物体的内能2.doc

物体的内能一、教 法 建 议抛砖引玉本单元内容也是非常抽象的，它是分子动理论的发展。要引导学生在分子动理认的基础上利用牛顿力学的知识，利用统计学的初步知识去理解分子的内能，并在此基础上引导学生区分温度、内能、热量、热能、热运动、热现象、热平衡等热学概念的不同含义。在弄清物体的内能后，可通过实验研究物体内能的变化与做功和热传递这两上物理过程间的关系。在此基础上，从能的转化和守恒定律的阐述出发，建立起做功和热传递与内能变化间的能的转化和守恒定律的规则。本单元重点内容是内能的概念和能的转换和守恒定律。这些内容是比较抽象的，不易掌握，所以要多联系实际，同时能较好地结合初中已学过的热学初步知识，使学生掌握好物体的内能和能的转换和守恒定律。指点迷津1. 物体的内能本部分知识是用物质分子动理论的观点来阐述分子的动能、分子的势能和物体的内能的概念，我们在这里要清楚以下内容：（1） 分子的动能： 分子的动能是指分子无规则运动时所具有的能量，也即是分子作热运动时的能量。它不包括由于物体运动所具有的机械能。 分子的无规则运动的动能包括分子的平动动能。分子或原子的转动动能和其振动动能。 大量分子的平动动能，是一个统计性的规律。在一定温度下，物体分子的平均平动动能具有一定的数值，并且随着温度的升高，平均平动动能都要增大。因此可以说物体温度是分子平均平动动能大小的标志，温度的变化反映了物体内分子平均平动动能的改变。（2） 分子的势能：从分子的理论可知：分子间存在着引力和斥力，所以有由分子间相对位置所决定的势能，叫分子的势能。在分子间的距离rr0时分子力表现为引力，这时，要增大分子间的距离，必须克服分子间引力做功，分子势能逐渐增大。在分子间距rr0时，分子力表现为斥力，这时在减小分子间距离时，必须克服分子间斥力做功，分子热能也越来越大。在分子间距离r=r0时，分子势能为极小值。如图6-3所示。（3） 物体的内能： 物体的内能是指物体内所有分子的无规则运动的动能和分子势能的总和。其大小是决定于物体的状态（温度和体积）的。 内能和机械能是两种不同形式的能量，一个物体可以同时具有内能和机械能，而且二者在一定条件下可相互转化。 一个物体当状态确定时，内能就一定。但究竟有多少内能，要计算出来是不可能的。重要的是当物体状态发生改变时，我们可以量度物体内能的变化。 图6-32. 物体内能的变化（1） 通过对物体做功和热传递两种物理过程，可以改变物体的内能。（2） 做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，都能表示物体内能的变化，在国际单位制中都是用同一能量单位来度量：焦耳（J）。在实用单位中，热量用卡做单位，功用焦耳做单位，那么卡与焦耳的等效关系由实验得到的结果是1卡热量相当于做4.18焦耳的功。这个数值被称为热功当量。（3） 做功使物体的内能变化，使其他形式的能转化为内能。热传递的过程则是物体间分子无规则运动能量的转移，是物体内能的传递，两上过程是有本质上的区别的。尤其是我们以后在研究气体时，由于采取不同的做功过程和热传递过程，使物体发生同样的内能变化时，所需做的功和传递的热量是不相同的，这说明做功的多少和传递热的多少与发生的过程是密切相关的。3. 能的转化和守恒定律（1） 各种形式的物质运动对应着各种形式的能。（2） 各种形式的能可以相互转化的，这种转化意味着物质运动可由一种形式转化成其他形式。（3） 大量事实证明，任何形式的能转化为别种形式的能时，总的能量都是守恒的。4. 能量的利用和能源的开发。二、学 海 导 航思维基础1. 知道物体的分子具有动能和势能例：组成物质的分子总是处于不断地运动着，因此像一切运动着的物体一样，运动着的分子具有 由于分子间存在着相互作用力，因此分子又具有由它们的 所决定的势能。答案：动能；相对位置。2. 知道温度是物体分子平均动能的标志例：我们把物体内 的平均值叫做分子的平均动能，从分子动理论的观点来看 是物体分子平均动能的标志。答案：所有分子的动能，温度。3. 了解分子的势能跟物体分子距离的关系，与物体体积的关系例：如果分子间的相互作用显引力时，分子势能随着分子间的距离增大而 ；而分子间的相互作用为斥力时，分子势能随分子间的距离减小而 。所以分子势能跟物体的 有关系。答案：增大，增大，体积4. 掌握物体内能的定义，并了解内能与哪些因素有关例；关于内能的说法，正确的是：（1） 温度高的物体内能大；（2） 热的物体把温度传给冷的物体，最后两物体的温度相同，它们具有相等的内能；（3） 比热大的物体容易吸收内能；（4） 质量和温度都相同的物体，不一定具有相同的内能。分析：这个问题就是让我们必须对内能、温度、比热、热量、热传递等概念要清楚。而后再用内能的知识去分析它。物体的内能是决定于它本身的状态的，温度高只表明了物体分子的动能大，因此不能确定内能大小。热传递传递的是能量，不能传递温度，所以（2）是错的。比热大的物体在相同条件下吸收热量多，不能说吸收内能。只有（4）是正确的。5. 会辨认物体的内能和物体的机械能之间的区别例：一块木块沿着粗糙的曲面滑下，在它下滑的过程中，它的：（1） 机械能是守恒的；（2） 机械能在逐渐地增加，内能逐渐减少；（3） 机械能逐渐减少，内能逐渐增多；（4） 总能量是守恒的。分析：从运动物体的运动条件可看出，机械能是不能守恒的，因为运动着的物体是在粗糙曲面上滑下，势能减小，动能也减小。那么机械能减小，机械能变成了什么呢？变成了物体的内能，物体温度要升高。因此，（3）、（4）正确。例：下列产法中正确的是：（1） 运动着的物体机械能和内能都不为零，而静止着的物体机械能和内能都为零；（2） 质量大的物体一定比质量小的物体具有较多的机械能和热能；（3） 温度高的物体具有较多的机械能和内能；（4） 和体的机械能为零时，它的内能不为零；（5） 在一定条件下，物体的内能和机械能可以相互转化；（6） 物体的机械能减少，同时它的内能也减小。分析：静止的物体，其内能也不为零；机械能和内能的多少，不仅决定于物体的质量的多少；物体机械能的多少不能决定于温度的高低，物体机械能减少，其内能要增大，所以只有（4）、（5）正确。6. 能区分温度、热量、内能、热能、热现象、热平衡等概念的不同含义例：下列的说法中正确的是（1） 温度高的物体比温度低的物体热量多；（2） 温度高的物体不一这比温度低的物体内能多；（3） 温度高的物体比温度低的物体机械能多；（4） 在达到热平衡时，两物体的内能相等。分析：第一个备选答案要弄清物体温度的高低说明什么问题？热量是个什么物理量？第二个备选答案廉洁是要弄清内能是个什么样的物理量？它是由哪些因素确定的？第三个备选答案要明白机械能的大小决定于什么？它与温度有没有关系？第四个备选答案要弄清热平衡的条件是什么？把以上问题都讨论清楚了，那热学的诸概念就都清楚了。本题答案为（2）。7. 会叙述使物体内能改变的两种物理过程例：关于物体内能的变化，在下列叙述中错误的是：（1） 当物体的温度升高时，它的内能一定随着增加；（2） 当物体的机械能不变时，它的内能也保持不变；（3） 质量小的物体比质量大的物体内能容易发生变化；（4） 在一定条件下物体的内能和机械能之间可相互转化；（5） 做功和热传递是改变物体内能的两种方式；（6） 做功和热传递是以不同的能量转换方式来改变物体的内能；（7） 传递相同热量的两个物体，具有相同的内能；（8） 若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能也减少；（9） 若物体从粗糙的斜面滑下，物体的机械能减少，其内能要增加。分析：这个题目关键是要清楚内能的改变可以通过两种不同的过程实现，一个是热传递，一个是做功。热传递是由温度高的物体向温度低的物体传递热量而使物体内能发生变化的过程。而做功是由于物体的机械能改变时使物体内能发生变化的过程。可能是二者同时发生，也可能是其一发生，可能是二者发生都是使物体内能增加，也可能二者发生，一使物体内能增加，另一使物体内能减少。所以考虑总是时要进行全面分析。本题（4）、（5）、（6）、（9）是正确的，其余则为错误的。 8.对焦耳测定热功当量的实验要了解，明白其工作原理，知道人类探讨热的本质的过程及它的科学史上的重要意义9.能熟记热功当量例：功当量的数值为 ，它表明功和热量之间存在着确定的数量关系，即1cal= ，或者1J= 。答案：4.2J/cal；4.2J；0.24cal。10.能说明并区分做功和热传递在改变物体的内以上的区别和联系例：以下叙述中正确的是：（1） 做4.2J的功和传递1cal的热量在改变物体的内能上是等效的；（2） 4.2J的功和1cal的热量本质上是相同的；（3） 1cal=4.2J；（4） 热就是功，功就是热，所以热功相当。分析：做功和热传递是物体内能改变的两种不同机制。做功是由物体外部的运动来促使物体内部分子的运动，即通过宏观变化来改变内能的。而热传递则是通过微观变化来改变物体的内能。所以做功和热传递在改变内能的方式和本质上都是不同的，但它们的效果是一致的。热功当量就是表明二者效果一致的物理量。所以（1），（3）是正确的。11.会进行卡和焦耳间的数值换算例：从高处落下的水，若它的热能全部变成热能，问它应从我高处降落才可使水的温度升高1C？（取g=10m/s2）分析：水在高处它具有势能，E=mgh温度升高1C所需热量Q=Cmt，热和功是等效的，所以mgh=JCmt；其中J=4.2J/cal因此：h=这里要特别注意，单位必须按国际单位制所规定的单位，因为水的热能其单位为国际单位制单位，所以等号后面部分的公式也应用相同单位。12.知道的转化和守恒定律的内容例：能量既不能 ，也不能 ，它只能从一种形式 成另一种形式，或者从一个物体 到另外的物体上，这就是能的转化和守恒定律。答案：凭空产生、凭空消失、转化、转移。13.能通过推理来探讨能的转化和守恒定律例：水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，最后停止。这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合，汽车失去的动能变成了什么？分析：汽车发动机熄火后，汽车要克服阻力做功，当所克服阻力做的功等于其熄火时的动能时，汽车即停止运动。在这一过程中，汽车克服阻力做的功要转变成轮胎的内能，所以在这个过程中能量还是守恒的，是机械能转变成内能了。14.结合“西部大开发”的战略，了解常规能源的利用和新能源的开发例：“西部大开发”能源开发是重头戏，说说开发能源和节约能源的意义。分析：略。学法指要例1：在图6-4中，容器A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界没有热传递，原先，A中水面比B中水面高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中：（1） 大气压对水做功，水的内能增加；（2） 水克服大气压做功，水的内能减少；（3） 大气压对水不做功，水的内能不变。（4） 大气压对水不做功，水的内能增加。 图6-4分析：打开阀门后，根据连通器原理，A中水面要下降，B中水面要上升，到二者相平为止。此时，大气压对A中做功，设为WA，而B则是水对大气压做功，设为WB。则：WA=P0SAhA WB=P0SB hB其中：P0为大气压，SA为A活塞的面积，SB为B活塞的面积，hH为A水面下降的高度，hB为B水面上升的高度。由于容器中水的体积不变，因此有：SAhA=SBhB WA=WB水受到的大气压力所做的功为零。A水面下降，B水面上升，容器中水的重心下降了，所以重力势能减少，水的重力做功，且在这个过程中没有热传递，则重力做功全部转变为水的内能，从以上分析可看出（4）是正确的。例2：太阳光垂直照射地面时，每平方厘米的面积上每年共获得1.02102kcal的热量，则：（1） 用这些热量给水加热，可使多少kg的20水温度升到35？（2） 若使这些热量全部用来做功，能做多少J的功？（3） 这些热量与完全燃烧多少汽油所产生的热量相等？（汽油燃烧值为11000kcal/kg）分析：应弄清获得的总热量为多少？这些热量能使我少kg20的水温度升高到35，怎么计算？水的比热？这些热量相当于多少机械功？热功当量为多少？最后要知道燃烧汽油产生热的规律和汽车油的燃烧值。解：获得总热量，Q=1.02102kcalQ=Cmt1.02102=1m(35-20) (m单位为千克)m=6.8kgW=JQ=4.21.02105=428400JQ=mq q=11000kcal/kg1.02102=m11000 m=0.009kg思维体操例：用l=1.6m的长细绳悬吊一质量为0.5kg的木块，木块被水平下来的质量为10g的子弹打穿，子弹打穿木块后速度变为200m/s，木块摆起的悬线与竖直方和的最大摆角为60，求（1） 子弹打击木块前的初速度；（2） 有多少机械能转化为内能；（3） 若转化内能的60%被子弹吸收，则穿过木块后，子弹的温升为多少？（C子弹=126J/kg，g=10m/s2）分析：此题是个机械能、动量及有关内能的综合性题目。在分析这个题目的（1）问时，可按如下思路分析：子弹初速 木块 木块速 摆起60 子弹速（飞出）我们可以从摆想60求出木块速度，利用木块速度和子弹飞出速度可求子弹动速度。在解题的过程中需要机械能守恒和动量守恒的知识。解：设木块质量为M，子弹质量为m，子弹初速为v0，子弹打击木块后，木块获得速度为v1，子弹剩余速为v2，木块摆起机械能守恒： v1=4m/sv2=200m/s2,则子弹与木块相互作用过程中：mv2+Mv1=mv0 v0=400m/s在分析（2）问时，可根据能量守恒定律去分析，内能的产生一定是由于系统机械能的损失造成的，那就顺着这一思路去考察系统的机械能损失多少就行了。系统总机械能在子弹撞击前是子弹的动能，在撞击后，是木块的动能和子弹的动能，要想看机械能损失多少，只要用原来的动能减去后来二者的动能即可。E= =596J在分析（3）问时，利用热学知识即可：E=Cmtt=E/cm283.8一、 智 能 显 示心中有数 分子具有动能：由于分子在不停地做无规则的热运动，因此 运动着的分子是有动能。 分子的动能 动能大小与温度有关：分子动能的大小取决于温度，温度越 高分子动能越大。 分子具有势能：由于分子之间存在着相互作用，这种相互作 用与分子间的相对位置有关，因而具有由分子间的相对位置 分子的势能 决定的能，叫分子势能。1.物体的内能 势能大小与体积有关：分子间距离的大小决定了物体体积。 定义：物体内所有分子，其动能和势能的总和，叫物体的内 能。 说明：严格来说，物体的内能除了分子的动势能外，还包括 物体的内能 原子、原子核内的能量。但我们当前只把物体内所有分子的 动势能总和称为物体的内能。 决定内能的因素：内能是系统状态的单值函数，状态变内能 变，状态不变内能就不变。 做功可以改变物体的内能 做功 当物体膨胀，物体对外做功，此时内能减少。 做功与内能变化 当物体压缩，外界对物体做功，此时内能增加。 定义：没有作功而使物体内能改变的过程，叫热传递。 当物体温度下降时，物体向外界传递了热 量，即放热过程，内能减少。 热传递与内能的变化 当物体温度上升时，外界向物体传递了热 量，即吸热过程，内能增加。 热传递 对流：依靠液体或气体本身的流动而实现的 热传递过程，叫对流。2.内能的变化 传导：热由物体高温处传向低温处或由一个高 温的物体传递给一个低温体，而不同时伴随 热传递的方式 有物质的流动，这种过程叫热传递。其实质 是靠分子间的撞来交换能量而实现热传递。 辐射：热量的传递，既不依靠物质的流动， 又不依靠分子碰的碰撞，而是借助于不同波 长的电磁波来实现，这种传热方式就是辐射。 热功当量：做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，如果热、功的单 位不同，就存在一个热功当量的问题，即多少热等于多少功。根据实验， 热功当量J=4.18J/cal。若在国际单位制，热量和功的单位都是J，就没这 问题了。 3.能的转化和守恒定律：能量既不能凭白创生，也不会凭白消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一物体上。这个结论称为能的转化和守恒定律。动脑动手1. 关于温度的说法，以下正确的是：（1） 跟温度有关的现象都叫热现象；（2） 温度是表示物体冷热程度的物理量；（3） 温度高的物体内能多；（4） 温度是物质内部分子平均动能的标志。2. 达到热平衡的两个物体具有相同的：（1） 内能；（2）分子平均动能；（3）比热；（4）分子势能；（5）机械能；（6）温度。3. 物体从高处落下，由于受空气阻力的影响，则它的：（1） 机械能减少，内能也减少；（2） 机械能减少，内能增加；（3） 机械能增加，内能也增加；（4） 机械能和内能都不变。4. 在测定热功当量的实验中，为了提高实验的精度，下列方法中正确的是：（1） 在量热器中注入热水；（2） 在量热器中要注入足够量的水；（3） 增加重锤的质量，并提高下落的距离；（4） 减少量热器的热传递损耗；（5） 仔细观察并纪录水的温度变化。5. 关于内能的说法：（1） 温度高的物体内能大；（2） 热的物体把温度传给冷的物体，最后两物体温度相同，它们具有相等的内能；（3） 比热大的物体容易吸收内能；（4） 质量和温度都相同的物体，不一定具有相等的内能。6. 下列说法中，正确的是：（1） 物体内能的减少，一定是因为它对外做了功；（2） 物体内能不变，可能是因为它对外做功的同时还吸收了热量；（3） 物体内能的增加，是因为它温度升高了；（4） 不能确定物体内能的变化，是因为不知道它对外所做的功和传热的多少。7. 下列说法中正确的是：（1） 温度低的物体内能少；（2） 温度低的物体内分子运动的平均速度小；（3） 做加速运动的物体，由于物体的速度越来越大，因此物体内分子的平均动能越来越大；（4） 外界对物体做功时，物体的内能不一定增加。 8.物体对外做功1650J，与此同时它又从外界只热800J，则它的内能 了 焦，因此它的温度将 。9.使200g水温度升高10应供热 cal，或对它做 J的功。创新思维 1.汽车以15m/s的速度匀速行驶，发动机的功率为3.675104W，效率为30%，汽油箱内有燃烧值为4.62104J/kg的汽油10kg，问它能行驶多远？1. 从30m高处射出一颗速度为v=200m/s的铜质炮弹，炮弹飞行过程中与空气摩擦所生的热60%被炮弹吸收，结果使炮弹温度升高20，求弹着地时的速度。（铜的比热为4.2102J/kg）参考答案动脑动手1.（1）、（2）； 2.（2）、（6）； 3.（2）； 4.（2）、（3）、（4）、（6）； 5.（2）； 6.（4）； 7.（4）； 8.减少；850；降低； （9）2000；8400创新思维1.5.66104m；2.112.2m/s四、同 步 题 库一、选择题1.关于温度，以下说法正确的是（ ）A. 温度是表示物体冷热程度的物理量B. 温度是物体内大量分子平均速率的标志C. 温度是物体内大量分子平均动能的标志D. 温度在两个物体之间会传递2.关于物体的内能，下列说法正确的有（ ）A. 物体有内能必有机械能B. 物体机械能为零时，内能不为零C. 物体的内能永远不为零D. 温度相同的物体，内能必相等2. 根据分子动理论，物质分子间的距离为r0时，分子间的引力和斥力相等，以下关于分子势能的主法哪一个是正确的（ ）A. 当分子间的距离等于r0时，分子势能最大B. 当分子间的距离等于r0时，分子势能最小C. 当分子间距离增大时，分子势能一定增大D. 当分子间距离减小时，分子势能一定减小4.物体的内能是（ ）A. 物体的动能与热能总和B. 物体内所有分子的动能与热能总和C. 物体的动能、势能以及物体内分子的动能和势能的总和D. 物体内所有分子的热运动的动能总和5.甲、乙两个分子，若固定甲分子，使乙分子从很远处逐渐靠近甲分子，直到不能再靠近的整个过程中分子力对乙分子做功的情况是（ ）A.始终做正功 B.始终做负功C.先做负功，后做正功 D.先做正功，后做负功分子势能的变化情况是（ ）A.不断增大 B.不断减小C.先增大，后减小 D.先减小，后增大6.甲、乙两物体由同种物质组成，它们的质量、温度完全相同，关于它们内能之间的关系，下述说法正确的是（ ）A. 甲、乙两物体的内能一定相同B. 甲、乙两物体的分子平均动能一定相同C. 甲、乙两物体的内能可能不同D. 甲、乙两物体的分子平均动能可能不同7.两个温度不同的物体相接解，热平衡后，它们具有的相同物理量是（ ）A.内能 B.分子平均动能C.分子势能 D.热量8.对于热量、功、内能三个物理量，下列说法中，正确的是（ ）A. 热量、功、内能的物理意义相同B. 热量和功都可以作为物体内能的量度C. 热量、功、内能物理意义不同，单位也不相同D. 热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的9.关于热传递的概念，下述说法正确的是（ ）A. 势传递是物体内能的转移B. 热量总是由温度高的物体传给温度低的物体C. 两个物体间发生热传递时，温度发生迁移D. 只有通过热传递，才能使物体温度升高10.关于热量，以下说法正确的是（ ）A. 是物体内能多少的量度B. 是非做功过程中物体内能变化的量度C. 是物体温度高低的另一种表示方法D. 是物体所含能量的多少11.比较氢气和氧气，下面说法中正确的是（ ）A. 因为氧分子质量比氢分子质量大，所以在相同温度下，氧分子的平均动能比氢分子的平均动能大B. 质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的动能C. 体积和温度相同的氢气和氧气具有相同的动能D. 摩尔数相同，温度相同的氢气和氧气具有相同的动能12.关于物体内能的以下说法正确的是（ ）A. 物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度B. 内能大的物体热量多C. 两物体发生热传递，达到平衡后，它们的内能必定相等D. 做功和热传递对于改变物体内能是等效的13.关于做功和热传递，下面叙述正确的是（ ）A. 做功和热传递都可以改变物体内能，两者无本质区别B. 从热功当量可知，功一定可以转化为热，热一定可以自然地完全转化为功C. 在国际单位制中，功和热单位一样，所以两者是一回事D. 热传递是内能的转移，做功是能量的转化14.重力为10N的物体从一个高3m，长5m的斜面滑下，已知物体与斜面之间的滑动摩擦系数是0.25，在物体从斜面顶端滑至底端的过程中，内能的增量是（ ）A.10J B.20J C.30J D.40J15.如图6-5所示的装置，放置在温度较低的空气中，物体A沿斜面缓慢匀速下滑过程中，下列判断正确的是（ ）A. 物体A的机械能减少，内能增加，但它的机械能与内能之和不变B. 物体A的机械能减少，内能增加，但它的机械能与内能之和减少C. 物体A与斜面的内能增加量等于物体A的机械能的减少量D. 物体A与斜面的内能增加量小于物体A的机械能的减少量 图6-5二、填空题16.历史上第一个用实验来测定热功当量的人是英国物理学家 ，热功当量的数值为J= ，其正确的含义是 ，4.2cal= J。17.一个气缸里的气体膨胀时推动活塞做了800J的功，同时向外放出了300J的热量，则气体内能 （增加或减小）了 J。18.瀑布从10m高处落下，如果下落中减少的机械能全部被水吸收，水的温度将升高 。（水的比热是4.2103J/(kgL)19.从枪膛射出一粒25g的子弹，假定火药爆炸时可产生3.2104J的热，其中有25%转变为子弹的动能，那么子弹射出枪口时的速度为 m/s。20.能量既不能 也不能 ，它只能从一种形式 为别的形式，或从一个物体 到别的物体，而能量的 保持不变。这个规律叫做 定律。21.雨滴从400m高处由静止下落，设它受到的平均阻力为重力的0.7倍，雨滴落地前所产生的势能有30%为其吸收，则落地前雨滴温度升高了 。22.体积相同的一块铅和一块铝，从同一高度落下，假定它们的热能全部转变为各自的内能，那么 的温度升得高，约高 倍（c铅=1.3102J/(kg)，c铝=8.8102J(kg)）23.某地强风的风速约为v=20m/s，设空气密度为=1.3kg/m3，如果把通过横截面积为S=20m2的风