機械能和內能真面目

華慶富

機械能和內能同屬于功和能知識板塊的兩種能量，它們一個屬于宏觀世界，一個屬于微觀世界.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現相互的轉化.

一、機械能

動能和勢能統稱為機械能.（即機械能=動能+勢能.）在一定條件下，動能可以轉化為勢能，勢能也可以轉化為動能.滾擺現象充分說明動能和勢能可以相互轉化.

1.動能

物體由于運動所具有的能.

（1）不能說成是“運動物體具有的能叫動能”，因為運動物體還可能具有勢能.

（2）動能的大小與物體質量和運動速度有關，質量越大，速度越快時，動能越大.

2.勢能

重力勢能：物體由于被舉高所具有的能.

彈性勢能：物體由于發生彈性形變所具有的能.

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

（2）彈性勢能與物體彈性形變程度有關，彈性形變越大，彈性勢能就越大.（物體由于受外力作用而發生且外力撤去后物體能自動恢復原狀的形變稱為彈性形變）

可見，機械能的改變取決于物體的運動速度、質量、被舉高的高度以及彈性形變的大小.

二、內能

物體內部所有分子做規則運動的動能和分子勢能的總和叫做內能，內能也常叫做熱能，也是能的一種形式，國際單位制單位為：焦耳.

1.內能跟物體的溫度關系

物體溫度越高，分子無規則運動越激烈，物體內能就越大.影響物體內能大小的因素：

①溫度：在物體的質量，材料、狀態相同時，溫度越高物體內能越大.②質量：在物體的溫度、材料、狀態相同時，物體的質量越大，物體的內能越大.③材料：在溫度、質量和狀態相同時，物體的材料不同，物體的內能可能不同.④存在狀態：在物體的溫度、材料質量相同時，物體存在的狀態不同時，物體的內能也可能不同.

2.熱運動

物體內部所有分子的無規則運動.物體溫度越高，擴散過程越快，這說明溫度越高，分子無規則運動的速度越大，即分子無規則運動越快.

一切物體都有內能，溫度降低，內能減小，但內能不可能為零.

3.改變內能的方法

（1）做功改變物體的內能：對物體做功物體內能會增加.物體對外做功物體內能會減少.做功改變內能的實質是內能和其他形式的能的相互轉化.

（2）熱傳遞改變物體的內能：熱傳遞過程中，物體吸熱，溫度升高，內能增加；放熱溫度降低，內能減少.熱傳遞的實質是內能的轉移.

三、內能與機械能的區別

內能與機械能是不同形式的能，內能與物體內部分子的無規則熱運動和分子的相互作用情況有關，即物體內分子的動能則跟物體的溫度有關；物體內分子的勢能則跟分子間的距離有關.機械能是整個物體由于運動和物體之間相互作用而具有的能量.其中物體的動能跟物體的整體運動速度有關，物體的勢能跟物體的整體位置或形變情況有關.

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

物體的機械能與內能可以獨立的發生變化而不相互影響.比如，陽光下靜止的公交車，動能為零，以地面為參考面其勢能為零，所以機械能為零.而隨著太陽的照射，公交車的溫度在不斷上升，因此其內能在不斷增加.反過來，公交車啟動加速過程中，機械能在不斷增加，而在忽略發動機工作對車身的溫度影響時，可以認為此過程中公交車的內能是不變的.

二者聯系：不僅動能和勢能之間可以互相轉化，在一定的條件下機械能還可以與內能、電能、光能、化學能、核能等等進行轉化.

四、舉例

1.動能

例1一顆子彈能快速擊穿紙牌，因為子彈具有較大的（ ）.

A.內能B.動能C.重力勢能D.彈性勢能

解析

飛行的子彈，能夠擊穿紙牌，依靠的是它所具有的動能，因為飛行的子彈速度很大，故具有巨大的動能.

答案：B.

點撥根據動能、重力勢能、彈性勢能的概念，是解答此題的關鍵.

2.重力勢能

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.大石頭有重力勢能，小石子沒有重力勢能

B.大石頭沒有重力勢能，小石子有重力勢能

C.大石頭、小石子都有重力勢能

D.大石頭、小石予都沒有重力勢能

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

答案：C.

點撥考查的是重力勢能的概念、影響重力勢能大小的因素.圖1

3.彈性勢能

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，具有彈性勢能

B.放在張緊了的弓上的箭，具有動能

C.弓拉得越彎，人的彈性勢能越大

D.弓拉得越彎，弓的彈性勢能越大

解析弓的彈性勢能與弓的形變有關，形變量越大，彈性勢能越大；而放在弓上的箭沒有彈性勢能，箭在離弦時，弓的彈性勢能可以轉化為箭的動能.

A.張緊了的弓具有彈性勢能，弓上的箭沒有彈性勢能，故A不符合題意；

B.張緊了的弓具有彈性勢能，只有弓上的箭在離弦時，弓的彈性勢能可以轉化為箭的動能，故B不符合題意；

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

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

答案：D

點撥此題主要考查的是學生對彈性勢能、動能的概念和彈性勢能影響因素的理解和掌握，彈性勢能的大小與形變程度和材料本身有關，形變量越大，彈性勢能越大.

4.決定動能的因素

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

解析影響動能大小的因素：質量和速度，物體的質量越大、速度越大，物體的動能越大.

汽車、摩托車和列車的質量，列車的質量最大、汽車的質量次之、摩托車的質量最小.因為三者的速度相同，所以三者的動能從大到小的順序：列車、汽車、摩托車.

答案：B.

點撥本題考查了影響動能大小的因素，根據經驗能估測出列車、汽車、摩托車的質量大小順序是本題的關鍵.

5.決定勢能的因素

例5如圖2所示，蘋果樹上結有甲、乙、丙三個質量相等的蘋果，哪一個蘋果的重力勢能最大（ ）.A.甲B.乙C.丙D.一樣大解析根據重力勢能的大小和質量以及物體所處的高度有關進行解答.甲、乙、丙三個蘋果的質量相等，從圖上可以看出丙所處的位置高度最高，所以丙的重力勢能最大.答案：C.點撥知道重力勢能的大小和哪些因素有關以及正確的從圖中分析出哪個蘋果所處的高度最高是解題的關鍵.6.機械能的轉化例6 草原發生大面積蝗災時，農業部門利用飛機噴灑農藥消滅蝗蟲.當飛機在某一高度水平勻速飛行噴灑農藥時，它的（ ）.A.動能不變，勢能不變B.動能減少，勢能增加C.動能增加，勢能減少D.動能減少，勢能減少解析動能的影響因素是質量和速度，重力勢能的影響因素是質量和高度，動能和勢能統稱機械能.據此結合題目描述可做出判斷.當飛機在某一高度水平勻速飛行噴灑農藥時，其質量在不斷減小，高度和速度不變，因此，由動能和重力勢能的影響因素可知，其動能和重力勢能均減少.故只有選項D的說法正確，符合題意.答案：D.點撥本題主要考查了動能和重力勢能的影響因素，本題中注意飛行噴灑農藥時其質量在不斷減小是解答中的易錯點.7.內能以及內能的改變 例7關于物體的內能，下列說法正確的是（ ）. A. 溫度為0℃的物體沒有內能 B. 物體內能增加，一定是通過外界對物體做功 C. 正在沸騰的水吸收熱量，溫度增加，內能不變D. 在相同物態下，同一物體溫度降低，它的內能會減少.

解析A.溫度為0℃的物體也具有內能，故A錯誤；

B.物體的內能增加，可能是外界對物體做功，也可能是從外界吸收了熱量，故B錯誤；

C.正在沸騰的水吸收熱量，溫度不變，內能增加，故C錯誤；

D.在相同物態下，同一物體溫度降低，它的內能會減少，故D正確.

答案：D.

點撥本題主要考查學生對溫度影響內能的掌握，以及改變物體內能的兩種方式以及描述熱量相對應的術語的理解，是熱學的難點，是中招的熱點.

例8指出下列所列舉的六個自然現象分別屬于改變物體內能方法中的哪一種？

（1）用電鉆打孔時，鉆頭會發燙；

（2）用冰透鏡在陽光下取火；

（3）裝有熱水的熱水瓶內的水蒸氣將瓶塞沖開；

（4）冬天用熱水袋焐暖身體；

（5）擦火柴點火；

（6）放置在室外的熱水逐漸冷卻.

解析改變物體內能的方法有兩種：做功和熱傳遞.

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

（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，從而使得物體達到著火點而起火，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能的；

（3）熱水瓶內的水蒸氣將瓶塞沖開時要對外做功，同時自己的內能減少，因此這是同樣做功的方式改變物體的內能；

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

（5）擦火柴點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能，火柴頭的溫度升高，火柴頭上的火藥因為達到燃點而著火；

（6）熱水逐漸冷卻是因為內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能.

點撥本題的易錯點是不能夠正確區分做功和熱傳遞改變物體內能的實質，做功改變物體內能的實質是能量的轉化，能量的形式發生了變化；而熱傳遞改變物體內能的實質是能量的轉移，能量的形式并沒有改變.

8.機械能和內能的轉化

例9用打氣筒給自行車車胎打氣，過一會兒氣筒壁會發熱，解釋其原因.

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

點撥本題的易錯點是不能正確的分析題目所敘述的物理過程，不能從氣筒壁發熱這個現象分析出原因.另外，還有的同學在分析氣筒壁發熱、溫度升高時，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）