第十三章 内能与热机

本章是在学习了机械能的基础上，把对能量的研究拓展到内能.从分子热运动理论出发，引出内能的概念；通过实验说明利用内能可以做功，以改变内能的两种不同方法，反映了内能和其他形式的能之间的相互转化；通过实验探究不同物质的吸热本领，引出比热容的概念；知道比热容是物质的基本属性，并进一步学习关于比热容的热量计算；通过内能与机械能的转化引出内燃机，介绍汽油机和柴油机，从燃料引出热值、热机效率和环境保护，突出了化学能、内能和机械能的相互转化和应用.在本章的教学中始终贯穿着能量的转化与应用这一主线，通过逐步学习各种不同形式的能量之间的相互转化，可以使学生逐步认识到世界是物质的，物质是运动的，物质之间是相互联系的，也是可以相互转化的，有利于培养学生辩证唯物主义的科学世界观.

本章共分4节：

1.第1节“物体的内能”，讲述了内能的概念，改变物体内能的两种途径，热量以及热量、内能、温度的关系.

2.第2节“科学探究：物质的比热容”，这节是从日常生活常识出发，讨论物体在温度升高时吸收的热量与它的质量及质量与升高温度的度数之间的关系.通过探究活动加深学生对比热容是物质的一种特性的理解，并通过热量的计算让学生进一步认识比热容.

3.第3节“内燃机”，本节通过四冲程内燃机工作原理的学习，使学生了解内燃机的主要结构；大致了解内燃机工作时，能量的转化与转移情况，了解汽油机和柴油机的区别；了解内燃机在现代生活，特别是交通方面的应用.

4.第4节“热机效率和环境保护”，本节的主要教学内容有三个，一是燃料的热值；二是热机效率；三是环境保护.教学中，注重让学生理解热值、热机效率，会用热值的计算公式Q放=mq进行计算，知道热值是燃料的一种性质，知道提高热机效率途径和环境保护的重要性.

【教学目标】

1.在知识与技能方面：①知道内能、热量的概念，知道改变内能的两种方法：做功和热传递；②了解比热容的概念，能根据比热容进行简单的热量计算；③知道四冲程内燃机的构造和工作原理，知道汽油机、柴油机的结构、工作过程及应用中的不同；④知道燃料燃烧过程中能的转化是化学能转化为内能，知道燃料的热值及其单位，能通过能量的转化和转移认识热机效率，能进行关于热值、热机效率的计算，知道环境保护的重要性.

2.在过程与方法方面：①通过实验探究找到改变内能的两种方式；②通过探究，认识到不同物质的吸热能力的不同；③通过演示实验使学生了解可以利用内能来做功；利用挂图或模型讲解四冲程汽油机和柴油机的基本结构和工作原理；④从生活中体会不同燃料燃烧释放热能的本领不同，建立燃料热值的概念，能根据燃料的热值计算一定质量的燃料完全燃烧所释放的热量；对热机效率有初步认识，能大致说出提高热机效率的途径.

3.在情感、态度与价值观方面：①通过内能、热量，、热机、热值的学习，知道化学能、内能、机械能之间的相互转化，初步认识科学及其相关技术对于社会发展、自然环境及人类生活的影响，有可持续发展的意识；②通过对热机效率的学习，激发学生开发新技术、提高燃料利用率的意识.

【教学重点】

1.内能和热量的概念，比热容的概念和热量的有关计算.

2.汽油机的工作原理及能量的转化过程，燃料的热值，汽油机与柴油机的区别.

【教学难点】

1.做功与热传递，利用比热容解释生活中的现象

2.热机效率，热机中的能量转化及损失.

【课时建议】本章共有4节，建议7课时.

第一节 物体的内能……………………………………………………2课时

第二节 科学探究：物质的比热容……………………………………2课时

第1课时 初步认识比热容

第2课时 热量的计算

第三节内燃机…………………………………………………………1.5课时

第四节热机效率和环境保护…………………………………………1.5课时

第一节 物体的内能

【教学目标】

一、知识与技能

1.知道组成物质的分子在永不停息地做无规则运动，分子之间存在引力和斥力，并有间隔，知道分子热运动．

2.了解内能的概念，知道内能是分子动能和分子势能的总和．

3.能正确理解内能和机械能的区别.

4.知道热传递可以改变物体的内能，知道热传递的三种方式.

5.知道热传递过程中，所传递内能的多少叫做热量，热量的单位是焦耳.

6.知道做功可以使物体内能增加或减少的一些生活事例.

7.知道温度、内能和热量的区别和联系.

二、过程与方法

1.通过演示实验说明温度和内能之间的关系．

2.学会用类比的方法研究问题．

3.通过观察、实验、探究找到改变物体内能的两种方法.

4.通过演示实验说明做功和物体内能的变化关系.

三、情感、态度和价值观

1.通过探究使学生体验探究的过程，激发学生主动学习的兴趣.

2.鼓励学生自己查找资料，培养学生自学的能力．

3.通过演示实验培养学生的观察能力，并使学生通过实验理解做功和内能变化的关系.

4.通过分析、对比，学会用类比的方法研究问题.培养学生良好的科学态度和实事求是精神，帮助学生树立勇攀科学高峰的理想和志向.

【教学重点】

1.内能概念的建立.

2.改变物体内能的方法.

【教学难点】

1.正确理解内能与温度的关系．

2.热量的概念，做功和热传递的比较.

【教具准备】

教师：多媒体课件、压缩空气引火仪、铁架台、酒精灯、带软木塞的试管、水、硝化棉等.

学生：铁丝、铁锤、砂纸、火柴、保温水瓶（盛有热水）等.

【教学课时】

2课时

【巩固复习】

教师引导学生复习上一节内容，并讲解学生所做的课后作业（教师可针对性地挑选部分难题讲解），加强学生对知识的巩固．

【新课引入】

教师用多媒体播放嫦娥二号奔月动画视频，让学生观察、思考与交流.利用学生的感官来激发学生的求知欲，迅速进入课题思考，同时也让学生为祖国成就而自豪.

待学生看完后，教师提问：嫦娥二号发射、进入月球轨道三次制动，依靠什么能量做动力呢？

学生思考、讨论，发表各自的看法.

教师对学生进行启发、引导：靠的是燃料燃烧产生高温高压的燃气推动火箭做功，把卫星送上月球.燃气为什么有这么大的能量呢？这种能量有什么特点？它与前面学习的电能、机械能有何不同呢？大家通过这节课的学习后，你就会明白.好，下面我们开始探究学习.

板书课题：物体的内能

【预习指导】

阅读课本P34-37文字内容和插图，把基本概念、规律、内能与温度的关系、热传递的三种方式以及做功、热传递改变物体内能的实质，用红色笔做上记号，并完成对应练习册中“课前预习”部分，然后，各小组内部交流讨论，提出预习疑问，组长做好记录，准备展示.

【交流展示】

1.各小组代表举手发言，报告“课前预习”答案，教师评价订正.

2.学生质疑，教师指导释疑.

【拓展探究】

内能的概念

1.内能的概念

教师可先引导学生复习动能和势能的相关知识，指出运动的物体因运动而具有动能，高处的物体因被举高且受重力而具有重力势能，发生弹性形变的物体因有弹力而具有弹性势能，然后，学生小组内部讨论交流，回答下列问题.

师 我们知道宏观物体运动时具有动能，那么微观物体分子具有什么能呢？

生：分子在永不停息地做无规则运动，一切运动的物体都具有动能，那么分子也具有动能.

师 分子是否有分子势能？为什么？我们可以类比什么来理解？

生：分子具有分子势能，是因为分子之间有相互作用的引力和斥力，并且有间隔.我们可以类比重力势能来理解（物体受重力作用，在重力方向上有被举的高度）

【师生互动归纳总结】

物体内所有分子无规则运动的动能，以及分子势能的总和叫做物体的内能.

师 内能的单位是什么？物体的内能能否为零？

生：内能的单位是焦耳，符号为“J”.内能是不同于机械能的另一种形式的能量，物体的速度为零，相对高度为零，弹性形变为零时，机械能可能为零.但分子在永不停息地做无规则运动，分子速度不为零，所以，一切分子都有分子动能;分子之间存在引力和斥力，并且有间隔，故一切分子也有分子势能.

【师生互动归纳总结】

一切物体都具有内能，但并不是所有物体都具有机械能，如在水平面上静止的石头便没有机械能.

例题1（多媒体展示）下列有关物体内能的说法中，正确的是（ ）

A.0℃的物体没有内能

B.内能是物体内部一部分分子做无规则运动所具有的能

C.内能是物体具有的动能和势能的总和

D.一切物体都具有内能

解析：内能是物体内部所有分子的分子运动和分子势能的总和，一切物体在任何时刻任何温度下都具有内能，故选D.

答案：D

【课堂训练】

教师引导学生做对应练习册中的题目.

内能的影响因素

学生小组内部讨论交流，回答下列问题：

师 什么是分子热运动？分子热运动与温度有怎样的关系？

生：物理学中把分子的无规则运动叫做分子的热运动，分子的热运动与温度有关，物体的温度越高，分子运动越剧烈.

师 课本图13-1、图13-2说明内能跟什么因素有关？

生1：与温度有关，物质温度发生变化时，分子运动速度快慢也会有变化，所以物体内能也会发生变化.

生2：与质量有关，对同一物质而言，质量越大，物体内部分子数目越多，所以分子动能和势能越大，内能越大.

生3：与状态有关，当物质的状态发生变化.分子间的距离也会发生变化，则分子间相互作用力的强弱也会发生变化，所以分子间的势能发生变化，内能也变化.

【师生互动归纳总结】

（1）内能与温度有关，同一物体；温度越高，内能越大；温度越低，内能越少.

（2）内能还与物体的体积（或质量、状态）有关，同种物质，温度相同时，体积（质量）越大，内能越大.

师 请同学们思考内能与机械能有什么区别？

生1：机械能是宏观物体具有的，看得见，能直观感受到.而内能是微观分子具有的，看不见，只能借助它表现出来的现象感知.

生2：分子总是在永不停息地运动，因此，内能应该每时每刻，不论何种状态都具有；但物体的机械能不是每时每刻都有.

【师生互动归纳总结】

内能与机械能是两种不同形式的能，内能是与分子运动相对应的能量，是物体内部分子动能与分子势能之和，是与物体内部分子数、温度、分子间距离有关的能量.机械能是与整个物体的机械运动相对应的能量，是物体动能与势能之和，是由物质质量、整个运动状态和相对位置决定的能量.

例题2（多媒体展示）关于物体的内能，下列说法正确的是（ ）

A.物体的质量越大，内能越小

B.物体举得越高，内能越大

C.物体运动得越快，举得越高，内能越大

D.对于同一种物体，物体温度越高，内能越大

解析：在分析物体内能时，应注意物体的内能与三个因素有关，即物体的质量、温度、状态，与物体的运动速度和举起的高度无关，物体的速度和举起的高度影响的是机械能，而机械能与内能是两种不同形式的能，对于同一种物体，温度越高，内能越大.同种物质，温度相同，状态不变时，质量越大，内能越大，故选D.

答案：D

【课堂训练】

教师引导学生做对应练习册中的题目.

做功改变物体的内能

一、教师演示课本图13-3实验，引导学生观察实验现象，并归纳实验结论.

生：现象：迅速压下活塞，硝化棉燃烧.

结论：对物体做功，物体的内能增加.

二、学生分组实验：按课本图13-4实验，指出实验现象和结论.

生：铁丝弯折处烫手，对物体做功，物体的内能增加，温度升高.

三、教师按下列装置进行演示实验，引导学生观察实验现象，并归纳结论.

生：现象：软木塞被冲出后，试管口出现白雾.

结论：水蒸气膨胀时对软木塞做功，水蒸气内能减小，温度降低，水蒸气发生液化形成“白气”（小水滴）.

【师生互动归纳总结】

外界对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，物体内能减少.做功改变物体内能的实质是内能和其他形式能的相互转化.

例题3（多媒体展示）下列所描述的场景中，不属于做功改变物体内能的是（ ）

A.冬天人们搓手取暖

B.小孩从滑梯上滑下时臀部感受到热

C.加剧的温室效应使得多年的积雪融化了

D.古代的人钻木取火

解析：改变物体内能的方法有两种，即做功和热传递.加剧的温室效应是气候变暖，多年的积雪由于吸热而融化，这是热传递使雪内能增加的结果，而其他三项都是摩擦做功使物体内能增加.故正确选项为C.

答案：C

【课堂训练】

教师引导学生做对应练习册中的题目.

热传递改变物体的内能

学生小组合作探究，回答下列问题：

师 课本图13-5、13-6、13-7共同说明了什么？

生：热传递可以改变物体的内能，图中铁锅、房间空气、棉被吸热，内能增加，温度升高.

师 热传递有哪几种方式？图13-5、13-6、13-7各属于什么方式？

生：热传递有传导、对流和辐射三种方式，课本图13-5、图13-6、图13-7的热传递方式分别是传导、对流、辐射.

师 热传递的三种方式有什么区别？试举例说明.

生：热传导时，物体内各部分的物质不发生移动，如夏天路边沙烫脚，沙子和脚发生热传导.但它们的物质没有发生移动；对流时，物体内各部分物质之间会流动，对流主要发生在气体或液体中，如烧开水，沸腾前，壶下部的水温度高，密度小，上升，周围密度大的冷水流过来填补，水这样循环流动，使整壶水变热，同样的道理，暖气装置一般安装在窗户下方，便于使整个房间的空气循环流动来传热；热辐射不需要介质，如晒太阳，烧火取暖都靠热辐射传热的.

师 发生热传递的物体或同一物体的不同部分，它们的内能和温度会有怎样的变化？

生：高温物体（或高温部分），内能减小，温度降低；低温物体（或低温部分）内能增加，温度升高.

师 热传递发生的条件是什么？终止的条件是什么？

生：发生的条件是物体之间（或同一物体的不同部分）存在温度差，终止的条件是物体之间（或同一物体的不同部分）温度相同.

【师生互动归纳总结】

1.热传递可以改变物体的内能，发生热传递时，高温物体内能减少，温度降低；低温物体内能增加，温度升高，当两个物体温度相同时，热传递停止.

2.改变物体内能的途径是做功和热传递，一个物体的内能改变了，可能是发生了热传递，也可能是做了功.

例题4（多媒体展示）下列说法中正确的是（ ）

A.冬天向手哈气取暖是做功改变物体内能

B.一个物体的内能增加了，一定是发生了热传递

C.热传递传递的是温度

D.烈日下自行车爆胎是热辐射使车胎的内能增加了

解析：冬天哈气取暖是热传递改变物体内能，A错误；一个物体的内能增加了，可能是对它做了功，也可能是发生了热传递，B错误；热传递传递的是内能，而不是温度，C错误；烈日下自行车与太阳之间是通过热传递方式中热辐射使车胎内能增加的，故D正确.

答案：D

【课堂训练】

教师引导学生做对应练习册中的题目.

热量

小组内部讨论交流，解答下列问题，教师点拨：

师 什么是热量？其物理量符号、单位及符号是什么？

生：在热传递过程中，物体间内能传递的多少称为热量，用字母“Q”表示，单位是焦耳，符号为“J”.

师 热传递的实质是什么？

生：热传递的实质是内能从高温物体向低温物体转移的过程，高温物体的内能减少，温度降低，低温物体内能增加，温度升高.

师 请同学们试着用热量来解释开水温度降低，冷水、冰块温度升高过程中内能的变化.

生：开水温度降低，放出热量，内能减少；而冷水、冰块周围的气体、冰箱中的气体吸收热量，温度升高，内能增加.

【师生互动归纳总结】

热量、温度、内能的关系：

（1）温度是表示物体的冷热程度的物理量（状态量）.

（2）内能是能量的一种形式，它是物体内所有分子热运动的动能和势能的总和（状态量），我们可以说某种物体具有多少焦耳内能.

（3）热量是描述热传递过程中传递能量多少的物理量（过程量），没有内能的转移就不能谈热量.我们不能说某个物体具有或含有多少热量，更不能比较两个物体热量的大小，只有发生了热传递时，有了内能的转移，才能讨论热量问题.

（4）热量的多少与物体内能多少、物体温度的高低没有关系.物体吸收或放出热量，它的内能将发生改变，但它的温度不一定改变，如：晶体熔化、凝固.

例题5（多媒体展示）下列关于温度、热量和内能的说法中正确的是（ ）

A.物体温度升高，一定吸收了热量

B.物体放出热量，温度一定降低

C.物体温度升高，内能一定增加

D.物体内能增加时，温度一定升高

解析：改变物体内能的方式是做功和热传递，它们在改变物体的内能上是等效的.物体温度升高可能是对物体做了功，也可能是吸收了热量，所以A选项错误；当晶体在熔化和凝固时，分别吸收和放出热量，而温度保持不变，所以B、D选项错误；物体的温度升高，其内部分子的动能增加，所以内能一定增加，因此C选项正确.

答案：C

【课堂训练】

教师引导学生做对应练习册中的题目.

【课堂小结】

教师引导学生归纳总结本节课学到了什么？

【课后作业】

1.请同学们完成课本P38作业1234.

2.请同学们完成对应练习册中的题目.

【课后作业答案】

1.同种物质，内能与质量、温度、状态有关，饮料放进冰箱一段时间后，质量不变，温度降低，内能减小.

2.D 3.B

4.钻木取火和用火柴点都是克服摩擦对物体做功，使物体的内能增加，温度升高，达到物质燃点使物质燃烧而取火的.

1.本节课教师首先用类比的方法，让学生联想分子具有动能和势能，在初步给出分子的动能和势能的基础上，建立内能的概念，由分子永不停息地做无规则运动，导出一切物体具有内能.

2.教师在利用分析比较法讲述内能和机械能的区别时，可以从宏观和微观两方面进行，首先说明内能与物体整体的运动无关，而机械能与物体整体的机械运动有关.例如，抛到空中的球，离开地面，具有重力势能，它在空中飞行，具有动能，球的重力势能和动能构成球的机械能.球内部的分子做无规则热运动，而且分子之间有相互作用，因此球在具有机械能的同时还具有内能.

3.探究实验的设计及小组交流讨论可以培养学生的探究和创造能力及合作精神，本节课力图让学生通过探究实验及小组讨论来完成本节重要教学内容，在教给学生学习方法的同时，让他们体验到成功的喜悦，加深他们对物理这门学科的感情，师生共同走进这一神奇的物理殿堂.

4.构建宽容和谐的教学氛围.在理解改变内能的方法时，教师要求学生联系自己平时取暖的做法，体会改变内能的方法.这种事例贴近学生生活，不仅调动了学生学习的主动性，更重要的是收到了很好的教学效果，师生互动参与教学.

5.在帮助学生理解热量的概念时，可以把热量、温度、内能作比较，找出它们之间的联系和区别，这样使学生达到较深入的理解热量概念的目的.