机械能和内能真面目

华庆富

机械能和内能同属于功和能知识板块的两种能量，它们一个属于宏观世界，一个属于微观世界.这两种看起来似乎有着天壤之别的能量，却能通过一定的方式轻松实现相互的转化.

一、机械能

动能和势能统称为机械能.（即机械能=动能+势能.）在一定条件下，动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能.滚摆现象充分说明动能和势能可以相互转化.

1.动能

物体由于运动所具有的能.

（1）不能说成是“运动物体具有的能叫动能”，因为运动物体还可能具有势能.

（2）动能的大小与物体质量和运动速度有关，质量越大，速度越快时，动能越大.

2.势能

重力势能：物体由于被举高所具有的能.

弹性势能：物体由于发生弹性形变所具有的能.

（1） 重力势能与物体的质量和被举高的高度有关，质量越大，被举得越高时，重力势能越大.

（2）弹性势能与物体弹性形变程度有关，弹性形变越大，弹性势能就越大.（物体由于受外力作用而发生且外力撤去后物体能自动恢复原状的形变称为弹性形变）

可见，机械能的改变取决于物体的运动速度、质量、被举高的高度以及弹性形变的大小.

二、内能

物体内部所有分子做规则运动的动能和分子势能的总和叫做内能，内能也常叫做热能，也是能的一种形式，国际单位制单位为：焦耳.

1.内能跟物体的温度关系

物体温度越高，分子无规则运动越激烈，物体内能就越大.影响物体内能大小的因素：

①温度：在物体的质量，材料、状态相同时，温度越高物体内能越大.②质量：在物体的温度、材料、状态相同时，物体的质量越大，物体的内能越大.③材料：在温度、质量和状态相同时，物体的材料不同，物体的内能可能不同.④存在状态：在物体的温度、材料质量相同时，物体存在的状态不同时，物体的内能也可能不同.

2.热运动

物体内部所有分子的无规则运动.物体温度越高，扩散过程越快，这说明温度越高，分子无规则运动的速度越大，即分子无规则运动越快.

一切物体都有内能，温度降低，内能减小，但内能不可能为零.

3.改变内能的方法

（1）做功改变物体的内能：对物体做功物体内能会增加.物体对外做功物体内能会减少.做功改变内能的实质是内能和其他形式的能的相互转化.

（2）热传递改变物体的内能：热传递过程中，物体吸热，温度升高，内能增加；放热温度降低，内能减少.热传递的实质是内能的转移.

三、内能与机械能的区别

内能与机械能是不同形式的能，内能与物体内部分子的无规则热运动和分子的相互作用情况有关，即物体内分子的动能则跟物体的温度有关；物体内分子的势能则跟分子间的距离有关.机械能是整个物体由于运动和物体之间相互作用而具有的能量.其中物体的动能跟物体的整体运动速度有关，物体的势能跟物体的整体位置或形变情况有关.

在一定条件下（如以地面为参照物，静止的物体），物体的机械能可以为零；但在任何条件下物体都具有一定的内能.

物体的机械能与内能可以独立的发生变化而不相互影响.比如，阳光下静止的公交车，动能为零，以地面为参考面其势能为零，所以机械能为零.而随着太阳的照射，公交车的温度在不断上升，因此其内能在不断增加.反过来，公交车启动加速过程中，机械能在不断增加，而在忽略发动机工作对车身的温度影响时，可以认为此过程中公交车的内能是不变的.

二者联系：不仅动能和势能之间可以互相转化，在一定的条件下机械能还可以与内能、电能、光能、化学能、核能等等进行转化.

四、举例

1.动能

例1一颗子弹能快速击穿纸牌，因为子弹具有较大的（ ）.

A.内能B.动能C.重力势能D.弹性势能

解析

飞行的子弹，能够击穿纸牌，依靠的是它所具有的动能，因为飞行的子弹速度很大，故具有巨大的动能.

答案：B.

点拨根据动能、重力势能、弹性势能的概念，是解答此题的关键.

2.重力势能

例2一块大石头和一块小石子都被举高后，下列说法正确的是（ ）.

A.大石头有重力势能，小石子没有重力势能

B.大石头没有重力势能，小石子有重力势能

C.大石头、小石子都有重力势能

D.大石头、小石予都没有重力势能

解析物体由于被举高而具有的能量叫重力势能.影响物体重力势能大小的因素：质量、高度.大石头和小石子都被举高后都具有重力势能.

答案：C.

点拨考查的是重力势能的概念、影响重力势能大小的因素.图1

3.弹性势能

例3如图1所示为人拉弓射箭的示意图，下列说法中正确的是（ ）.

A.放在张紧了的弓上的箭，具有弹性势能

B.放在张紧了的弓上的箭，具有动能

C.弓拉得越弯，人的弹性势能越大

D.弓拉得越弯，弓的弹性势能越大

解析弓的弹性势能与弓的形变有关，形变量越大，弹性势能越大；而放在弓上的箭没有弹性势能，箭在离弦时，弓的弹性势能可以转化为箭的动能.

A.张紧了的弓具有弹性势能，弓上的箭没有弹性势能，故A不符合题意；

B.张紧了的弓具有弹性势能，只有弓上的箭在离弦时，弓的弹性势能可以转化为箭的动能，故B不符合题意；

C.弓的弹性势能与弓的形变有关，形变量越大，弹性势能越大，故弓拉得越弯，弓的弹性势能越大，不是人的弹性势能越大，故C不符合题意；

D.弓的弹性势能与弓的形变有关，形变量越大，弹性势能越大，故弓拉得越弯，弓的弹性势能越大，故D符合题意；

答案：D

点拨此题主要考查的是学生对弹性势能、动能的概念和弹性势能影响因素的理解和掌握，弹性势能的大小与形变程度和材料本身有关，形变量越大，弹性势能越大.

4.决定动能的因素

例4如果汽车、摩托车与列车三种车辆的速度相等，那么按照它们的动能从大到小排列顺序正确的是（ ）.

A.汽车、摩托车、列车B.列车、汽车、摩托车C.摩托车、汽车、列车D.汽车、列车、摩托车

解析影响动能大小的因素：质量和速度，物体的质量越大、速度越大，物体的动能越大.

汽车、摩托车和列车的质量，列车的质量最大、汽车的质量次之、摩托车的质量最小.因为三者的速度相同，所以三者的动能从大到小的顺序：列车、汽车、摩托车.

答案：B.

点拨本题考查了影响动能大小的因素，根据经验能估测出列车、汽车、摩托车的质量大小顺序是本题的关键.

5.决定势能的因素

例5如图2所示，苹果树上结有甲、乙、丙三个质量相等的苹果，哪一个苹果的重力势能最大（ ）.A.甲B.乙C.丙D.一样大解析根据重力势能的大小和质量以及物体所处的高度有关进行解答.甲、乙、丙三个苹果的质量相等，从图上可以看出丙所处的位置高度最高，所以丙的重力势能最大.答案：C.点拨知道重力势能的大小和哪些因素有关以及正确的从图中分析出哪个苹果所处的高度最高是解题的关键.6.机械能的转化例6 草原发生大面积蝗灾时，农业部门利用飞机喷洒农药消灭蝗虫.当飞机在某一高度水平匀速飞行喷洒农药时，它的（ ）.A.动能不变，势能不变B.动能减少，势能增加C.动能增加，势能减少D.动能减少，势能减少解析动能的影响因素是质量和速度，重力势能的影响因素是质量和高度，动能和势能统称机械能.据此结合题目描述可做出判断.当飞机在某一高度水平匀速飞行喷洒农药时，其质量在不断减小，高度和速度不变，因此，由动能和重力势能的影响因素可知，其动能和重力势能均减少.故只有选项D的说法正确，符合题意.答案：D.点拨本题主要考查了动能和重力势能的影响因素，本题中注意飞行喷洒农药时其质量在不断减小是解答中的易错点.7.内能以及内能的改变 例7关于物体的内能，下列说法正确的是（ ）. A. 温度为0℃的物体没有内能 B. 物体内能增加，一定是通过外界对物体做功 C. 正在沸腾的水吸收热量，温度增加，内能不变D. 在相同物态下，同一物体温度降低，它的内能会减少.

解析A.温度为0℃的物体也具有内能，故A错误；

B.物体的内能增加，可能是外界对物体做功，也可能是从外界吸收了热量，故B错误；

C.正在沸腾的水吸收热量，温度不变，内能增加，故C错误；

D.在相同物态下，同一物体温度降低，它的内能会减少，故D正确.

答案：D.

点拨本题主要考查学生对温度影响内能的掌握，以及改变物体内能的两种方式以及描述热量相对应的术语的理解，是热学的难点，是中招的热点.

例8指出下列所列举的六个自然现象分别属于改变物体内能方法中的哪一种？

（1）用电钻打孔时，钻头会发烫；

（2）用冰透镜在阳光下取火；

（3）装有热水的热水瓶内的水蒸气将瓶塞冲开；

（4）冬天用热水袋焐暖身体；

（5）擦火柴点火；

（6）放置在室外的热水逐渐冷却.

解析改变物体内能的方法有两种：做功和热传递.

（1）用电钻打孔时，电钻头要克服土壤等等的摩擦阻力做功，使得钻头的内能增加，因此这是通过做功改变物体的内能；

（2）用冰透镜在阳光下取火是直接将太阳光汇聚起来，使得局部的温度升高，从而使得物体达到着火点而起火，这是通过热传递的方法将太阳能传递给纸等柔软易燃的物体来改变物体的内能的；

（3）热水瓶内的水蒸气将瓶塞冲开时要对外做功，同时自己的内能减少，因此这是同样做功的方式改变物体的内能；

（4）冬天用热水袋焐暖身体是内能在热水和人身体之间的传递，属于热传递改变物体的内能；

（5）擦火柴点火的过程是由于火柴头上克服与火柴皮的摩擦做功，从而提高了火柴头的内能，火柴头的温度升高，火柴头上的火药因为达到燃点而着火；

（6）热水逐渐冷却是因为内能在热水和冷空气之间传递而致，所以这是热传递改变物体的内能.

点拨本题的易错点是不能够正确区分做功和热传递改变物体内能的实质，做功改变物体内能的实质是能量的转化，能量的形式发生了变化；而热传递改变物体内能的实质是能量的转移，能量的形式并没有改变.

8.机械能和内能的转化

例9用打气筒给自行车车胎打气，过一会儿气筒壁会发热，解释其原因.

解析本题主要考查做功是改变物体内能的方法之一，并且考查我们利用所学物理知识解释相关自然现象的能力.解题的关键是要弄明白：气筒壁发热说明温度升高了，而温度升高了又说明了内能增加了.物体内能的增加有两个途径，一是热传递，另一个是做功，这两种方式在使物体的内能改变上是等效的.用气筒给车胎打气时，气筒的活塞与筒壁有摩擦，克服摩擦做功，机械能转化为内能，使内能增大，温度升高；另外，用力推动活塞时压缩了气筒内封闭的空气，对这部分空气做了功，使得空气的温度升高，内能增大.

点拨本题的易错点是不能正确的分析题目所叙述的物理过程，不能从气筒壁发热这个现象分析出原因.另外，还有的同学在分析气筒壁发热、温度升高时，仅仅考虑到活塞克服摩擦做功，或者仅仅考虑到压缩空气做功，不能全面的分析问题.

（收稿日期：2015-03-23）