2． 压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，缸内混合气体被压缩，温度升高，机械能转化为内能； 3． 做功冲程：压缩冲程结束时，汽缸顶部的火花塞产生电火花，缸内气体剧烈燃烧，产生的高温、高压气体迅速膨胀，推动活塞向下运动，内能转化为机械能； 4． 排气进程：进气门关闭，排气门打开，将燃烧后的废气排出缸外。 · 实验：探究不同燃料完全燃烧放出热量多少（热值） 通过将相等质量的不同燃料完全燃烧，给相等质量、初温也相同的同种液体加热，通过比较液体升高的温度来比较燃料的热值大小。 结论：质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般不相等。 · 燃料的热值 (1) 定义：燃料完全燃烧放出的热量与燃料质量（或体积）之比，叫作这种燃料的热值。 (2) 公式： 或 。 (3) 符号及单位：燃料的热值用q表示，单位是J/kg，而对于气体燃料，通常采用焦每立方米为热值的单位，符号J/m3； (4) 物理意义：表示一定质量（1 kg）的燃料在完全燃烧时所放出热量的多少。 (5) 变形式的应用：质量为m的燃料完全燃烧放出的热量； 或； (6) 影响因素：热值是燃料本身的一种性质，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、形态、体积、是否燃烧、以及是否完全燃烧、放出热量多少均无关。 1. 能量的转化 例1 下列实例中，属于内能转化为机械能的是 （　C　） 变式1 下列四张图中利用热传递来改变物体内能的是 (　B　) 变式2 下列实例中，改变物体内能的方式与其他三个不同的是 (　B　) A.搓手取暖 B.晒太阳取暖 C.轮胎放气，气嘴变凉 D.弯折铁丝，铁丝发烫 变式3 南通啬园隧道侧壁采用新型装饰材料，即便用强光照射也不觉得刺眼，是因为光在墙面上发生　　　    反射，隧道前有一段斜坡比较粗糙，是为了　　　    摩擦，汽车驶入斜坡时要刹车，刹车片温度会升高，这是通过　　　     方式增加了内能。 答：　漫　增大　做功 1. 热机的冲程 例 图甲是内燃机某冲程的工作示意图，图乙四个事例中能量转化与之相同的是 (　A　) 变式1 如图A、B、C、D所示是四冲程汽油机工作示意图，其中做功冲程是将　　　    能转化为　　　    能；如图E、F所示，是我们课堂演示的两个实验，与压缩冲程原理相同的是　　　     (选填“E”或“F”)图中实验。 答：　内　机械    E 变式2 流星进入地球大气层，与大气摩擦并燃烧，该过程是通过　　　    方式增加了流星的内能，其能量的转化与汽油机的　　　    冲程相同，若某单缸四冲程汽油机的转速为1 800 r/min，则它每秒钟完成　　　    个做功冲程。 答：　做功　压缩　15 变式3 如图所示，用力将空气压缩引火仪的活塞迅速下压，玻璃筒底部的棉花冒烟燃烧，下压过程将机械能转化为　　　    能， 此过程与汽油机的　　　    冲程能量转化形式相同。 答：　内　压缩 变式4 如图所示是汽油机的　　　    冲程。在压缩冲程中，是通过　　　    方式增加燃气的内能。汽油机的转速为3 000 r/min，则1 s内汽油机对外做功　　　  次。 答　做功　做功　25 变式5 如图所示，工作中的四冲程汽油机正处于　 　    冲程，该冲程将　 　    转化为机械能。若该汽油机每秒完成40个冲程，则每秒它对外做功　　    次、飞轮转过　　    圈。 答　做功　内能　10　20 1. 燃料的热值及其计算 例 电火花发生器点燃塑料盒内的酒精气体能将盒盖喷出很远(如图)。此过程中的能量转化方式与汽油机的　　     冲程相类似。实验时在盒内滴入2×10-4 kg酒精，这些酒精完全燃烧放出的热量是　　     J。(q酒精=3×107 J/kg) 答　做功　6×103 变式1 用煤气灶将质量为4 kg的水从25 ℃加热到50 ℃，水吸收的热量为　　　     J，若水吸收的热量等于煤气燃烧所放出的热量，则需要完全燃烧　　　     kg的煤气。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q煤气=4.2×107 J/kg] 答　4.2×105　0.01 kg 变式2 小华在燃烧皿中放入5 g酒精，对300 g水加热，待酒精燃尽后水温升高了50 ℃。已知水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，酒精的热值为3.0×107 J/kg。此过程中，酒精燃烧放出的热量为　　　     J，水吸收的热量为　　　     J，水的内能是通过　　 　    方式增加的。 答：　1.5×105　6.3×104　热传递 变式3 质量为10 kg的水温度升高22 ℃，需要吸收的热量为　　　     J，若不考虑热量散失，这些热量需要完全燃烧　　　     g的天然气来提供，天然气是　　　     (选填“可再生”或“不可再生”)能源。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q天然气=4.4×107 J/kg] 答案　9.24×105　21　不可再生 变式4 2020 年 5 月 5 日，长征五号B运载火箭在海南文昌首飞成功，5月8日，火箭搭载的新一代载人飞船试验船返回舱，在三把巨型降落伞牵制下于东风着陆场区平安着陆。该火箭使用的燃料主要是液态氢，若完全燃烧 0.5 kg的氢燃料，可放出的热量是　　　     J， 若这些热量有84%被质量为1.0×104 kg的水吸收，水的温度能够上升　　　     ℃。由于与大气剧烈摩擦，返回舱在大气层中降落时会在舱的表面产生三千多摄氏度的高温，如同一个带着长尾的火球，但是舱的内部却是常温，这主要是因为返回舱表面涂有防热层，防热材料在高温升华时　　　      (选填“吸收”或“放出”)大量热；降落伞的主要作用是让返回舱在减速落地时，重力势能　　　     ， 动能　　　      (以上两空均选填“增大”“减小”或“不变”)。[q氢=1.4×108 J/kg，c水=4.2×103 J/(kg·℃)] 答：7×107　1.4　吸收　减小　减小 ➥考点3 探究不同燃料完全燃烧放出热量多少 例 利用如图所示的装置，运用控制变量法，通过观察现象即可比较酒精和碎纸的　        (比热容/热值)大小。为完成实验，要求酒精和碎纸的　　　    (燃烧时间/质量)相同。 答　热值　质量 变式1 为了比较水和煤油的吸热能力，小明用两个相同的装置做了如图甲所示的实验。 (1)在两个相同的烧杯中应加入初温相同、　　　    相同的水和煤油(ρ水>ρ煤油)。实验中选用相同电加热器的目的是：使水和煤油在相同时间内　　　　 　　    。水和煤油温度随时间变化如图乙所示，根据图甲和图乙可判断出吸热能力较强是　　　   (选填“水”或“煤油”)。 (2)如图丙为比较酒精和碎纸的热值，用两同规格的烧杯装相等质量的水，取质量相等的酒精和碎纸，分别放入两个燃烧皿中，点燃分别给烧杯加热，使酒精和碎纸　　　　 　    (选填“完全燃烧”或“燃烧相等时间”)，通过比较　　　     (选填“加热时间”或“升高的温度”)来比较酒精和碎纸热值的大小。 答　(1)质量　吸收相等的热量　水　(2)完全燃烧　升高的温度 变式2 小明想估测薯片的热值，进行了如下实验。 (1)将天平放在水平面上并将游码归零，发现指针偏左，则应将平衡螺母向　　     端调节；测量质量时，调节天平再次平衡，右盘中的砝码和游码位置如图甲，其质量为　　      g。 (2)如图乙，将薯片放在燃烧皿中充分燃烧后，烧杯中0.2 kg的水温度升高了5 ℃，则水吸收的热量Q吸=　　 　     J。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)] (3)根据Q放=Q吸和Q放=mq，算出薯片的热值比实际值小得多，原因是：　　 　      。 答：　(1)右　6.2　(2)4.2×103　(3)薯片燃烧放出的热量没有完全被水吸收 变式3 如图所示是“探究不同物质吸热升温现象”的实验装置，在两个相同的烧杯中加入初温相同和　　　    相同的液体1和液体2，用两个相同的酒精灯加热，实验中发现液体2的温度先达到50 ℃，则液体　　　    比热容较大。实验结束后，查得液体1的比热容为2.1×103 J/(kg·℃)，若500 g液体1温度升高20 ℃所需热量由酒精完全燃烧获得，则至少要消耗　　　     g酒精。(酒精的热值为3.0×107 J/kg) 答： 质量　1　0.7 变式4 下图是课本中的两个热学实验：   (1)如果要探究物质吸热升温情况，应该选择图　　　    ，该实验中通过比较　　　　　    来比较物质吸收热量的多少。 (2)在比较不同燃料热值的时候，需要控制　　     相同。 A.燃料的种类　     B.被加热的液体的种类 C.燃料的质量　     D.被加热的液体的质量 (3)下表是其中某个实验的表格设计，请把横线部分补充完整。 ①　　　　               ②　　　     沙子           水           答　(1)甲、丙　加热时间　(2)BCD (3)①加热时间/min　②温度/℃ ➥考点4 热机的效率 例 热机的效率较低，为了提高热机的效率，你认为下列方法目前不可能的是 （　D　） A．尽量使燃料充分燃烧 B．尽量减少各种热损失 C．尽量减少因克服摩擦力而额外消耗的能量 D．想办法把燃料放出的热量全部用来做有用功 变式1 甲柴油机的效率比乙柴油机的效率高，这表明 （　D　） A．甲的功率比乙的大 B．甲做的功比乙的多 C．甲消耗的柴油比乙的少 D．甲柴油机内能转化为机械能的百分比大 变式2 某燃气热水器将20 kg的水从10 ℃加热到60 ℃，完全燃烧了0.21 m3的煤气。水吸收的热量是　　　     J， 热水器烧水的效率是　　　    。[已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，煤气的热值为4×107 J/m3] 答：　4.2×106　50% 变式3 某家庭需要将50 kg、初温为10 ℃的水加热到50 ℃作为生活用水，他们利用煤气灶烧水，需要燃烧0.8 kg的煤气。这些水从10 ℃加热到50 ℃需要吸收的热量为　     　  J，0.8 kg的煤气完全燃烧放出的热量为　     　  J，煤气灶烧水的效率为　　　    [c水=4.2×103 J/(kg·℃)，q煤气=4.2×107 J/kg]。 答　8.4×106　3.36×107　25% 变式4 用天然气灶将一壶质量为2 kg、初温为30 ℃的水加热到80 ℃，消耗了16 g天然气。已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为4.2×107 J/kg，则天然气完全燃烧放出的热量为　 　 　    J，水吸收的热量为　　 　     J，天然气灶烧水的效率为　　　    %。 答　6.72×105　4.2×105　62.5 变式3 如图，在空气压缩引火仪的玻璃筒底部放一小团硝化棉，用力将活塞迅速下压，筒内空气温度升高，硝化棉燃烧，筒内空气的内能改变是通过　　　    的方式实现的，该过程能量转化与汽油机　　　    冲程的能量转化相同。一单缸四冲程汽油机，飞轮转速为600 r/min，则1 s对外做功　　　    次，若其效率为25%，消耗100 g汽油可对外做功　　　     J。(q汽油=4.6×107 J/kg) 答　做功　压缩　5　1.15×106 变式5 如图所示是一款新型节能装置——空气能热水器，它的制热能效比(制热量和压缩机所耗电能之比)为4∶1，用手机通过　　　    波可以远程遥控。某同学洗一次澡用水30 L，则所用水的质量为　　　    kg，这些水温度由12 ℃升高到42 ℃吸收的热量为　　 　    J。若这些热量分别由空气能热水器和电热水器(效率为90%)提供，则空气能热水器压缩机所耗电能与电热水器所耗电能相比，可节约电能　　 　    J。[c水=4.2×103 J/(kg·℃)] 答　电磁　30　3.78×106　3.255×106 变式6 为了减少环境污染，部分农村地区改用液化气烧菜做饭。某钢瓶装有液化气10 kg，已知液化气的热值为4.2×107 J/kg，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。求： (1)这瓶液化气全部完全燃烧放出的热量是多少? (2)若(1)中放出的热量有40%被初温为20 ℃的水吸收，在标准大气压下可将多少质量的水烧开? 答    (1)4.2×108 J　(2)500 kg 变式7 为了探究某物质在固态和液态时的吸热能力，小芳同学用酒精灯(火焰大小保持不变)均匀加热0.4 kg该种固体，根据实验数据绘制出的图线如图所示。通过查阅资料得知该物质在液态(BC阶段)时的比热容为3×103 J/(kg·℃)。   　　(1)该物质在B点时的内能　　　    (选填“大于”“小于”或“等于”)在A点时的内能。 　　(2)求该物质在BC段共吸收了多少热量?经测量BC段消耗热值为3.0×107 J/kg的酒精10 g(酒精完全燃烧)，求在BC段的热转化效率为多大? (3)该物质在固态(OA段)时的比热容为多大? 答　(1)大于　(2)4.8×104 J　16%　(3)1.5×103 J/(kg·℃) 变式8 随着我国人民生活水平的不断提高，汽车作为一种普通的交通工具已经走进千家万户。 (1)汽车发动机常用循环流动的水来帮助它散热，这主要是利用了水的　 　　    较大的特点。 (2)若汽油机每秒对外做功20次，则汽油机飞轮的转速为　　　     r/min。 (3)小明同学阅读了某牌号汽车发动机的说明书后，画出了如图所示的汽油机的能量流程图。若汽车行驶时发动机产生的牵引力是1600 N，发动机将获得的机械能用来推进汽车行驶的效率为80%。则该汽车燃烧10 kg的汽油，能行驶的最大距离为多少?(汽油的热值为q=4.0×107 J/kg) 答　(1)比热容　(2)2 400　(3)6×104 m 第 1 页 共 11 页 学科网（北京）股份有限公司 $$