专题辅导十三：内能的变化与比热容实验的设计 2026-2027学年浙教版九年级科学上册

**基本信息** 以“概念辨析-原理应用-实验设计”为主线，系统整合内能概念体系与比热容实验方法，突出科学思维与探究实践能力培养。 **专项设计** |模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |知识梳理|3大板块|控制变量法/转换法（实验）、概念对比表（温/内/热）、口诀总结（内能变化）|从微观内能本质→宏观影响因素→变化途径（热传递/做功）→实验验证（比热容）递进| |经典题型|3类典例|陷阱归类（如“温度升高≠吸热”）、实验方案双思路（同热比温/同温比热）|针对易混概念（温/内/热）、内能变化实例、实验设计核心要素设题| |强化训练|16题|图像分析（温度-时间）、能量转化判断（如摩擦生热）|覆盖选择/填空/实验探究，强化科学观念与探究实践的综合应用|

九上科学专题辅导十三：内能的变化与比热容实验的设计（学生版） ◆知识梳理 一、内能概念剖析 1、内能 内能是指物体内部所有微观粒子（主要是分子）无规则运动所具有的能量总和，包括分子动能和分子势能。分子动能是由于分子热运动产生所具有的能量，与温度直接相关，温度越高，分子平均动能越大。分子势能是由于分子间存在相互作用力（引力和斥力）及分子间距从而具有的能量，与物体体积密切相关。体积变化会改变分子间距，从而影响势能。因为分子在永不停息地做热运动，一切物体，在任何情况下都具有内能。哪怕是一块冰、一座冰山，哪怕温度是 0℃，里面的分子依然在振动，所以内能永远不为零。 2、影响内能大小的因素 初中阶段，我们主要考虑以下三个因素：一是温度：同一物体，温度升高→分子运动加剧→物体的内能增加。二是质量：一杯 50℃的水与一桶50℃的水。温度一样，但一桶水的分子数量多，总内能更大。 三是状态（物态）：0℃ 的冰熔化成 0℃ 的水，虽然温度没变，但需要吸热，分子间的距离和排列变了（分子势能变大），所以内能增加。 3、内能与机械能的区别 内能是微观粒子（分子）的动能和势能之和，是与微观的热运动有关的能量，与物体的质量、比热（物质的种类）、温度、物质的状态有关；而机械能是与宏观的机械运动有关的能量，与运动物体的质量、速度、高度、形变程度有关。机械能可以为零，而内能内能永远不为零。 4、“温度、内能、热量”三者的相互关系 在初中阶段，内能是一个非常重要且容易和“温度”、“热量”搞混的概念。温度表示的是物体的冷热程度，是物体内部大量粒子热运动的剧烈程度的宏观表现。内能是物体内部大量粒子作无规则运动的动能和势能的总和。内能既与温度有关，又与质量、比热、状态等有关。热量是指热传递过程中所传递的能量的多少，是一个过程量，是物体在热传递过程中，增加或减少的那部分内能，称之为吸收或放出热量。 概念 性质 描述方式 例子 温度 状态量 只能说“升高”、“降低”或“是” “这杯水温度很高” 内能 状态量 只能说“具有”、“增加”或“减少” “物体具有内能”、“摩擦使内能增加” 热量 过程量 只能说“吸收”或“放出” 绝对不能说“物体含有或具有热量” 5、概念辨析 二、内能的转移和转化 1、内能的转移--热传递 条件：存在温度差。 方向：高温传递到低温。 结束：等温为止。 实质：内能从高温物体转移到低温物体，或者从物体的高温部分转移到低温部分。能量形式没变，还是内能。要注意的是转移的是内能，不是温度。物体的温度发生变化，不能讲热量增加或减小。物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少。 2、内能的转化--做功 实质：其他形式的能（通常是机械能）与内能之间的相互转化。 外界对物体做功，如克服摩擦做功，压缩气体做功，机械能转化内能，物体的内能增加，温度升高或发生熔化、汽化、升华。 物体对外界做功，如气体膨胀对外做功，内能转化机械能，物体内能减少，温度降低或发生凝固、液化、凝华。 3、总结口诀 分子运动有动能，相互作用有势能；两者之和叫内能，一切物体都有份。 改变内能两途径，做功传热要分清；做功实质是转化，传热实质是转移。 热量是个过程量，不能说“有”和“含”。 三、比热容实验的设计 1、 实验核心原理与方法 控制变量法：为了公平比较，必须控制物质的质量和初温相同。 转换法：物质吸收热量的多少无法直接测量，因此通过加热时间的长短来反映吸收热量的多少（加热时间越长，吸收热量越多）。 2、 实验器材 铁架台、酒精灯（或规格相同的电加热器）、石棉网、烧杯（2个）、温度计（2支）、秒表（停表）、天平、玻璃棒（搅拌器）、水、食用油（或沙子）。 3、 两种实验设计思路 这是考试中最常考的两种探究方案，逻辑刚好相反： 方案一：加热相同时间，比较升高的温度 操作：取质量相同的水和食用油，用相同的加热器加热相同的时间。 观察：比较它们升高的温度（末温 - 初温）。 结论：升高温度慢（温度变化小）的物质，吸热能力强，比热容大。 （通俗理解：给同样的热量，谁升温慢，谁就“耐热”，吸热本领强。） 方案二：升高相同温度，比较加热时间 操作：取质量相同的水和食用油，用相同的加热器加热，直到它们升高相同的温度。 观察：比较它们加热的时间。 结论：加热时间长的物质，吸热能力强，比热容大。 （通俗理解：想升同样的温度，谁需要加热更久，说明它“胃口大”，吸热本领强。） 4、 关键细节与易错点 为什么选用规格相同的电加热器（或酒精灯）？ 答：为了保证在相同时间内，水和食用油吸收的热量相同。 （注：电加热器比酒精灯更好，因为电加热器更容易控制相同时间内放出的热量相同，且热量损失少。） 实验中为什么要用玻璃棒不断搅拌？ 答：使液体受热均匀，防止局部过热导致测量温度不准。 安装器材的顺序？ 答：自下而上（先放酒精灯，再固定铁圈、石棉网、烧杯，最后挂温度计）。 如何判断吸热能力强弱？ 质量相同，吸收相同热量（加热时间相同），温度变化越小，吸热能力越强。 质量相同，升高相同温度，加热时间越长，吸热能力越强。 实验结论： 水的吸热能力比食用油强，水的比热容比食用油大。 物理意义：质量相等的水和食用油，升高相同的温度，水吸收的热量更多。 5、 实验拓展应用 发动机冷却剂：因为水的比热容大，在同等条件下能吸收更多的热量，所以常用水做冷却剂。 海边昼夜温差小：因为水的比热容大，白天吸热升温慢，晚上放热降温也慢，调节了气温。 ◆经典题型 一、“温度、内能、热量”易混概念辨析 经典考题陷阱： “这个物体热量很高。”（错误说法：热量不是状态，不能说“有”） “物体温度升高，一定吸收了热量。”（错误说法：错也可能是外界对它做了功，比如摩擦） “物体内能增加，温度一定升高。”（错误说法：晶体熔化时，吸热内能增加，但温度保持不变） “物体吸收热量，内能一定增加。”（在不对外做功的前提下，这是对的） 例1：关于温度、热量、内能、比热容，以下说法正确的是（  ） A．一块0℃的冰没有内能，它的分子不会运动 B．一个物体吸收了热量，它的温度一定会升高 C．一个物体温度升高了，它的内能一定增加 D．物体的质量越大，温度越高，它的比热容就越大 二、物体内能的变化 例2：小科在试管中装适量的水，试管口用塞子塞住，用酒精灯对试管加热。如图所示，加热一段时间后，塞子冲出去了，则下列说法正确的是（　　） A．正在沸腾的水温度不变，内能不变 B．酒精燃烧升高的温度传递给试管里的水 C．试管中水与水蒸气的内能改变方式只有做功 D．塞子机械能的增加量小于燃烧酒精化学能的释放量 3、比热容实验的设计 例3：小金同学为比较水和砂石的比热容大小，在实验室中进行了如下实验： （1）实验中，取两只相同100mL的烧杯，装入 （选填“等质量”或“等体积”）的水和砂石，测出其温度； （2）用两个完全相同的酒精灯进行加热，记录加热2分钟后的实验数据： 物质名称 加热前温度/℃ 加热后温度/℃ 加热的时间/min 水 24 74 2 砂石 24 274 2 加热2分钟，水所吸收的热量 砂石所吸收的热量（选填“大于”、“小于”或“等于”）； （3）由本实验数据可知，比热容比较大的物质是 ； （4）实验过程中，小金发现砂石在受热时，上层和下层的砂石温差较大，可能会对实验结果造成一定干扰，请据此为本实验提供一个改进操作方法： 。 ◆强化训练 1．人们为了认识事物，常常要进行比较，并引入相应的科学量。下列关于“比较”的说法，不正确的是（　　） A．比较物体冷热程度，引入科学量——温度 B．比较物体吸热能力，引入科学量——比热 C．比较物体所含热量的多少，引入科学量——内能 D．比较物体所含物质的多少，引入科学量——质量 2．冲泡杭白菊的一般方法如下：将干燥的菊花放入杯中，倒入95℃左右的沸水，待菊花完全舒展后，茶汤温度也下降至适宜饮用的50℃左右。此过程中有关温度、内能、热量的说法正确的是（　　） A．冲泡时，杭白菊吸收热量，热量增加，温度升高 B．热量总是从内能多的物体传给内能少的物体 C．95℃的沸水比50℃的茶汤温度高，分子的热运动剧烈 D．95℃的沸水和50℃的茶汤，前者含有的热量多，内能大 3．如图所示，在厚壁玻璃筒内放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，硝化棉燃烧。下列说法正确的是（　　） A．硝化棉燃烧是因为活塞与筒壁摩擦生热 B．活塞下压过程中，筒内空气的内能转化为机械能 C．活塞下压过程中，机械能转化为筒内空气的内能 D．硝化棉燃烧后，气体将塞子冲出，气体温度升高 4．关于物体的内能及其变化，下列说法中正确的是（　　） A．发生热传递时，热量总是从内能大的物体向内能小的物体传递 B．物体对外做功，其内能一定减少 C．0℃的冰熔化成0℃的水，温度不变，内能也不变 D．物体的温度升高，内能增加，但不一定吸收了热量 5．将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”，把一瓶饮料放入“冰箱”后，冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示，在两物体温度达到相同的过程中，下列说法正确的是（　　） A．0℃的冰块没有内能 B．热量总是从内能大的物体向内能小的物体转移 C．物体内能大小与温度无关 D．饮料温度降低是通过热传递的方式改变内能 6．2024年11月4日，神舟十八号载人飞船返回舱安全返回地球。返回舱刚进入大气层时，与大气层剧烈摩擦，速度从7.9千米每秒逐渐降至几百米每秒，实现“超级减速”。这一阶段中，返回舱的内能增加量E1 和重力势能减少量 E2以及动能减少量 E3之间的关系是（忽略返回舱质量的变化）（　　） A．E1<E2 B．E2=E3 C．E1<E3 D．E1>E2 7．利用如图所示装置，探究“做功改变物体内能”。广口瓶内装有一些水，用瓶塞将瓶口塞紧，瓶塞通过导管与打气筒相连，用打气筒给瓶中打气。实验中，你应该注意观察的是（　　） A．打气的过程 B．打气过程中瓶内水的情况 C．瓶塞跳起的高度 D．瓶塞跳起的瞬间，瓶内发生的变化 8．某国产新能源汽车采用了“液冷+直冷”的电池热管理系统。在极寒天气下，系统通过加热冷却液为电池保温；在快充高负荷时，系统利用冷媒直接蒸发吸热。关于该过程中的内能与比热容，下列说法错误的是（　　） A．冷却液在保温过程中，通过热传递增加了电池包的内能 B．选用比热容较大的冷却液，是为了在相同温升下吸收更多的热量 C．冷媒蒸发吸热属于做功改变物体内能 D．电池在充放电时自身发热，本质上是电能部分转化为内能 9．“天问一号”火星车在着陆过程中，表面温度急剧升高。其外壳采用了一种新型纳米气凝胶材料，该材料具有极低的导热系数和较高的比热容。关于该材料在极端环境下的热学特性，下列分析正确的是（　　） A．极低的导热系数意味着该材料的比热容一定很小 B．较高的比热容使其在吸收相同热量时，温度升高较慢，起到缓冲作用 C．外壳温度升高，主要是通过热传递从稀薄的大气中获取热量 D．气凝胶内部空气分子停止运动时，其内能最小 10．在两个相同的烧杯中分别装有质量和初温相同的a、b两种液体，用两个完全相同的电加热器对其加热，每隔一段时间分别测量它们的温度，并画出了温度随时间变化的图像（如图）。由图可知（　　） A．相同时间内a 中加热器产生的热量比b中的多 B．a和b 的吸热能力都随着温度的升高不断增大 C．升高相同温度a所用时间比b多，a的吸热能力比b强 D．相同时间内a升高的温度比b少，a的吸热能力比b弱 11．图甲所示为抖音上售卖的喷气火箭，发射时猛踩气囊，气囊中的空气推动火箭向上飞出。图乙所示，大口玻璃瓶内装有一些水，用瓶塞将瓶口塞紧，瓶塞通过导管与打气筒相连，用打气筒给瓶中打气。图丙所示，B是一个被销钉K锁住的活塞，气缸A密封有压缩空气，C是一支温度计，活塞与气缸壁之间没有摩擦，请回答下列问题： （1）乙实验中，在研究气体对外做功内能变化时，应该注意观察的是 ； A．打气的过程中，水面的变化情况 B．瓶塞跳起瞬间，瓶内的变化情况 C．瓶塞跳起的高度 （2）试根据甲、乙实验的结论分析，当把销钉K拔出后温度计的示数 （选填“升高”、“降低”或“不变”）。 12．学习小组同学用如图甲所示装置探究沙子和水的吸热能力。 （1）在完全相同两箱子中装入初温相同、质量相同的水和沙子，用规格相同的白炽灯模拟太阳对箱中的水和沙子加热，这是为了保证相同时间内水和沙子 相同； （2）依据实验数据描绘的水和沙子的温度随时间变化的图像如图乙所示，可知在质量，吸收热量相同时，沙子升高的温度比水升高的温度多，说明 的吸热能力强。 （3）该实验中除了用到控制变量法外，还用了 法。 （4）在受太阳照射的条件相同时，内陆地区昼夜温差比沿海地区大，这是因为水和沙土相比，水的比热容较大，下列事例中属于应用水的这种特性的是。 A．夏天给教室洒水，感觉凉 B．用盐水腌蛋，一段时间后蛋会变咸 C．用水冷却汽车的发动机 D．冰熔化成水需要吸收热量 （5）水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），则可以算出沙子的比热容为 J/（kg•℃）。 13．如图所示，甲、乙、丙三图的装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验，燃料完全燃烧放出的热量是通过 （选填“温度计升高的示数”或“加热时间”）来反映的。 （2）比较不同物质吸热升温的特点： ①在燃烧同种燃料时还需要控制火力相同，是为了使两种液体在相同时间内吸收 （填“相同”或“不同”）的热量，此时使用的方法是 法； ②如果质量和初始温度均相同的a、b液体，吸热后它们的温度随时间变化的图像如图丁所示，由图可看出b液体的温度升高得较慢，则液体a的比热容 （选填“小于”或“大于”）液体b的比热容。 （3）某同学用图甲装置测燃料1的热值，假设燃料完全燃烧放出的热量全部被液体a吸收。假设加热前燃料1的质量为m1，加热一段时间变为m2；烧杯中液体a的质量为m，初温为t1，末温为t2，液体a的比热容用c表示，用以上符号表示该同学测燃料1的热值的计算式：q= ，按照这样的方法测算出来的热值 真实的热值（选填“小于”“等于”或“大于”）。 14．为了比较两种燃料的热值，小金采用如图甲所示的两套完全相同的装置进行实验，烧杯内水的初温和质量相同，实验中忽略热量损失。 （1）实验时若温度计的玻璃泡碰到杯底，则测量的温度值 （选填“偏大”、“偏小”或“不变”）； （2）实验中燃烧相同质量的燃料，根据 来比较放出热量的多少； （3）小金选用了相同质量的燃料a和燃料b进行实验；当燃料燃尽后，小金根据各个时刻烧杯中的水温，绘制了如图乙所示的图像，则可初步判断燃料 的热值大； （4）另一组的小华也用图甲的两套完全相同的装置进行实验，并重新在烧杯内加入初温和质量相同的水，燃料1和燃料2的质量相同，在燃料烧完后也画出了水的温度随时间变化的图像如图丙所示，根据丙图像，燃料1和燃料2的热值之比为 。 15．很多同学在课间玩“扭转泉水瓶”的游戏。如图所示，在瓶里装有少量的水，盖紧瓶盖，使劲拧瓶的下部，使其严重变形，然后对着没人的方向略松开瓶盖。可观察到瓶盖被弹出数米远，同时瓶口和瓶内有白雾产生的现象。请结合所学的知识对上述现象进行合理的解释。 答：用力拧瓶的下部时，瓶子变形,瓶子的体积变小，此时压缩瓶内气体做功，机械能转化为内能，瓶内气体内能增加，温度升高，略松开瓶盖，瓶 内气体对外做功，内能减小，水蒸遇冷液化形成了小水滴，所以当瓶盖弹出时瓶内及瓶口就有白雾。 16．某兴趣小组开展了“设计绿色、节能房屋”项目化学习。根据当地日照强、昼夜温差大等特点，为了达到节能的目的，房屋要选取隔热效果更好的材料，使房间冬暖夏凉，夏天制冷和冬天取暖都更加节能；同时选取更节能的用电器和加装太阳能电池板。 （1）选择合适的隔热材料 选取厚度相同的三种不同材料制成大小、形状和结构一致的三个房屋模型，用白炽灯模拟太阳光，摆放情况如图甲，三个房屋到灯泡的距离相等。 将温度传感器置于模型内相同位置，记录不同时间的温度并绘制出图乙所示的温度-时间关系图像。分析图乙的图像，你会选择 做房屋的隔热材料，理由： 。 （2）选择节能的热水器 小组成员准备选择空气能热水器，其工作原理如图丙：液态制冷剂经蒸发器吸收室外热量发生汽化，形成的气体通过压缩机变成高温高压气体，进入水箱冷凝管后放热液化，此过程放出的热量被水箱内的水吸收，使水升温。最后经过一系列配套器件回到蒸发器，开始下一个循环。测试状态下，消耗1份电能驱动压缩机运行，可从空气中转移4份热量到水中。 水从冷凝管吸收的热量与热水器消耗电能的比值叫做该空气能热水器的COP值（制热系数），COP值越高制热效率越高，越节能。 ①测试状态下、该空气能热水器的COP值为 。由此值，小组成员发现水增加的内能高于空气能热水器消耗的电能，请结合上述材料，说明产生此现象的原因： 。 ②如果你是工程师，为了让热水器满足当室外温度低或需要快速制热时的使用需求，要如何改进该热水器？ 。 （3）研究表明：在我国南方地区和北方地区，用同一型号的空气能热水器获得相同质量的热水、南方地区的COP值明显高于北方地区，因此空气能热水器更适合在南方地区使用。综合以上信息，提出一个可探究的科学问题： 。 学科网（北京）股份有限公司 $ 九上科学专题辅导十三：内能的变化与比热容实验的设计（答案版） ◆经典题型 一、“温度、内能、热量”易混概念辨析 例1：C 解析： A选项：一切物体在任何温度下都具有内能。0℃ 的冰虽然温度低，但其内部的分子依然在不停地做无规则运动，分子间也存在相互作用力，因此具有内能。绝对零度（-273.15℃）才是理论上分子热运动停止的状态，但实际无法达到。→ 错误。 B选项：物体吸收热量，温度不一定升高。最典型的例子是晶体熔化过程（如 0℃ 的冰熔化成 0℃ 的水）和液体沸腾过程。在这些物态变化过程中，物体持续吸热，但温度保持不变，吸收的热量主要用于改变分子间的势能（即改变物态）。→ 错误。 C 选项：对于同一个物体（质量不变，物态不变），温度是分子平均动能的标志。温度升高，意味着分子热运动加剧，分子动能增大，因此物体的内能一定增加。→ 正确。 D 选项：比热容是物质的一种特性，它只与物质的种类和状态有关，与物体的质量、温度高低、吸放热多少均无关。例如，1kg 水和 2kg 水的比热容是一样的。→ 错误。 点评：此题是热学里的“概念辨析型”经典题。它不考计算，专门抓那些“听起来有道理，其实全是坑”的直觉误区。此题其实就在考四个物理量的本质区别：温度是分子运动的剧烈程度（宏观表现）。内能是 所有分子动能+势能的总和（能量储备）。热量是传递过程中的能量（过程量，不能说“含有”）。 比热容是物质的吸热本领，是物质的特性。 二、物体内能的变化 例2：D 解析： 选项A：正在沸腾的水虽然温度不变，但沸腾需要吸收热量，内能变大。→ 错误。 选项B：酒精燃烧放出热量，温度升高，将热量传递给试管中的水，传递的不是温度。→ 错误。 选项C：试管中的水和水蒸气吸收热量，是通过热传递的方式改变内能。→ 错误。 选项D：酒精燃烧释放的化学能转化为水的内能、试管的内能等，水的部分内能转化为塞子的机械能，可知塞子机械能的增加量小于燃烧酒精化学能的释放量。→ 正确。 点评：此题含金量很高，解答此题要具备“动态分析过程”和“全局能量观”的科学思维。B选项的“语病” 和 D选项的“能量去向” 是经典模型错误选项。 3、比热容实验的设计 例3：（1）等质量 （2）等于 （3）水 （4）加热过程中用玻璃棒不断搅拌 解析：（1）探究比热容大小，必须严格控制变量。 公式：Q=cmΔt，我们要比较c，就必须保证质量m和吸收的热量Q相同，然后看温度变化Δt。虽然题目给了“100mL烧杯”，但水和砂石密度不同，装满的话质量肯定不一样。所以必须称量，取等质量。 （2）题目条件：“两个完全相同的酒精灯” + “加热时间相同（2分钟）”。相同酒精灯 → 相同时间放出的热量相同。相同加热时间 → 水和砂石吸收的热量相同（忽略散热差异）。要注意：吸收热量相同，不代表温度升高相同。砂石升温快是因为它比热容小，不是因为吸热多。 （3）数据说话：水：74℃−24℃=50℃；砂石：274℃−24℃=250℃； （注：这个数据在现实中有点夸张，砂石很难升到274℃，但我们就按题目数据做题） 吸收相同热量，砂石升温更多（Δt大），说明砂石“存不住热”，比热容小。 水升温少（Δt小），说明水“能存热”，比热容大。 结论：水的比热容大。 （4）砂石是固体颗粒，导热性差。酒精灯在下面烧，下面烫手，上面还是凉的。温度计如果插在上面，测的就不是整体温度，数据就废了。对策：必须让热量分布均匀。操作：用玻璃棒不断搅拌（或者：将砂石铺平、使用更细的砂石、改用热浴法加热等，但最标准答案是搅拌）。 点评：此题属于典型的“实验设计+逻辑陷阱”题。考查能不能把“控制变量法”贯彻到底，以及会不会被“直觉”带偏。“控制变量法”在比热容实验里的落地，核心就三件事。一是变量要控死：比热容是物质属性，要比较它，必须让质量和吸热量完全一样，只看温度变化。所以第1问必须填“等质量”，填“等体积”直接出局，因为密度不同，质量根本控不住。二是吸热看热源：相同酒精灯+相同时间=吸热相等。第2问填“等于”，千万别被砂石升温猛带偏，升温快是因为比热容小，不是因为吸热多。三是操作要补漏：砂石导热差，不搅拌上下层温差大，温度计测的就不是整体温度。第4问必须写“用玻璃棒不断搅拌”，只写“搅拌”不够规范。 ◆强化训练 1--5 C C C D D 6--10 C D C B C 11．（1）B （2）降低 12．（1）吸收的热量 （2）水 （3） 转换 （4）C （5）1.05×103 13．（1）甲乙 温度计升高的示数 （2）① 相同 控制变量 ② 小于 （3）cm(t2-t1)/(m1-m2) 小于 14．（1）偏大 （2）温度计上升的示数 （3）b （4）8:3 15．答：用力拧瓶的下部时，瓶子变形,瓶子的体积变小，此时压缩瓶内气体做功，机械能转化为内能，瓶内气体内能增加，温度升高，略松开瓶盖，瓶 内气体对外做功，内能减小，水蒸遇冷液化形成了小水滴，所以当瓶盖弹出时瓶内及瓶口就有白雾。 16．（1）泡沫板 在相同光照下，相同时间内，泡沫板房屋温度变化最小 （2）① 4 水升温过程还从空气中吸热获得的内能 ② 可以在保温水箱中增加电热装置辅助加热的操作 （3）空气能热水器的COP值与室外温度有什么关系 学科网（北京）股份有限公司 $ 九上科学专题辅导十三：内能的变化与比热容实验的设计（教师版） ◆知识梳理 一、内能概念剖析 1、内能 内能是指物体内部所有微观粒子（主要是分子）无规则运动所具有的能量总和，包括分子动能和分子势能。分子动能是由于分子热运动产生所具有的能量，与温度直接相关，温度越高，分子平均动能越大。分子势能是由于分子间存在相互作用力（引力和斥力）及分子间距从而具有的能量，与物体体积密切相关。体积变化会改变分子间距，从而影响势能。因为分子在永不停息地做热运动，一切物体，在任何情况下都具有内能。哪怕是一块冰、一座冰山，哪怕温度是 0℃，里面的分子依然在振动，所以内能永远不为零。 2、影响内能大小的因素 初中阶段，我们主要考虑以下三个因素：一是温度：同一物体，温度升高→分子运动加剧→物体的内能增加。二是质量：一杯 50℃的水与一桶50℃的水。温度一样，但一桶水的分子数量多，总内能更大。 三是状态（物态）：0℃ 的冰熔化成 0℃ 的水，虽然温度没变，但需要吸热，分子间的距离和排列变了（分子势能变大），所以内能增加。 3、内能与机械能的区别 内能是微观粒子（分子）的动能和势能之和，是与微观的热运动有关的能量，与物体的质量、比热（物质的种类）、温度、物质的状态有关；而机械能是与宏观的机械运动有关的能量，与运动物体的质量、速度、高度、形变程度有关。机械能可以为零，而内能内能永远不为零。 4、“温度、内能、热量”三者的相互关系 在初中阶段，内能是一个非常重要且容易和“温度”、“热量”搞混的概念。温度表示的是物体的冷热程度，是物体内部大量粒子热运动的剧烈程度的宏观表现。内能是物体内部大量粒子作无规则运动的动能和势能的总和。内能既与温度有关，又与质量、比热、状态等有关。热量是指热传递过程中所传递的能量的多少，是一个过程量，是物体在热传递过程中，增加或减少的那部分内能，称之为吸收或放出热量。 概念 性质 描述方式 例子 温度 状态量 只能说“升高”、“降低”或“是” “这杯水温度很高” 内能 状态量 只能说“具有”、“增加”或“减少” “物体具有内能”、“摩擦使内能增加” 热量 过程量 只能说“吸收”或“放出” 绝对不能说“物体含有或具有热量” 5、概念辨析 二、内能的转移和转化 1、内能的转移--热传递 条件：存在温度差。 方向：高温传递到低温。 结束：等温为止。 实质：内能从高温物体转移到低温物体，或者从物体的高温部分转移到低温部分。能量形式没变，还是内能。要注意的是转移的是内能，不是温度。物体的温度发生变化，不能讲热量增加或减小。物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少。 2、内能的转化--做功 实质：其他形式的能（通常是机械能）与内能之间的相互转化。 外界对物体做功，如克服摩擦做功，压缩气体做功，机械能转化内能，物体的内能增加，温度升高或发生熔化、汽化、升华。 物体对外界做功，如气体膨胀对外做功，内能转化机械能，物体内能减少，温度降低或发生凝固、液化、凝华。 3、总结口诀 分子运动有动能，相互作用有势能；两者之和叫内能，一切物体都有份。 改变内能两途径，做功传热要分清；做功实质是转化，传热实质是转移。 热量是个过程量，不能说“有”和“含”。 三、比热容实验的设计 1、 实验核心原理与方法 控制变量法：为了公平比较，必须控制物质的质量和初温相同。 转换法：物质吸收热量的多少无法直接测量，因此通过加热时间的长短来反映吸收热量的多少（加热时间越长，吸收热量越多）。 2、 实验器材 铁架台、酒精灯（或规格相同的电加热器）、石棉网、烧杯（2个）、温度计（2支）、秒表（停表）、天平、玻璃棒（搅拌器）、水、食用油（或沙子）。 3、 两种实验设计思路 这是考试中最常考的两种探究方案，逻辑刚好相反： 方案一：加热相同时间，比较升高的温度 操作：取质量相同的水和食用油，用相同的加热器加热相同的时间。 观察：比较它们升高的温度（末温 - 初温）。 结论：升高温度慢（温度变化小）的物质，吸热能力强，比热容大。 （通俗理解：给同样的热量，谁升温慢，谁就“耐热”，吸热本领强。） 方案二：升高相同温度，比较加热时间 操作：取质量相同的水和食用油，用相同的加热器加热，直到它们升高相同的温度。 观察：比较它们加热的时间。 结论：加热时间长的物质，吸热能力强，比热容大。 （通俗理解：想升同样的温度，谁需要加热更久，说明它“胃口大”，吸热本领强。） 4、 关键细节与易错点 为什么选用规格相同的电加热器（或酒精灯）？ 答：为了保证在相同时间内，水和食用油吸收的热量相同。 （注：电加热器比酒精灯更好，因为电加热器更容易控制相同时间内放出的热量相同，且热量损失少。） 实验中为什么要用玻璃棒不断搅拌？ 答：使液体受热均匀，防止局部过热导致测量温度不准。 安装器材的顺序？ 答：自下而上（先放酒精灯，再固定铁圈、石棉网、烧杯，最后挂温度计）。 如何判断吸热能力强弱？ 质量相同，吸收相同热量（加热时间相同），温度变化越小，吸热能力越强。 质量相同，升高相同温度，加热时间越长，吸热能力越强。 实验结论： 水的吸热能力比食用油强，水的比热容比食用油大。 物理意义：质量相等的水和食用油，升高相同的温度，水吸收的热量更多。 5、 实验拓展应用 发动机冷却剂：因为水的比热容大，在同等条件下能吸收更多的热量，所以常用水做冷却剂。 海边昼夜温差小：因为水的比热容大，白天吸热升温慢，晚上放热降温也慢，调节了气温。 ◆经典题型 一、“温度、内能、热量”易混概念辨析 经典考题陷阱： “这个物体热量很高。”（错误说法：热量不是状态，不能说“有”） “物体温度升高，一定吸收了热量。”（错误说法：错也可能是外界对它做了功，比如摩擦） “物体内能增加，温度一定升高。”（错误说法：晶体熔化时，吸热内能增加，但温度保持不变） “物体吸收热量，内能一定增加。”（在不对外做功的前提下，这是对的） 例1：关于温度、热量、内能、比热容，以下说法正确的是（  ） A．一块0℃的冰没有内能，它的分子不会运动 B．一个物体吸收了热量，它的温度一定会升高 C．一个物体温度升高了，它的内能一定增加 D．物体的质量越大，温度越高，它的比热容就越大 答案：C 解析： A选项：一切物体在任何温度下都具有内能。0℃ 的冰虽然温度低，但其内部的分子依然在不停地做无规则运动，分子间也存在相互作用力，因此具有内能。绝对零度（-273.15℃）才是理论上分子热运动停止的状态，但实际无法达到。→ 错误。 B选项：物体吸收热量，温度不一定升高。最典型的例子是晶体熔化过程（如 0℃ 的冰熔化成 0℃ 的水）和液体沸腾过程。在这些物态变化过程中，物体持续吸热，但温度保持不变，吸收的热量主要用于改变分子间的势能（即改变物态）。→ 错误。 C 选项：对于同一个物体（质量不变，物态不变），温度是分子平均动能的标志。温度升高，意味着分子热运动加剧，分子动能增大，因此物体的内能一定增加。→ 正确。 D 选项：比热容是物质的一种特性，它只与物质的种类和状态有关，与物体的质量、温度高低、吸放热多少均无关。例如，1kg 水和 2kg 水的比热容是一样的。→ 错误。 点评：此题是热学里的“概念辨析型”经典题。它不考计算，专门抓那些“听起来有道理，其实全是坑”的直觉误区。此题其实就在考四个物理量的本质区别：温度是分子运动的剧烈程度（宏观表现）。内能是 所有分子动能+势能的总和（能量储备）。热量是传递过程中的能量（过程量，不能说“含有”）。 比热容是物质的吸热本领，是物质的特性。 二、物体内能的变化 例2：小科在试管中装适量的水，试管口用塞子塞住，用酒精灯对试管加热。如图所示，加热一段时间后，塞子冲出去了，则下列说法正确的是（　　） A．正在沸腾的水温度不变，内能不变 B．酒精燃烧升高的温度传递给试管里的水 C．试管中水与水蒸气的内能改变方式只有做功 D．塞子机械能的增加量小于燃烧酒精化学能的释放量 答案：D 解析： 选项A：正在沸腾的水虽然温度不变，但沸腾需要吸收热量，内能变大。→ 错误。 选项B：酒精燃烧放出热量，温度升高，将热量传递给试管中的水，传递的不是温度。→ 错误。 选项C：试管中的水和水蒸气吸收热量，是通过热传递的方式改变内能。→ 错误。 选项D：酒精燃烧释放的化学能转化为水的内能、试管的内能等，水的部分内能转化为塞子的机械能，可知塞子机械能的增加量小于燃烧酒精化学能的释放量。→ 正确。 点评：此题含金量很高，解答此题要具备“动态分析过程”和“全局能量观”的科学思维。B选项的“语病” 和 D选项的“能量去向” 是经典模型错误选项。 3、比热容实验的设计 例3：小金同学为比较水和砂石的比热容大小，在实验室中进行了如下实验： （1）实验中，取两只相同100mL的烧杯，装入等质量（选填“等质量”或“等体积”）的水和砂石，测出其温度； （2）用两个完全相同的酒精灯进行加热，记录加热2分钟后的实验数据： 物质名称 加热前温度/℃ 加热后温度/℃ 加热的时间/min 水 24 74 2 砂石 24 274 2 加热2分钟，水所吸收的热量等于砂石所吸收的热量（选填“大于”、“小于”或“等于”）； （3）由本实验数据可知，比热容比较大的物质是水； （4）实验过程中，小金发现砂石在受热时，上层和下层的砂石温差较大，可能会对实验结果造成一定干扰，请据此为本实验提供一个改进操作方法：加热过程中用玻璃棒不断搅拌。 答案：（1）等质量 （2）等于 （3）加热过程中用玻璃棒不断搅拌 解析：（1）探究比热容大小，必须严格控制变量。 公式：Q=cmΔt，我们要比较c，就必须保证质量m和吸收的热量Q相同，然后看温度变化Δt。虽然题目给了“100mL烧杯”，但水和砂石密度不同，装满的话质量肯定不一样。所以必须称量，取等质量。 （2）题目条件：“两个完全相同的酒精灯” + “加热时间相同（2分钟）”。相同酒精灯 → 相同时间放出的热量相同。相同加热时间 → 水和砂石吸收的热量相同（忽略散热差异）。要注意：吸收热量相同，不代表温度升高相同。砂石升温快是因为它比热容小，不是因为吸热多。 （3）数据说话：水：74℃−24℃=50℃；砂石：274℃−24℃=250℃； （注：这个数据在现实中有点夸张，砂石很难升到274℃，但我们就按题目数据做题） 吸收相同热量，砂石升温更多（Δt大），说明砂石“存不住热”，比热容小。 水升温少（Δt小），说明水“能存热”，比热容大。 结论：水的比热容大。 （4）砂石是固体颗粒，导热性差。酒精灯在下面烧，下面烫手，上面还是凉的。温度计如果插在上面，测的就不是整体温度，数据就废了。对策：必须让热量分布均匀。操作：用玻璃棒不断搅拌（或者：将砂石铺平、使用更细的砂石、改用热浴法加热等，但最标准答案是搅拌）。 点评：此题属于典型的“实验设计+逻辑陷阱”题。考查能不能把“控制变量法”贯彻到底，以及会不会被“直觉”带偏。“控制变量法”在比热容实验里的落地，核心就三件事。一是变量要控死：比热容是物质属性，要比较它，必须让质量和吸热量完全一样，只看温度变化。所以第1问必须填“等质量”，填“等体积”直接出局，因为密度不同，质量根本控不住。二是吸热看热源：相同酒精灯+相同时间=吸热相等。第2问填“等于”，千万别被砂石升温猛带偏，升温快是因为比热容小，不是因为吸热多。三是操作要补漏：砂石导热差，不搅拌上下层温差大，温度计测的就不是整体温度。第4问必须写“用玻璃棒不断搅拌”，只写“搅拌”不够规范。 ◆强化训练 1．人们为了认识事物，常常要进行比较，并引入相应的科学量。下列关于“比较”的说法，不正确的是（　　） A．比较物体冷热程度，引入科学量——温度 B．比较物体吸热能力，引入科学量——比热 C．比较物体所含热量的多少，引入科学量——内能 D．比较物体所含物质的多少，引入科学量——质量 2．冲泡杭白菊的一般方法如下：将干燥的菊花放入杯中，倒入95℃左右的沸水，待菊花完全舒展后，茶汤温度也下降至适宜饮用的50℃左右。此过程中有关温度、内能、热量的说法正确的是（　　） A．冲泡时，杭白菊吸收热量，热量增加，温度升高 B．热量总是从内能多的物体传给内能少的物体 C．95℃的沸水比50℃的茶汤温度高，分子的热运动剧烈 D．95℃的沸水和50℃的茶汤，前者含有的热量多，内能大 3．如图所示，在厚壁玻璃筒内放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，硝化棉燃烧。下列说法正确的是（　　） A．硝化棉燃烧是因为活塞与筒壁摩擦生热 B．活塞下压过程中，筒内空气的内能转化为机械能 C．活塞下压过程中，机械能转化为筒内空气的内能 D．硝化棉燃烧后，气体将塞子冲出，气体温度升高 4．关于物体的内能及其变化，下列说法中正确的是（　　） A．发生热传递时，热量总是从内能大的物体向内能小的物体传递 B．物体对外做功，其内能一定减少 C．0℃的冰熔化成0℃的水，温度不变，内能也不变 D．物体的温度升高，内能增加，但不一定吸收了热量 5．将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”，把一瓶饮料放入“冰箱”后，冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示，在两物体温度达到相同的过程中，下列说法正确的是（　　） A．0℃的冰块没有内能 B．热量总是从内能大的物体向内能小的物体转移 C．物体内能大小与温度无关 D．饮料温度降低是通过热传递的方式改变内能 6．2024年11月4日，神舟十八号载人飞船返回舱安全返回地球。返回舱刚进入大气层时，与大气层剧烈摩擦，速度从7.9千米每秒逐渐降至几百米每秒，实现“超级减速”。这一阶段中，返回舱的内能增加量E1 和重力势能减少量 E2以及动能减少量 E3之间的关系是（忽略返回舱质量的变化）（　　） A．E1<E2 B．E2=E3 C．E1<E3 D．E1>E2 7．利用如图所示装置，探究“做功改变物体内能”。广口瓶内装有一些水，用瓶塞将瓶口塞紧，瓶塞通过导管与打气筒相连，用打气筒给瓶中打气。实验中，你应该注意观察的是（　　） A．打气的过程 B．打气过程中瓶内水的情况 C．瓶塞跳起的高度 D．瓶塞跳起的瞬间，瓶内发生的变化 8．某国产新能源汽车采用了“液冷+直冷”的电池热管理系统。在极寒天气下，系统通过加热冷却液为电池保温；在快充高负荷时，系统利用冷媒直接蒸发吸热。关于该过程中的内能与比热容，下列说法错误的是（　　） A．冷却液在保温过程中，通过热传递增加了电池包的内能 B．选用比热容较大的冷却液，是为了在相同温升下吸收更多的热量 C．冷媒蒸发吸热属于做功改变物体内能 D．电池在充放电时自身发热，本质上是电能部分转化为内能 9．“天问一号”火星车在着陆过程中，表面温度急剧升高。其外壳采用了一种新型纳米气凝胶材料，该材料具有极低的导热系数和较高的比热容。关于该材料在极端环境下的热学特性，下列分析正确的是（　　） A．极低的导热系数意味着该材料的比热容一定很小 B．较高的比热容使其在吸收相同热量时，温度升高较慢，起到缓冲作用 C．外壳温度升高，主要是通过热传递从稀薄的大气中获取热量 D．气凝胶内部空气分子停止运动时，其内能最小 10．在两个相同的烧杯中分别装有质量和初温相同的a、b两种液体，用两个完全相同的电加热器对其加热，每隔一段时间分别测量它们的温度，并画出了温度随时间变化的图像（如图）。由图可知（　　） A．相同时间内a 中加热器产生的热量比b中的多 B．a和b 的吸热能力都随着温度的升高不断增大 C．升高相同温度a所用时间比b多，a的吸热能力比b强 D．相同时间内a升高的温度比b少，a的吸热能力比b弱 11．图甲所示为抖音上售卖的喷气火箭，发射时猛踩气囊，气囊中的空气推动火箭向上飞出。图乙所示，大口玻璃瓶内装有一些水，用瓶塞将瓶口塞紧，瓶塞通过导管与打气筒相连，用打气筒给瓶中打气。图丙所示，B是一个被销钉K锁住的活塞，气缸A密封有压缩空气，C是一支温度计，活塞与气缸壁之间没有摩擦，请回答下列问题： （1）乙实验中，在研究气体对外做功内能变化时，应该注意观察的是______； A．打气的过程中，水面的变化情况  B．瓶塞跳起瞬间，瓶内的变化情况 C．瓶塞跳起的高度 （2）试根据甲、乙实验的结论分析，当把销钉K拔出后温度计的示数______（选填“升高”、“降低”或“不变”）。 12．学习小组同学用如图甲所示装置探究沙子和水的吸热能力。 （1）在完全相同两箱子中装入初温相同、质量相同的水和沙子，用规格相同的白炽灯模拟太阳对箱中的水和沙子加热，这是为了保证相同时间内水和沙子吸收的热量相同； （2）依据实验数据描绘的水和沙子的温度随时间变化的图像如图乙所示，可知在质量，吸收热量相同时，沙子升高的温度比水升高的温度多，说明水的吸热能力强。 （3）该实验中除了用到控制变量法外，还用了转换法。 （4）在受太阳照射的条件相同时，内陆地区昼夜温差比沿海地区大，这是因为水和沙土相比，水的比热容较大，下列事例中属于应用水的这种特性的是。 A．夏天给教室洒水，感觉凉 B．用盐水腌蛋，一段时间后蛋会变咸 C．用水冷却汽车的发动机 D．冰熔化成水需要吸收热量 （5）水的比热容为4.2×103J/（kg•℃），则可以算出沙子的比热容为1.05×103J/（kg•℃）。 13．如图所示，甲、乙、丙三图的装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择甲乙两图进行实验，燃料完全燃烧放出的热量是通过温度计升高的示数_（选填“温度计升高的示数”或“加热时间”）来反映的。 （2）比较不同物质吸热升温的特点： ①在燃烧同种燃料时还需要控制火力相同，是为了使两种液体在相同时间内吸收相同（填“相同”或“不同”）的热量，此时使用的方法是控制变量法； ②如果质量和初始温度均相同的a、b液体，吸热后它们的温度随时间变化的图像如图丁所示，由图可看出b液体的温度升高得较慢，则液体a的比热容小于（选填“小于”或“大于”）液体b的比热容。 （3）某同学用图甲装置测燃料1的热值，假设燃料完全燃烧放出的热量全部被液体a吸收。假设加热前燃料1的质量为m1，加热一段时间变为m2；烧杯中液体a的质量为m，初温为t1，末温为t2，液体a的比热容用c表示，用以上符号表示该同学测燃料1的热值的计算式：q=_cm(t2-t1)/(m1-m2)，按照这样的方法测算出来的热值小于真实的热值（选填“小于”“等于”或“大于”）。 14．为了比较两种燃料的热值，小金采用如图甲所示的两套完全相同的装置进行实验，烧杯内水的初温和质量相同，实验中忽略热量损失。 （1）实验时若温度计的玻璃泡碰到杯底，则测量的温度值偏大（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）； （2）实验中燃烧相同质量的燃料，根据温度计上升的示数来比较放出热量的多少； （3）小金选用了相同质量的燃料a和燃料b进行实验；当燃料燃尽后，小金根据各个时刻烧杯中的水温，绘制了如图乙所示的图像，则可初步判断燃料b的热值大； （4）另一组的小华也用图甲的两套完全相同的装置进行实验，并重新在烧杯内加入初温和质量相同的水，燃料1和燃料2的质量相同，在燃料烧完后也画出了水的温度随时间变化的图像如图丙所示，根据丙图像，燃料1和燃料2的热值之比为8:3。 15．很多同学在课间玩“扭转泉水瓶”的游戏。如图所示，在瓶里装有少量的水，盖紧瓶盖，使劲拧瓶的下部，使其严重变形，然后对着没人的方向略松开瓶盖。可观察到瓶盖被弹出数米远，同时瓶口和瓶内有白雾产生的现象。请结合所学的知识对上述现象进行合理的解释。 答：用力拧瓶的下部时，瓶子变形,瓶子的体积变小，此时压缩瓶内气体做功，机械能转化为内能，瓶内气体内能增加，温度升高，略松开瓶盖，瓶 内气体对外做功，内能减小，水蒸遇冷液化形成了小水滴，所以当瓶盖弹出时瓶内及瓶口就有白雾。 16．某兴趣小组开展了“设计绿色、节能房屋”项目化学习。根据当地日照强、昼夜温差大等特点，为了达到节能的目的，房屋要选取隔热效果更好的材料，使房间冬暖夏凉，夏天制冷和冬天取暖都更加节能；同时选取更节能的用电器和加装太阳能电池板。 （1）选择合适的隔热材料 选取厚度相同的三种不同材料制成大小、形状和结构一致的三个房屋模型，用白炽灯模拟太阳光，摆放情况如图甲，三个房屋到灯泡的距离相等。 将温度传感器置于模型内相同位置，记录不同时间的温度并绘制出图乙所示的温度-时间关系图像。分析图乙的图像，你会选择泡沫板做房屋的隔热材料，理由：在相同光照下，相同时间内，泡沫板房屋温度变化最小。 （2）选择节能的热水器 小组成员准备选择空气能热水器，其工作原理如图丙：液态制冷剂经蒸发器吸收室外热量发生汽化，形成的气体通过压缩机变成高温高压气体，进入水箱冷凝管后放热液化，此过程放出的热量被水箱内的水吸收，使水升温。最后经过一系列配套器件回到蒸发器，开始下一个循环。测试状态下，消耗1份电能驱动压缩机运行，可从空气中转移4份热量到水中。 水从冷凝管吸收的热量与热水器消耗电能的比值叫做该空气能热水器的COP值（制热系数），COP值越高制热效率越高，越节能。 ①测试状态下、该空气能热水器的COP值为4。由此值，小组成员发现水增加的内能高于空气能热水器消耗的电能，请结合上述材料，说明产生此现象的原因：水升温过程还从空气中吸热获得的内能。 ②如果你是工程师，为了让热水器满足当室外温度低或需要快速制热时的使用需求，要如何改进该热水器？可以在保温水箱中增加电热装置辅助加热的操作。 （3）研究表明：在我国南方地区和北方地区，用同一型号的空气能热水器获得相同质量的热水、南方地区的COP值明显高于北方地区，因此空气能热水器更适合在南方地区使用。综合以上信息，提出一个可探究的科学问题：空气能热水器的COP值与室外温度有什么关系。 学科网（北京）股份有限公司 $