《机械能与内能》重难点剖析

一、正确理解机械能 能的概念很抽象，是学习的难点。为了突破这个难点，必须把这个抽象的概念具体化，这就是把能量和做功紧密结合起来。一个物体具有能量，可以用来做功；反过来一个物体能够做功，它就具有能量；一个物体做的功越多，它具有的能量就越大。可以用做功的多少来衡量物体具有能量的大小。因此功是能量转化的量度。 功和能是两个关系密切，而含义又不相同的物理量。根据书中“能”的概念可知，一个物体具有了能，就可以做功。需要注意的是：⑴具有能的物体，不一定都处在做功的过程中。如：悬挂着的钢球，它虽没有做功，但它具有重力势能。⑵做功的过程，一定伴随着能量的变化。如打桩机被举高的重锤落下来砸在石桩上，重锤在下落的过程中重力做功，将重力势能转化为动能；被压缩的弹簧把放在弹簧上面的砝码弹起时，弹力做功将弹簧的弹性势能转化为砝码的动能。 判断一个物体是否具有动能，关键看此物体是否运动，若物体是运动的，则它必定具有动能。动能的大小既与速度有关，也与质量有关。在遇到有关问题时，同学们不能只考虑速度，而忽视质量，要考虑全面。如一辆洒水车在水平路面上匀速行驶，在洒水过程中，其动能不断减小。 判断一个物体是否具有重力势能，关键看此物体相对某一个平面有没有被举高，若被举高了，则物体具有重力势能。重力势能除与物体所在的高度有关，还与物体质量有关。如在高空同一高度匀速飞行的飞机，抛出救灾物资后，尽管其速度、飞行高度不变，但飞机的总质量减小，其动能、势能和机械能都要减小。还要注意，决定重力势能大小的一个因素“高度”，在没有特殊指明的情况下，一般是指相对于地面而言的。初中阶段通常把地面上的物体具有的重力势能看作零。 判断一个物体是否具有弹性势能，关键看此物体是否发生了弹性形变，若此物体发生了弹性形变，则此物体具有弹性势能。物体有弹性无形变或有形变无弹性都没有弹性势能，只有在既有弹性又有形变的情况下才有弹性势能。比较弹性势能的大小只能在相同外形的物体之间进行。 动能和势能之间可以相互转化，动能转化为重力势能的标志是速度减小，所处的高度增加；重力势能转化为动能的标志是所处的高度减小，速度增大。 动能和势能统称为机械能。判断机械能变化的方法：①由“机械能＝动能+势能”判断，若速度和高度不变，质量减小，则动能减小，势能减小，机械能也减小；若质量和速度不变，高度减小，则动能不变，重力势能减小，机械能减小。②在动能和势能相互转化的过程中，如果没有机械能与其它形式的能之间的转化，即没有空气阻力和摩擦等原因造成的机械能的损失，机械能的总量是保持不变的。③在动能和势能相互转化的过程中，如果存在空气阻力和摩擦等，机械能的总量减小。 物体各种形式的能量可以相互转化，动能和势能的相互转化只是能量相互转化的一种形式。能量转化过程中总是有一种能量减少，另一种能量增加。能量的转化，可以发生在同一物体上，也可以发生在不同物体之间。例如：高空落下的物体。能量的转化发生在物体的本身，而用弓把箭射出去，能量转化发生在弓和箭两物体之间，故而分析具体问题时，要注意这种区别。 二、正确理解温度、内能、热量之间的区别与联系 （1）区别： 温度表示物体的冷热程度，它是一个状态量，所以只能说“物体的温度是多少”。两个不同状态间可以比较温度的高低。温度是不能“传递”和“转移”的，其单位是“摄氏度”。从分子动理论的观点来看，它跟物体内部分子的无规则运动情况有关，温度越高，分子无规则运动的速度就越大，分子运动就越剧烈。可以说，温度是分子无规则运动的剧烈程度的标志，它是大量分子无规则运动的集中体现，对于个别分子毫无意义。 内能是能量的一种形式，它是物体内部所有分子无规则运动的动能与势能的总和。内能和温度一样，也是一个状态量，通常用“具有”等词来修饰。 内能大小与物体的质量（反映物体内部分子数的多少，影响分子的动能）、体积（反映分子间平均距离的大小，影响分子间的势能）、温度及构成物体的物质种类都有关系。现阶段主要掌握与温度的关系。一个物体温度升高时，它的内能增大，温度降低时，内能减小。切记“温度不变时，它的内能一定不变”是错误的。如晶体熔化、液体沸腾时，温度保持不变，但要吸热，内能增加。温度不变时，它的内能也可能减小（想一想为什么？）同样，物体放出热量时，温度也不一定降低。 热量是在热传递过程中，传递能量的多少。它反映了热传递过程中，内能转移的数量，是内能转移多少的量度，是一个过程量，要用“吸收”或“放出”来表述而不能用“具有”或“含有”。热量的单位是“焦耳”。 （2）联系： ①温度与内能 因为温度越高，物体内的分子做无规则运动的速度越快，分子的平均动能越大，因此物体的内能越多。但要注意：温度不是内能变化的惟一标志。物体的状态变化也是内能变化的标志（如晶体的熔化、凝固，液体沸腾等）。 ②温度与热量 温度反映的是分子无规则运动的剧烈程度。分子运动越剧烈，物体温度就越高。热量是在热传递过程中，内能转移的多少。温度高的物体放出热量，内能减小，温度低的物体吸收热量，内能增加。两物体间不存在温度差时，物体具有温度，但没有热传递，也就谈不上“热量”。 ③热量与内能 热量反映了热传递过程中，内能转移的数量。物体放出了多少热量，内能就减小多少；物体吸收了多少热量，内能就增加多少。要注意：内能增减并不只与吸收或放出热量有关，做功也可以改变物体内能。对物体做功，物体的内能会增加，对物体做了多少功，物体的内能会增加多少；物体对外做功，物体的内能会减小，对外做功多少，物体的内能会减小多少。 ④内能与机械能 内能是物体内部所有分子无规则运动的动能与势能的总和。机械能是指整个物体发生机械运动时具有的能量。一个物体可以同时具有内能和机械能。因为一切物质的分子都在不停的做无规则运动，总有分子动能；分子间总是存在着引力和斥力，总有分子势能，所以一切物体在任何情况下都具有内能，即内能不可能为零，机械能可以为零。 三、比热容与热值 ①比热容：因为不同的物质在质量相同，升高（或降低）的温度也相同时，吸收（或放出）的热量并不相同，物理学中用比热容来反映物质的这一特性。所以比热容是物质的一种特性，只与物质种类、状态有关，与其它任何因素无关，当然与吸收（或放出）的热量、质量、升高（或降低）的温度等无关。和密度一样，利用比热容也可以鉴别物质。比热容的单位比较复杂：是J/（㎏·℃）。 水的比热容大的实际意义 通过课本的比热容表，可以看出，各种物质的比热容中，水的比热容最大，这在人们的日常生活和生产中，具有重要意义。主要表现在两个方面：一方面，冷却或取暖。由于水的比热容较大，那么一定质量的水升高（或降低）一定的温度吸收（或放出）的热量较多，这样水就可用来冷却或取暖。用来冷却时，是让水吸收带走更多的热量。如柴油机工作时，水箱中要加足水；用来取暖时，是让水放出更多的热量。另一方面，由于水的比热容较大，一定质量的水吸收（或放出）较多的热量而自身的温度却改变不多，这一点有利于调节气候。沿海地区与内陆地区相比，冬天和夏天温差较小，白天和夜晚温差也较小，就是这个道理。 ②热值：质量相同的不同燃料完全燃烧时放出的热量并不相同。物理学中用热值来反映燃料的这一特性。所以热值是燃料的一种特性，只与燃料种类有关，与燃料质量无关。为了方便，热值常用两个单位：固体或液体燃料常用J/㎏，相应的计算公式──Q＝qm；气体燃料常用J/m3，相应的计算公式──Q＝qV。 四、效率问题 ①热效率：燃料在燃烧时放出的热量，只有一部分被有效利用。我们把被加热的物体吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比用热效率表示。表达式为：。注意：在不计热损失时，物体吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量相等。 ②热机的效率 热机是将燃料燃烧获得的内能转化为机械能的机器。四冲程内燃机在一个工作循环中：活塞完成四个冲程、两个往复运动，活塞对外做功一次；曲轴和飞轮转两周。四个冲程中，只有做功冲程燃气对外做功，其它三个冲程靠飞轮的惯性完成。有两个冲程伴随有能量的转化：压缩冲程将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能。 在热机工作时，用来做有用功的那部分能量和燃料完全燃烧放出的能量之比叫热机的效率。公式为：。 热机中能量损失的原因：①废气带走部分能量；②部件散热损失一部分能量；③部件间摩擦损失能量。 五、热量的计算 ①应用公式直接求解 注意：公式中各物理量的单位必须统一为国际单位；文字叙述中升高t℃、升高了t℃、降低t℃、降低了t℃，对应的是温度的改变量，而升高到t℃、降低到t℃，对应的是物体的末温t℃。 ②两个温度不同的物体放在一起，如果它们与外界没有热传递，则高温物体放出的热量一定等于低温物体吸收的热量，直到温度相等为止，即达到热平衡。公式为：Q放＝Q吸，称为热平衡方程。 注意：公式的实质是表明了在热传递过程中，高温物体的内能转移到低温物体的多少，反映了在这种转移中能量守恒的关系。若在热传递过程中存在能量损失，则有：Q放＝Q吸+Q损。 ③燃料完全燃烧时放出的热量，计算公式有两种：计算固体或液体燃料时常用Q＝qm；计算气体燃料时常用Q＝qV。