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第十二章 机械能和内能（知识清单）
思维导图
第1节 机械能
一、能量
1．能量的概念：一个物体能对另一个物体做功，那么这个物体就具有了能量。一个
物体能够做的功越多，表示这个物体具有的能量越大。
2．能量的单位
能的单位与功的单位相同，在国际单位制中，能的单位是焦耳，符号“J”。
3．能量与做功的关系
（1）一个正在做功的物体，它一定具有能量。例如：流动的水推动水轮机做功，则
流动的水具有能量。
（2）一个具有能量的物体，它不一定正在做功。例如被压缩的弹簧，它具备了对其
他物体做功的本领，该弹簧具有能量，但如果弹簧一直被压缩，就不会对其他物
体做功，也就是说，具有能量的物体具有做功的本领，但不一定正在做功。
（3）功和能的关系：①功是能量转化的量度；②做功的过程，一定伴随着 能量的 转
移或能量的转化。
二、动能
1．动能：物体由于运动而具有的能量，一切运动的物体都具有动能。
2．动能的影响因素：动能的大小与物体的速度和质量有关，速度越大，质量越大，
物体所具有的动能越大。
3．动能大小的影响因素探究：
（1）动能大小与质量、速度有关--------需要采取控制变量法
①研究动能与质量关系时需要控制速度相同（即下落高度）。②研究动能与速度的关系时需要控制质量相同
（2）物体具有的动能大小不可以直接比较--------------需要采取转换法研究
（3）常见的几种实验方案：
①如图甲所示，将木块（或纸盒）放在水平面上，让运动的物体撞击木块（或纸
盒），由于木块（或纸盒）与水平面间有摩擦力，运动时需克服摩擦力做功，所
以木块运动的距离越远，说明克服摩擦力做功越多，物体具有的动能越大。（将
动能大小转换成物块运动的距离）
②如图乙所示，让运动的物体撞击弹簧，弹簧的形变程度越大，说明物体对弹簧做
功越多，物体的动能就越大。（将动能转换成弹簧的形变程度）
③如图丙所示，将橡皮泥固定在挡板上，让运动的物体撞击同一块橡皮泥，橡皮泥
凹陷程度越大，说明物体对橡皮泥做功越多，物体的动能越大。（将动能转换成
橡皮泥的凹陷程度）
三、势能
1．弹性势能
（1）弹性势能：发生弹性形变的物体具有能量。
（2）探究影响弹性势能的因素
①用弹弓弹射“子弹”时，橡皮筋的形变越大，“子弹”被弹射得越远，说明橡皮筋
对“子弹”做的功越多，橡皮筋具有的弹性势能越大。
②弓被拉弯并松开后将箭射出，弓的形变越大，箭射得越远，说明弓对箭做的功越多，
弓具有的弹性势能越大。
探究归纳：发生弹性形变的物体，在一定限度内，弹性形变越大，物体的弹性势能就
越大。
2．重力势能：被举高的物体具有的能量。
3．重力势能的影响因素：被举高的高度、质量。质量越大、被举高的高度越大重力
势能越大。
四、机械能及其转化
1．机械能
在物理学中，动能和势能统称为机械能。机械能是最常见的一种能量。
2．动能与势能的相互转化
（1）滚摆实验：如图所示的滚摆，在下降过程中，越转越快，它的重力势能越来越
小，动能越来越大，重力势能转化为动能；滚摆上升过程中，越转越慢，重力势
能越来越大，动能越来越小，动能转化为重力势能。（2）单摆实验：如图所示的单摆，摆球从A点摆向最低点B时，位置越来越低，
重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能；从B点摆向C点时，摆球上升，
位置升高，动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。
（3）小球碰撞弹簧：如图所示，从斜坡上滚下的小球撞上弹簧（图甲→乙），小球
速度逐渐变小，弹簧的弹性形变逐渐变大，即小球动能减小，弹簧的弹性势能增
大，小球的动能转化为弹簧的弹性势能。在弹簧恢复原状的过程中（图乙→丙），
弹簧的弹性形变逐渐变小，小球速度逐渐变大，即弹簧的弹性势能减小，小球的
动能增大，弹簧的弹性势能转化为小球的动能。
（4）过山车：过山车向上运动时，动能转化为重力势能；向下运动时，重力势能转
化为动能。
（5）落地反弹的皮球：皮球在落地过程中，高度减小、速度增大，重力势能转化为
动能；接触地面后，皮球被压扁，动能转化为弹性势能；接着皮球被弹起，弹性
势能转化为动能；离开地面后，皮球上升，动能转化为重力势能。
（6）撑竿跳高的运动员：起跳时，具有动能，起跳后， 运动员的 动 能转化为撑竿的
弹性势能，上升时，撑竿的弹性势能转化为运动员的重力势能，下落时，重力势
能转化为动能。
第2节 内 能
一、内能
1．内能
（1）内能：物体内所有分子动能和分子势能的总和。
（2）内能的影响因素：①温度：同一物体，温度越高，内能越大
②质量：同温的同种物质（状态不变），质量大的内能大。
③体积：体积反映分子间平均间距大小，分子间距的大小变化会引起分子间作用
力大小的变化，影响分子势能的大小，也影响分子动能的大小。
④材料：质量、温度、状态相同，材料不同，内能也可能不同
⑤状态：同种物质、质量相同、温度相同，它的内能也不一定相同，同种物质处
于气态时内能大于液态时的内能，处于液态时的内能大于固态时的内能。
2．内能与机械能的区别：
内能 机械能
定义 物体内所有分子动能和势能之和 物体动能和势能总称
研究对象 微观粒子 宏观物体
影响因素 物体质量、状态、温度、体积、材 物体的质量、速度、高度、弹性形
料等 变程度等
存在情况 不能为“0”，自然界中一切物体都 在一定条件下可以为“0”
具有内能
二、热传递
1．当物体或物体不同部分存在温差时，就会产生热传递。
热传递时，能量从高温处转移到低温处，直至温度相同。发生热传递时，高温物
体放出热量，温度降低，内能减小；低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。
2．热传递的方式：
传导 对流 辐射
概念 热从温度较高的部分沿着 靠液体或者气体之间的 热由物体向外辐射出去
物体传到温度较低的部分 流动来传递的方式
特点 热沿着物体传递，物质不 物质流动，液体和气体 不需要介质，可以在真空
流动，固体间传热的主要 所特有的传热方式 中传播
方式
3．热传递的实质：
能量（内能）从高温物体传到低温物体或者从同一物体的高温部分传递到低
温部分的过程，也就是内能在物体间的转移，能的形式并未发生改变。
第3节 物质的比热容
一、热量
1．热量：物理学中，把物体在热传递过程中转移的能量，用Q 表示2．单位：热量的单位与能量单位相同，也是焦耳（J）
3．温度、热量、内能之间的关系：
温度 热量 内能
宏观上：表示物体的冷热程度；
物体在热传递过程 物体内所有分子动
定义 微观上：反映物体内大量分子无
中转移的能量 能和分子势能总和
规则运动的剧烈程度
性质 状态量 过程量 状态量
“放出”“吸收” “ 有 ” “ 具 有 ”
表述 “是”“降低”“升高”
“传递” “改变”
单位 摄氏度 焦耳 焦耳
1.一般情况下，物体吸收热量，温度升高；物体放出热量，温度降低。特殊情
况除外，如晶体熔化过程吸收热量，晶体液体凝固过程中放出热量，温度均
保持不变。
2.物体温度升高，内能一定增大；物体温度降低，内能一定减小。但反过来不
关系
一定正确，如晶体熔化过程吸收热量，内能增加；而晶体液体凝固过程中放
出热量，内能减小，但这两个过程中温度均保持不变。
3.热量是过程量，表示物体在热传递过程中吸收或放出的能量，物体放出热
量，内能一定减小。物体吸收热量，内能一定增大。
二、探究不同物质的吸热能力
1．观察不同物质吸热升温的现象
【提出问题】吸收相同的热量，为什么海水和沙子的温度不一样？
【猜想与假设】可能是沙子和海水吸收相同的热量时，沙子吸热升温比水快。
【实验设计】将质量均为50g的沙子和水分别放在两个瓷盘中，用温度计测出室
温，即为此时沙子和水的温度。用红外灯均匀照射两个瓷盘对沙子和水加热
4min，再用温度计测出沙子和水的温度，比较它们温度上升的快慢。
【实验方法】控制变量法---控制沙子和水的质量、初温相等，加热条件相同：转换
法--加热时间的长短代表了吸收热量的多少。
【实验器材】天平（或电子秤）、红外灯、相同的瓷盘两个、温度计、秒表、沙子
和水。
【实验装置】
注意：保持沙子与水的表面积相同。【实验过程】
A.用天平测出50g的沙子和水并分别装入瓷盘中，用温度计测量室温，作为沙子和
水的初温，记录到实验表格中。
B.将瓷盘中的沙子摊开，使沙子和水的表面积相同，用红外灯照射，每隔1min测量
一次沙子和水的温度。一段时间后，将实验数据记录到实验表格中。
C. 【实验数据】
【实验图像】如图所示。
加热时间/min 0 1 2 3 4
沙子 20 25 29 34 38
温度/℃
水 20 21 22 23 24
【实验分析】对于质量相等的沙子和水：加热相同的时间，即吸收相等热量，升温
较快的是沙子；若使两者升高相同的温度，水加热时间较长，即水吸收的热量较
多。
【实验结论】不同物质在质量相等、升高（或降低）温度相同的情况下，吸收（或
放出）的热量不相等。
【拓展延伸】
（1）比较两种不同物质的吸热能力：
①让质量、初温相同的不同物质吸收相同的热量，然后比较温度变化量，温度变化
量小的物质吸热能力强。
②让质量、初温相同的不同物质升高相同的温度，比较加热时间的长短，即比较吸
收热量的多少，加热时间长（吸收热量多）的物质吸热能力强。
（2）物质吸热本领的差异体现出物质本身的一种特性。
三、比热容1．比热容
（1）比热容：物理学中，将物体温度升高时 吸收 的 热量与它的质量和升高温度的乘
积之比，叫作，它在数值上等于单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃所吸
收（或放出）的热量。比热容用符号c表示。公式为
（2）单位： 焦／（千克 · 摄氏度） ，符号为 ，读作： 焦每千克摄氏 度 。
比热容的单位是由质量、温度、热量的单位组合而成的复合单位，是初中物
理较复杂的单位之一。
（3）物理意义：比热容反映了不同物质吸、放热本领的大小。水的比热容是
4.2×103J/（kg·℃），其物理意义是：质量为1kg的水温度每升高（或降低）1℃所
吸收（或放出）的热量为 4.2×10 3 J。
2．比热容理解
3．比热容在生活、生产中的应用
两个角度 物质的吸热本领 物质的温度改变的难易程度
比热容大表示吸热本领大 比热容大表示温度改变较难
具体说明
比热容小表示吸热本领小 比热容小表示温度改变较易
相等质量的不同物质构成的
相等质量的不同物质构成的物
物体，升高相同的温度，比
体，吸收相等的热量，比热容
解释 热容越大，吸收的热量越
越大，升高的温度越小，比热
多，比热容越小，吸收的热
容越小，升高的温度越高
量越少
（1）水的比热容较大，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，因此，我们可以用水作为冷却剂或用来取暖。作为冷却剂时，是让水
吸收多的热量（汽车水箱中冷却水）；用来取暖时，是让水放出更多的热量（暖
气；冬季稻田注水）。
（2）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
改变不多，这一点有利于调节气温。夏天，太阳晒到海面上，海水吸收大量的热
但温度升高得不多，所以人们住在海边并不觉得特别热；冬天，气温低了，海水
由于温度降低而放出大量的热，使沿海地区气温不致降得太低，所以住在海边的
人不会觉得特别冷。
四、热量计算
1．热量的计算公式
（1）吸热公式：
式中c 表示物质的比热容，m 表示物体的质量， 表示物体的初温度，t 表示
物体的末温度， 表示升高的温度，有时也用 表示升高的温度，此时吸热公式可写成
（2）放热公式：
式中 的含义不变， 表示降低的温度，有时也用
降表示降低的温度，此时放热公式可写成
2．热量计算的一般式：
（1）Δt 表示温度的变化量。可见，物体吸收或放出热量的多少由物体的质量、物
质的比热容和物体温度的变化量这三个量的乘积决定，跟物体温度的高低无关。
（2）热量计算公式中各物理量的单位：比热容c的单位是 （质量m的
单位是kg，温度t（或 ，或Δt）的单位是℃，热量Q的单位是J，计算时要注意
单位的统一。
（3）热平衡方程： 。在没有热量损失的热交换过程中，高温物体放出的
热量等于低温物体吸收的热量。
第4节 机械能与内能的相互转化
一、做功----改变物体内能的另一种方式
1．对物体做功
实验探究：对物体做功
（1）将一根铁丝反复弯折后，用手指触摸一下弯折处，我们会发现弯折处温度较
高，这说明我们对铁丝做功了，铁丝的内能增加，温度升高。
（2）如图所示空气压缩引火仪的底部放一团干燥的棉花，用力将活塞迅速下压，可
以看到棉花 燃 烧 ，这是因为我们通过活塞对筒内的封闭气体做功，气体的内能增
加，温度升高，当达到棉花的着火点时，棉花燃烧。（3）如图所示，将金属块在砂石上来回迅速摩擦时，人用力克服摩擦做功，则金属
块和砂石的温度升高，说明它们的内能增加。
探究分析：以上实验说明，我们对物体做功时，机械能转化为内能，使物体的
内能增加，温度升高。
探究归纳：对物体做功，物体的内能增加。
2．物体对外做功
实验探究
如图所示，向盛有水的厚玻璃瓶内打气，当瓶塞从瓶口跳起时，容器中出现了雾，
这是因为瓶内气体推动瓶塞做功时，气体的内能转化为瓶塞的机械能，气体内能
减少，温度降低，使水蒸气液化成小水滴。
归纳：物体对外做功，内能减少。
总结：做功是改变物体内能的另一种方式，其实质是内能与机械能的转化。
3．改变内能的方式：做功、热传递
二、热机
1．热机的定义
热机是热力发动机的简称，它是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机
械能的装置。
2．热机的种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机、火箭发动机等。
3．内燃机：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。
最常见的内燃机是四冲程的汽油机和四冲程的柴油机。汽油机是以汽油为燃料的内燃机，柴油机是以柴油为燃料的内燃机。
4．汽油机
（1）构造：如图所示。
（2）工作过程
冲程名称 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
图示
进气门 打开 关闭 关闭 关闭
排气门 关闭 关闭 关闭 打开
活塞
向下 向上 向下 向上
运动方向
在当活塞到达汽缸顶端
压缩燃料和空气
时，火花塞打火，点燃燃
吸入燃料和空气 混合气体做功，
冲程作用 料，产生高温高压燃气推 排出废气
的混合气体 使压强增大，温
动活塞做功，通过连杆、
度升高
曲轴带动飞轮转动
机械能在转化成
能的转化 内能转化为机械能
内能
三、比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量
【提出问题】完全燃烧相同质量的不同燃料，它们放出的热量相等吗？
【猜想与假设】因为燃料不同，所以它们放出的热量不相等。
【设计与进行实验】如图所示，用天平分别测量出质量均为5g的酒精和面巾纸碎片，
将其分别放入两个燃烧皿中，点燃它们，分别给装有质量和温度均相同的水（约
30g）的两个相同试管加热，使酒精和面巾纸碎片充分燃烧。记下两温度计示数的变
化情况。加热前的水 燃料燃尽后的水温/℃ 水温的变化/℃
燃料 温/℃
温度
5g酒精 20 39 19
5g面巾纸碎片 20 28 8
【实验分析】由实验数据可知，用5g酒精加热，水温升高得多，而用5g面巾纸碎片
加热，水温升高得少。说明质量相等的酒精充分燃烧放出的热量比面巾纸碎片多。
【探究归纳】质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是不相等的。
四、热值
1．热值:燃料完全燃烧释放出的热量与燃料的质量之比。
2．单位：焦每千克，符号为J/kg，气体燃料的热值通常为焦每立方米。
3．公式： ，其中Q 表示完全燃烧释放的热量，m 表示燃料的质量，q 表示该
燃料的热值。
4．物理意义：表示单位质量的某种燃料在完全燃烧时所释放出热量的多少。
5．燃烧释放出热量的计算：
（1）燃料完全燃烧释放热公式：
（2）气体燃料完全燃烧释放热公式：
五、环境污染及保护
1．环境污染
（1）废气污染
燃料在燃烧过程中要放出一定量的有害气体和粉尘，这些气体和粉尘都会污染空气，影响人类的健康和动植物的正常生长，产生的酸雨对农、林、渔业非常
有害。
导致城市空气污染的主要原因是各种车辆排放的废气；导致环境污染的主要
原因是燃料燃烧后的废气、废渣以及各种废液的排放。
（2）噪声污染
热机以及热机带动的机器产生的噪声直接影响着人类的正常生活和身心健康。
2．环境保护措施
（1）改进燃烧设备，消除烟尘。
（2）提高燃料的综合利用，采取集中供热。在北方的取暖设备中，就是采用锅炉烧
的水供给各家各户的散热管，这样就减少了大气污染；在城市中使用管道煤气和
天然气，提高了燃料的利用率，也改善了环境。
（3）充分开发利用污染少和无污染的能源，如太阳能的利用。
（4）在内燃机排气管上安装消声器，以减少噪声污染。
