12.4 机械能与内能的相互转化 课件-2025-2026学年苏科版（2024）九年级上册物理

该初中物理课件聚焦机械能与内能的转化，包含做功改变内能、热机工作原理及热值计算。通过弯折铁丝、搓手等体验活动导入，衔接预习清单中改变内能的方法，构建“现象—问题—探究—归纳”的学习支架。 其亮点在于以科学探究为主线，任务一实验归纳做功与内能转化实质，任务二用模型建构分析四冲程汽油机冲程，强化科学思维与能量观念。课堂评价结合生活实例，助力学生物理观念形成，也为教师提供清晰的教学流程与效果检测工具。

第十二章　机械能和内能 第四节　机械能与内能的 相互转化 1 预习清单 1.改变物体内能的方法有______和______,做功改变物体内能的实质是____________________________之间的转化,热传递改变物体内能的实质是__________。 2.对物体做功,物体的内能会_____;物体对外做功,物体的内能会_____。 热传递 做功 其他形式的能(如机械能)与内能 内能的转移 增加 减小 预习清单 3.热机是将燃料燃烧时放出的____能转化为______能的装置(即利用内能做功的机械)。热机的常见种类有蒸汽机、 _______、__________、__________等。 4.四冲程汽油机的工作过程由______、______、______、 ______四个冲程组成,其中真正把燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的是______冲程,其他三个冲程不仅不能向外输出机械能,反而要依靠储存在飞轮上的机械能来运行,即靠飞轮的惯性来完成。 内 机械 内燃机 喷气发动机 火箭发动机 吸气 压缩 做功 排气 做功 预习清单 5.分辨内燃机的四个冲程主要看的______上、下运动情况及______________的开闭情况。 6.压缩冲程是将_________________,做功冲程是将_________________。 7.燃料________放出的热量与燃料的______之比,叫作这种燃料的热值,用符号q表示,它是燃料的一种物理属性。热值在数值上等于______某种燃料________放出的热量。 活塞 进气门和排气门 机械能转化为内能 内能转化为机械能 完全燃烧 质量 1 kg 完全燃烧 预习清单 8.热值的单位一般是_________,符号是______ 。但对于气体燃料,热值在数量上等于1 m3 燃料在标准状态下完全燃烧放出的热量,因此气体燃料的热值单位是____________,符号是______。由热值的定义可知,燃料完全燃烧时放出的热量Q放= ______或Q放=Vq。 焦每千克 J/kg 焦每立方米 J/m3 mq 导入新课 活动： （1）来回弯折铁丝, 感受一下弯折处的温度变化。 （2）两手互搓实验。 提出问题: (1)铁丝弯折处的温度是怎样变化的? (2)两手互搓后,手的温度是怎样的? 任务一：探究做功能否改变物体的内能 冬天,感觉手很冷时,为了让手变得温暖,你通常有哪些做法? 双手来回搓,往手上哈气,握着热水袋,靠近暖炉,晒太阳,运动…… 任务一：探究做功能否改变物体的内能 对物体做功,物体的内能增加。 提出问题:如图所示,在用气筒快速地给自行车车胎打气的过程中,气筒壁的温度会明显地升高,这是为什么呢? 任务一：探究做功能否改变物体的内能 (1)如图甲所示,厚玻璃筒内先不放易燃物,直接压缩筒内的空气。 提出问题:筒内空气的温度、内能有无变化呢? 该怎样才能观察到呢? 甲 任务一：探究做功能否改变物体的内能 (2)如图乙所示,将一小片硝化纸放入厚玻璃筒内,先让学生观察硝化纸会不会燃烧,再快速压缩筒内的空气,可以看到硝化纸燃烧起来。 提示:放入硝化纸的目的是利用转换法显示空气温度的升高。 结论:通过这个实验可知,外界对物体做功,会使物体的内能增大。 乙 任务一：探究做功能否改变物体的内能 如果物体对外界做功,物体的内能会有何变化? 演示实验:用打气筒给装有少量水的玻璃瓶打气,看看会有什么现象出现。 任务一：探究做功能否改变物体的内能 实验现象:用打气筒打气,过了一会儿,玻璃瓶口的塞子会突然跳起,并且瓶口出现了“白气”。 提出问题:瓶塞跳起说明了什么? 出现“白气”是什么现象? 说明了什么? 任务一：探究做功能否改变物体的内能 用打气筒打气时,压缩瓶内气体做功,使瓶内气体的内能增加,温度升高。热空气将热量传递给水,使水的温度升高并产生了水蒸气。瓶内气体的压强增大到一定值时就会推动塞子,使塞子跳起。瓶内气体对外做功时,内能减少,温度降低,其中的水蒸气放热液化形成“白气”(小水滴)。这个实验说明了物体对外做功时,自身的内能会减少。 任务一：探究做功能否改变物体的内能 归纳总结:做功改变物体内能的实质是其他形式的能(如机械能)与内能之间的转化,热传递改变物体内能的实质是内能的转移。做功和热传递都可以改变物体的内能,虽然它们改变内能的方式不同,但它们在改变内能的效果上是等效的。 提示：一个物体的内能发生了改变，我们是无法判断是采用了那种方法使物体的内能改变的。 任务二：认识热机 汽车、坦克、火箭为什么能运动起来吗? 汽车、坦克的发动机是怎么获得能量的呢? 任务二：认识热机 汽车、坦克的发动机其实都是内燃机,它们都是通过将燃料燃烧时产生的内能转化成机械能工作的,从而使汽车、坦克运动起来的。 任务二：认识热机 酒精燃烧时,将化学能转化为内能;水吸收热量,变成水蒸气推动塞子做功,水蒸气的内能转化为塞子的机械能;塞子冲出时有“白气”产生,这是水蒸气放热液化产生的。 任务二：认识热机 能否把燃料移到容器内部去燃烧来获得更大的动能? 提示:如果把燃料移到类似试管的容器中燃烧,那么能量的利用率将会更高,推动塞子做的功将会更多。而且如果设法让这种推动塞子的运动往复进行,那就有了真正的利用价值。 事实上,科学家早就将这种设想应用到实际当中,我们经常乘坐的汽车中的热机———“发动机”正是利用这个原理来工作的。 任务二：认识热机 归纳总结热机的特点: (1)热机是利用内能做功的装置。 (2)热机的工作原理:将燃料的化学能通过燃烧转化为内能,再对外做功,把内能转化为机械能。 任务二：认识热机 （1）根据燃料燃烧的方式,可将热机分为内燃机与外燃机两类。凡燃料直接在汽缸内燃烧,全部能量转变过程在汽缸内完成的热机称为内燃机,如汽油机、柴油机、天然气发动机等都属于此类。先把燃料燃烧时释放的能量的一部分传给工作物质,再由工作物质将得到的能量的一部分转变为机械能的热机称为外燃机,如蒸汽机、汽轮机等都属于此类。内燃机的工作物质是燃烧产生的燃气,而外燃机的工作物质一般是水蒸气。 任务二：认识热机 (2)蒸汽机在热机中是最早出现的。后来,内燃机、汽轮机、燃气轮机、喷气发动机、火箭发动机等热机相继出现。其中内燃机的应用范围最广,天空、地上、水中都有内燃机的身影。蒸汽机由于笨重、效率低,现在已逐步被淘汰。 任务二：认识热机 在现代社会中,内燃机是最常见的热机。在内燃机的汽缸内燃烧的有汽油、柴油、天然气等。大多数汽车里的内燃机是燃烧汽油的,这种内燃机称为汽油机。 任务二：认识热机 如图所示是常用的四冲程汽油机的结构图,汽油机主要由进气门、排气门、汽缸、火花塞、活塞、连杆、曲轴等构成。 任务二：认识热机 汽油机的工作过程:汽油在汽缸里面燃烧时生成高温高压的燃气,推动活塞做功,活塞在汽缸内往复运动带动曲轴转动,汽油机连续对外做功。 任务二：认识热机 总结: (1)冲程:活塞在汽缸内往复运动时,从汽缸的一端运动到另一端的过程叫作一个冲程。 (2)汽油机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成。 任务二：认识热机 问题: (1)四个冲程中,气门开启、闭合状态如何? 活塞运动方向如何? (2)吸气冲程中,为什么能将汽油和空气的混合物吸进汽缸? (3)压缩冲程中,压缩的是什么? 压缩到最后会有什么结果? (4)四个冲程中,哪些冲程发生了怎样的能量转化? (5)哪个冲程使机器获得动力? 哪个冲程排出了汽车的尾气? 任务二：认识热机 (1)吸气冲程:如图甲所示,进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,燃料(汽油)和空气的混合物被吸入汽缸。 (2)压缩冲程:如图乙所示,进气门和排气门都关闭,活塞向上运动,混合物被压缩,温度升高,机械能转化为内能。 任务二：认识热机 (3)做功冲程:如图丙所示,压缩冲程结束时,活塞到达汽缸顶端,进气门和排气门都关闭,火花塞打火,使混合物猛烈燃烧,产生高温、高压的燃气,推动活塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功,内能转化为机械能。 (4)排气冲程:如图丁所示,进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,将废气排出汽缸。 任务二：认识热机 总结归纳: (1)吸气冲程中,当活塞向下运动时,汽缸内气体的体积增大,压强变小,大气压将油气混合物压进汽缸。 (2)压缩冲程中,活塞对油气混合物进行压缩做功,结果是使油气混合物的内能增加,温度升高。 任务二：认识热机 (3)四个冲程中,只有压缩冲程和做功冲程中发生了能量转化。其中,压缩冲程中是将机械能转化为内能;做功冲程中,燃料燃烧,燃料的化学能转化为燃气的内能,产生高温、高压气体,推动活塞运动,又使燃气的内能转化为机械能。 (4)做功冲程中,机器获得了动力。排气冲程中,排出了汽车的尾气。 任务二：认识热机 规律总结: 1.可根据汽油机活塞的运动方向、进气门和排气门的开闭情况判断汽油机处于什么冲程。 2.四冲程内燃机在一个工作循环中,活塞往复运动两次,曲轴、飞轮转动两周,对外做功一次。 任务二：认识热机 如图所示是常用的四冲程柴油机的结构图,柴油机的结构和汽油机相似,它的一个工作循环也包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程。 任务二：认识热机 汽油机比较轻巧,常用在汽车、小型飞机和小型农业机械上。在汽缸容积、转速相等的情况下,柴油机的功率较大,热机效率较高,因此被广泛应用于载重汽车、拖拉机、坦克和轮船上。 任务三：认识燃料的热值 汽油机以汽油为燃料,柴油机以柴油为燃料,现代火箭以液态氢为燃料,你还知道哪些燃料? 在燃料燃烧的过程中,是什么能向什么能转化? 归纳总结:燃料燃烧时,化学能转化为内能。 任务三：认识燃料的热值 取质量相等的酒精和面巾纸碎片各5 g,分别放入两个燃烧皿中,点燃后给装有相等质量的水(约30 g)的试管加热,使酒精和面巾纸碎片充分燃烧。记录加热前后两支试管内的温度计的示数,并完成实验表格的填写。 任务三：认识燃料的热值 质量相等的酒精和面巾纸碎片充分燃烧后,试管中水温的变化一样吗? 这说明了什么? 燃料的种类很多,一般可分为固体燃料(如木柴、煤等)、液体燃料(如汽油、柴油等)和气体燃料(如氢气、煤气、天然气等)。 任务三：认识燃料的热值 相同质量的不同燃料燃烧放出的热量不同。为了表示燃料的这种特性,物理学中用“热值”这个物理量来描述。 燃料燃烧时燃烧是否完全呢? 燃烧程度会不会影响放出热量的多少呢? 提示:有影响,完全燃烧时放出的热量多些,未完全燃烧时放出的热量自然要少些。 任务三：认识燃料的热值 归纳总结: (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。燃料的热值用q表示,热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧时放出的热量。 提示:对于热值的理解,我们要抓住三个关键词,即“某种燃料”“完全燃烧”“热量与燃料的质量之比”。 任务三：认识燃料的热值 ①“某种燃料”是说明热值与燃料的种类有关。确定的燃料才有确定的热值,不同燃料的热值一般不同。由此可见,热值反映了燃料的某种特性。热值大,反映1 kg的这种燃料完全燃烧时放出的热量多,或者说,化学能转化成的内能多。 任务三：认识燃料的热值 ②“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽。某种燃料,只有在完全燃烧时放出的热量与其质量之比才是这种燃料的热值,用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比其实际值小。 ③“热量与燃料的质量之比”可以理解为热值是针对一定质量的燃料而言的。如果同种燃料的质量不同,则完全燃烧时放出的热量多少不同。 任务三：认识燃料的热值 (2)单位:在国际单位制中,热量的单位是焦耳,质量的单位是千克,则热值的单位是焦每千克,符号是J/kg。(对于气体燃料,热值在数值上等于1 m3 气体燃料在标准状态下完全燃烧放出的热量,单位是焦每立方米,符号是J/m3) (3)计算公式:根据热值的定义可知,质量为m的燃料,完全燃烧放出的热量Q放=mq(对于气体燃料则有Q放=Vq)。 任务三：认识燃料的热值 根据教材中的“一些燃料的热值”表格回答问题: (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? 提示:表中热值最大的是氢气(1.4×108 J/kg),热值最小的是干木柴(1.2×107 J/kg)。 任务三：认识燃料的热值 (2)火箭上为什么用液态氢作燃料? 提示:火箭上用液态氢作燃料主要是因为氢气的热值大。 (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? 提示:热值是燃料的一种物理属性;不同的燃料可能有相同的热值。 任务三：认识燃料的热值 归纳总结:热值反映了所有能燃烧的物质的一种性质,反映了不同燃料在燃烧过程中,化学能转化为内能的本领大小,也就是说,热值是燃料本身的一种特性,它只与燃料的种类有关,与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均没有关系。 核心总结 1.做功与热传递在改变物体内能的效果上是等效的。用做功的方式来改变物体的内能,实质是其他形式的能和内能间的转化;用热传递的方式改变物体的内能,实质是内能在物体间的转移。外界对物体做功,物体的内能可能增加;不发生热传递时,物体对外做功,自身的内能减少。 核心总结 2.汽油机的一个工作循环由四个冲程组成。一个工作循环中,曲轴和飞轮均转动两周,对外做功一次。 3.压缩冲程中,机械能转化为内能;做功冲程中,内能转化为机械能。 核心总结 4.汽油机的四个冲程中,只有做功冲程产生动力,其他三个冲程都要靠飞轮的惯性来完成,且消耗机械能。 5.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。 6.热值的单位是焦每千克,符号是J/kg(气体燃料的单位是焦每立方米,符号是J/m3)。 7.热值的计算公式为Q放=mq(对于气体燃料则有Q放=Vq)。 1.下列用做功的方式使冰熔化的是 ( ) A.太阳照射 B.相互摩擦 C.浸入热水 D.炉火加热 2.下列说法中的“热”字,其中指“热量”的是 ( ) A.热胀冷缩 B.开水很热 C.天热极了 D.熔化吸热 课堂评价 B D 3.如图所示是街头传统的手摇“爆米花机”,这唤起了人们童年的记忆。爆米花是将玉米放入密闭的铁锅内,边加热边翻动一段时间后,当铁锅突然打开时,随着“砰”的一声,玉米变成玉米花。下列说法中正确的是 ( ) A.玉米粒主要通过翻动铁锅对其做功,使其内能增加 B.玉米粒主要通过与铁锅间的热传递,使其内能增加 C.玉米粒内的水分受热膨胀对粒壳做功使其爆开,内能不变 D.玉米粒内的水分受热膨胀对粒壳做功使其爆开,内能增加 课堂评价 B 4.如图甲所示,在试管内装些水,用橡胶塞塞住管口,把水加热至沸腾一段时间后,塞子会冲出去。有关塞子冲出过程中的能量转化形式及图乙、丙、丁、戊所示的汽油机的四个冲程的说法中正确的是 ( ) A.塞子冲出过程中的能量转化形式与图乙中的能量转化情况相同 B.若该汽油机飞轮的转速是1 200 r/min,则每2 s对外做功20次 C.该汽油机一个工作循环有四个冲程,正确的顺序是丙、戊、乙、丁 D.靠惯性完成的冲程是乙、丙、戊 课堂评价 B 5.一台单缸四冲程汽油机,飞轮转速为6 000 r/min,则每秒钟发动机完成_______个冲程,对外做功_____次。 课堂评价 200 50 $