機(jī)械能和內(nèi)能真面目

華慶富

機(jī)械能和內(nèi)能同屬于功和能知識(shí)板塊的兩種能量，它們一個(gè)屬于宏觀世界，一個(gè)屬于微觀世界.這兩種看起來似乎有著天壤之別的能量，卻能通過一定的方式輕松實(shí)現(xiàn)相互的轉(zhuǎn)化.

一、機(jī)械能

動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能.（即機(jī)械能=動(dòng)能+勢(shì)能.）在一定條件下，動(dòng)能可以轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，勢(shì)能也可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.滾擺現(xiàn)象充分說明動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化.

1.動(dòng)能

物體由于運(yùn)動(dòng)所具有的能.

（1）不能說成是“運(yùn)動(dòng)物體具有的能叫動(dòng)能”，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)物體還可能具有勢(shì)能.

（2）動(dòng)能的大小與物體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，質(zhì)量越大，速度越快時(shí)，動(dòng)能越大.

2.勢(shì)能

重力勢(shì)能：物體由于被舉高所具有的能.

彈性勢(shì)能：物體由于發(fā)生彈性形變所具有的能.

（1） 重力勢(shì)能與物體的質(zhì)量和被舉高的高度有關(guān)，質(zhì)量越大，被舉得越高時(shí)，重力勢(shì)能越大.

（2）彈性勢(shì)能與物體彈性形變程度有關(guān)，彈性形變?cè)酱?，彈性?shì)能就越大.（物體由于受外力作用而發(fā)生且外力撤去后物體能自動(dòng)恢復(fù)原狀的形變稱為彈性形變）

可見，機(jī)械能的改變?nèi)Q于物體的運(yùn)動(dòng)速度、質(zhì)量、被舉高的高度以及彈性形變的大小.

二、內(nèi)能

物體內(nèi)部所有分子做規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫做內(nèi)能，內(nèi)能也常叫做熱能，也是能的一種形式，國際單位制單位為：焦耳.

1.內(nèi)能跟物體的溫度關(guān)系

物體溫度越高，分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越激烈，物體內(nèi)能就越大.影響物體內(nèi)能大小的因素：

①溫度：在物體的質(zhì)量，材料、狀態(tài)相同時(shí)，溫度越高物體內(nèi)能越大.②質(zhì)量：在物體的溫度、材料、狀態(tài)相同時(shí)，物體的質(zhì)量越大，物體的內(nèi)能越大.③材料：在溫度、質(zhì)量和狀態(tài)相同時(shí)，物體的材料不同，物體的內(nèi)能可能不同.④存在狀態(tài)：在物體的溫度、材料質(zhì)量相同時(shí)，物體存在的狀態(tài)不同時(shí)，物體的內(nèi)能也可能不同.

2.熱運(yùn)動(dòng)

物體內(nèi)部所有分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng).物體溫度越高，擴(kuò)散過程越快，這說明溫度越高，分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度越大，即分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越快.

一切物體都有內(nèi)能，溫度降低，內(nèi)能減小，但內(nèi)能不可能為零.

3.改變內(nèi)能的方法

（1）做功改變物體的內(nèi)能：對(duì)物體做功物體內(nèi)能會(huì)增加.物體對(duì)外做功物體內(nèi)能會(huì)減少.做功改變內(nèi)能的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能和其他形式的能的相互轉(zhuǎn)化.

（2）熱傳遞改變物體的內(nèi)能：熱傳遞過程中，物體吸熱，溫度升高，內(nèi)能增加；放熱溫度降低，內(nèi)能減少.熱傳遞的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移.

三、內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別

內(nèi)能與機(jī)械能是不同形式的能，內(nèi)能與物體內(nèi)部分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)和分子的相互作用情況有關(guān)，即物體內(nèi)分子的動(dòng)能則跟物體的溫度有關(guān)；物體內(nèi)分子的勢(shì)能則跟分子間的距離有關(guān).機(jī)械能是整個(gè)物體由于運(yùn)動(dòng)和物體之間相互作用而具有的能量.其中物體的動(dòng)能跟物體的整體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，物體的勢(shì)能跟物體的整體位置或形變情況有關(guān).

在一定條件下（如以地面為參照物，靜止的物體），物體的機(jī)械能可以為零；但在任何條件下物體都具有一定的內(nèi)能.

物體的機(jī)械能與內(nèi)能可以獨(dú)立的發(fā)生變化而不相互影響.比如，陽光下靜止的公交車，動(dòng)能為零，以地面為參考面其勢(shì)能為零，所以機(jī)械能為零.而隨著太陽的照射，公交車的溫度在不斷上升，因此其內(nèi)能在不斷增加.反過來，公交車啟動(dòng)加速過程中，機(jī)械能在不斷增加，而在忽略發(fā)動(dòng)機(jī)工作對(duì)車身的溫度影響時(shí)，可以認(rèn)為此過程中公交車的內(nèi)能是不變的.

二者聯(lián)系：不僅動(dòng)能和勢(shì)能之間可以互相轉(zhuǎn)化，在一定的條件下機(jī)械能還可以與內(nèi)能、電能、光能、化學(xué)能、核能等等進(jìn)行轉(zhuǎn)化.

四、舉例

1.動(dòng)能

例1一顆子彈能快速擊穿紙牌，因?yàn)樽訌椌哂休^大的（ ）.

A.內(nèi)能B.動(dòng)能C.重力勢(shì)能D.彈性勢(shì)能

解析

飛行的子彈，能夠擊穿紙牌，依靠的是它所具有的動(dòng)能，因?yàn)轱w行的子彈速度很大，故具有巨大的動(dòng)能.

答案：B.

點(diǎn)撥根據(jù)動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的概念，是解答此題的關(guān)鍵.

2.重力勢(shì)能

例2一塊大石頭和一塊小石子都被舉高后，下列說法正確的是（ ）.

A.大石頭有重力勢(shì)能，小石子沒有重力勢(shì)能

B.大石頭沒有重力勢(shì)能，小石子有重力勢(shì)能

C.大石頭、小石子都有重力勢(shì)能

D.大石頭、小石予都沒有重力勢(shì)能

解析物體由于被舉高而具有的能量叫重力勢(shì)能.影響物體重力勢(shì)能大小的因素：質(zhì)量、高度.大石頭和小石子都被舉高后都具有重力勢(shì)能.

答案：C.

點(diǎn)撥考查的是重力勢(shì)能的概念、影響重力勢(shì)能大小的因素.圖1

3.彈性勢(shì)能

例3如圖1所示為人拉弓射箭的示意圖，下列說法中正確的是（ ）.

A.放在張緊了的弓上的箭，具有彈性勢(shì)能

B.放在張緊了的弓上的箭，具有動(dòng)能

C.弓拉得越彎，人的彈性勢(shì)能越大

D.弓拉得越彎，弓的彈性勢(shì)能越大

解析弓的彈性勢(shì)能與弓的形變有關(guān)，形變量越大，彈性勢(shì)能越大；而放在弓上的箭沒有彈性勢(shì)能，箭在離弦時(shí)，弓的彈性勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化為箭的動(dòng)能.

A.張緊了的弓具有彈性勢(shì)能，弓上的箭沒有彈性勢(shì)能，故A不符合題意；

B.張緊了的弓具有彈性勢(shì)能，只有弓上的箭在離弦時(shí)，弓的彈性勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化為箭的動(dòng)能，故B不符合題意；

C.弓的彈性勢(shì)能與弓的形變有關(guān)，形變量越大，彈性勢(shì)能越大，故弓拉得越彎，弓的彈性勢(shì)能越大，不是人的彈性勢(shì)能越大，故C不符合題意；

D.弓的彈性勢(shì)能與弓的形變有關(guān)，形變量越大，彈性勢(shì)能越大，故弓拉得越彎，弓的彈性勢(shì)能越大，故D符合題意；

答案：D

點(diǎn)撥此題主要考查的是學(xué)生對(duì)彈性勢(shì)能、動(dòng)能的概念和彈性勢(shì)能影響因素的理解和掌握，彈性勢(shì)能的大小與形變程度和材料本身有關(guān)，形變量越大，彈性勢(shì)能越大.

4.決定動(dòng)能的因素

例4如果汽車、摩托車與列車三種車輛的速度相等，那么按照它們的動(dòng)能從大到小排列順序正確的是（ ）.

A.汽車、摩托車、列車B.列車、汽車、摩托車C.摩托車、汽車、列車D.汽車、列車、摩托車

解析影響動(dòng)能大小的因素：質(zhì)量和速度，物體的質(zhì)量越大、速度越大，物體的動(dòng)能越大.

汽車、摩托車和列車的質(zhì)量，列車的質(zhì)量最大、汽車的質(zhì)量次之、摩托車的質(zhì)量最小.因?yàn)槿叩乃俣认嗤?，所以三者的?dòng)能從大到小的順序：列車、汽車、摩托車.

答案：B.

點(diǎn)撥本題考查了影響動(dòng)能大小的因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芄罍y(cè)出列車、汽車、摩托車的質(zhì)量大小順序是本題的關(guān)鍵.

5.決定勢(shì)能的因素

例5如圖2所示，蘋果樹上結(jié)有甲、乙、丙三個(gè)質(zhì)量相等的蘋果，哪一個(gè)蘋果的重力勢(shì)能最大（ ）.A.甲B.乙C.丙D.一樣大解析根據(jù)重力勢(shì)能的大小和質(zhì)量以及物體所處的高度有關(guān)進(jìn)行解答.甲、乙、丙三個(gè)蘋果的質(zhì)量相等，從圖上可以看出丙所處的位置高度最高，所以丙的重力勢(shì)能最大.答案：C.點(diǎn)撥知道重力勢(shì)能的大小和哪些因素有關(guān)以及正確的從圖中分析出哪個(gè)蘋果所處的高度最高是解題的關(guān)鍵.6.機(jī)械能的轉(zhuǎn)化例6 草原發(fā)生大面積蝗災(zāi)時(shí)，農(nóng)業(yè)部門利用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥消滅蝗蟲.當(dāng)飛機(jī)在某一高度水平勻速飛行噴灑農(nóng)藥時(shí)，它的（ ）.A.動(dòng)能不變，勢(shì)能不變B.動(dòng)能減少，勢(shì)能增加C.動(dòng)能增加，勢(shì)能減少D.動(dòng)能減少，勢(shì)能減少解析動(dòng)能的影響因素是質(zhì)量和速度，重力勢(shì)能的影響因素是質(zhì)量和高度，動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱機(jī)械能.據(jù)此結(jié)合題目描述可做出判斷.當(dāng)飛機(jī)在某一高度水平勻速飛行噴灑農(nóng)藥時(shí)，其質(zhì)量在不斷減小，高度和速度不變，因此，由動(dòng)能和重力勢(shì)能的影響因素可知，其動(dòng)能和重力勢(shì)能均減少.故只有選項(xiàng)D的說法正確，符合題意.答案：D.點(diǎn)撥本題主要考查了動(dòng)能和重力勢(shì)能的影響因素，本題中注意飛行噴灑農(nóng)藥時(shí)其質(zhì)量在不斷減小是解答中的易錯(cuò)點(diǎn).7.內(nèi)能以及內(nèi)能的改變 例7關(guān)于物體的內(nèi)能，下列說法正確的是（ ）. A. 溫度為0℃的物體沒有內(nèi)能 B. 物體內(nèi)能增加，一定是通過外界對(duì)物體做功 C. 正在沸騰的水吸收熱量，溫度增加，內(nèi)能不變D. 在相同物態(tài)下，同一物體溫度降低，它的內(nèi)能會(huì)減少.

解析A.溫度為0℃的物體也具有內(nèi)能，故A錯(cuò)誤；

B.物體的內(nèi)能增加，可能是外界對(duì)物體做功，也可能是從外界吸收了熱量，故B錯(cuò)誤；

C.正在沸騰的水吸收熱量，溫度不變，內(nèi)能增加，故C錯(cuò)誤；

D.在相同物態(tài)下，同一物體溫度降低，它的內(nèi)能會(huì)減少，故D正確.

答案：D.

點(diǎn)撥本題主要考查學(xué)生對(duì)溫度影響內(nèi)能的掌握，以及改變物體內(nèi)能的兩種方式以及描述熱量相對(duì)應(yīng)的術(shù)語的理解，是熱學(xué)的難點(diǎn)，是中招的熱點(diǎn).

例8指出下列所列舉的六個(gè)自然現(xiàn)象分別屬于改變物體內(nèi)能方法中的哪一種？

（1）用電鉆打孔時(shí)，鉆頭會(huì)發(fā)燙；

（2）用冰透鏡在陽光下取火；

（3）裝有熱水的熱水瓶?jī)?nèi)的水蒸氣將瓶塞沖開；

（4）冬天用熱水袋焐暖身體；

（5）擦火柴點(diǎn)火；

（6）放置在室外的熱水逐漸冷卻.

解析改變物體內(nèi)能的方法有兩種：做功和熱傳遞.

（1）用電鉆打孔時(shí)，電鉆頭要克服土壤等等的摩擦阻力做功，使得鉆頭的內(nèi)能增加，因此這是通過做功改變物體的內(nèi)能；

（2）用冰透鏡在陽光下取火是直接將太陽光匯聚起來，使得局部的溫度升高，從而使得物體達(dá)到著火點(diǎn)而起火，這是通過熱傳遞的方法將太陽能傳遞給紙等柔軟易燃的物體來改變物體的內(nèi)能的；

（3）熱水瓶?jī)?nèi)的水蒸氣將瓶塞沖開時(shí)要對(duì)外做功，同時(shí)自己的內(nèi)能減少，因此這是同樣做功的方式改變物體的內(nèi)能；

（4）冬天用熱水袋焐暖身體是內(nèi)能在熱水和人身體之間的傳遞，屬于熱傳遞改變物體的內(nèi)能；

（5）擦火柴點(diǎn)火的過程是由于火柴頭上克服與火柴皮的摩擦做功，從而提高了火柴頭的內(nèi)能，火柴頭的溫度升高，火柴頭上的火藥因?yàn)檫_(dá)到燃點(diǎn)而著火；

（6）熱水逐漸冷卻是因?yàn)閮?nèi)能在熱水和冷空氣之間傳遞而致，所以這是熱傳遞改變物體的內(nèi)能.

點(diǎn)撥本題的易錯(cuò)點(diǎn)是不能夠正確區(qū)分做功和熱傳遞改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì)，做功改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，能量的形式發(fā)生了變化；而熱傳遞改變物體內(nèi)能的實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)移，能量的形式并沒有改變.

8.機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化

例9用打氣筒給自行車車胎打氣，過一會(huì)兒氣筒壁會(huì)發(fā)熱，解釋其原因.

解析本題主要考查做功是改變物體內(nèi)能的方法之一，并且考查我們利用所學(xué)物理知識(shí)解釋相關(guān)自然現(xiàn)象的能力.解題的關(guān)鍵是要弄明白：氣筒壁發(fā)熱說明溫度升高了，而溫度升高了又說明了內(nèi)能增加了.物體內(nèi)能的增加有兩個(gè)途徑，一是熱傳遞，另一個(gè)是做功，這兩種方式在使物體的內(nèi)能改變上是等效的.用氣筒給車胎打氣時(shí)，氣筒的活塞與筒壁有摩擦，克服摩擦做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使內(nèi)能增大，溫度升高；另外，用力推動(dòng)活塞時(shí)壓縮了氣筒內(nèi)封閉的空氣，對(duì)這部分空氣做了功，使得空氣的溫度升高，內(nèi)能增大.

點(diǎn)撥本題的易錯(cuò)點(diǎn)是不能正確的分析題目所敘述的物理過程，不能從氣筒壁發(fā)熱這個(gè)現(xiàn)象分析出原因.另外，還有的同學(xué)在分析氣筒壁發(fā)熱、溫度升高時(shí)，僅僅考慮到活塞克服摩擦做功，或者僅僅考慮到壓縮空氣做功，不能全面的分析問題.

（收稿日期：2015-03-23）