第一章 机械能


1．什么是机械能？
什么是动能？ 什么是势能？
2．怎样利用水能和风能？

一、动能和势能


　　在物理学中，能量这个概念跟前面学过的功的概念是有密切联系的．一 个物体能够做功，我们就说它具有能量．一个物体能够做的功越多，表示 这个物体的能量越大．打个比方，这就好像一家企业对外能够支付得越多， 表示这家企业的资金越雄厚一样．
　　动能 风吹着帆船航行，空气对帆船做了功；急流的河水把石头冲 走，水对石头做了功；运动着的钢球打在木块上，把木块推走，钢球对木 块做了功．流动的空气和水，运动的钢球，它们能够做功，它们都具有能 量．空气、水、钢球是由于运动而能够做功的，它们具有的能量叫做动能．一 切运动的物体都具有动能．
动能的大小跟哪些因素有关呢？
　　实验 如图 1—1 所示，让钢球从斜面上滚下，打到一个小木块上， 推动木块做功．让同一个钢球从不同高度滚下，看哪次木块被推得远．换 用质量不同的钢球，让它们从同一高度滚下，看哪个钢球把木块推得远． 同一个钢球，原来的位置越高，滚到斜面下端时速度越大，把木块推
得越远．在滚下速度相同时，钢球的质量越大，把木块推得越远． 实验结果表明，钢球的质量越大，它运动的速度越大，把木块推得越
远，对木块做的功越多，表示钢球的动能越大．因此，运动物体的速度越
大，质量越大，动能就越大．
　　势能 人们在打桩时，先把重锤高高举起，重锤落下就能把木桩打入 地里（图 l—2）．重锤是由于被举高而能够做功的，举高的物体具有的能 量叫重力势能．物体的质量越大，举得越高，它具有的重力势能就越大．
■
　　图 1—2 被举高的重锤具有重力势能．重锤的质量越大，被举得越高， 下落时做的功越多，表示重锤的重力势能越大．
射箭运动员把弓拉弯，放手后被拉弯的弓能把箭射出去（图 1—3）．被
压缩的弹簧在放松后能把压在上面的砝码举起（图 1—4）．弓和弹簧都是 由于发生弹性形变①而能够做功的，发生弹性形变的物体具有的能量叫弹性 势能．物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大．
机械能 动能和势能统称为机械能．一个物体可以既有动能，又有势
能，例如，飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它在高处而具 有重力势能，把这两种能量加在一起，就得到它的总机械能．机械能是最 常见的一种形式的能量．
　　前面说过，一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大，因 此，能量的大小可以用做功的多少来衡量．动能、势能或机械能的单位跟 功的单位相同，也是焦耳．例如我们说在空中飞行的一个球的重力势能是
5 焦，动能是 4 焦，球的机械能则为 9 焦．
想想议议 举起的重锤落下时能把木桩打入地里，举高的重锤具有重 力势能．高山上有一块大石头，稳稳地在那里，它有没有重力势能？说一 说你的看法．


① 物体受到外力作用而发生的形状变化，叫做形变．如果外力撤消，物体能恢复原状，这种形变叫做弹性
形变．

练 习
　　1．有两个质量不同的物体处于同一高度，哪一个物体的重力势能大？ 如果想使这两个物体重力势能相等，可以采取哪些方法？
　　2．一个玩具皮球在空中运动，机械能为 35 焦，动能是 17 焦，重力势 能是多大？
　　
二、动能和势能的转化


　　实验 1 把一个滚摆悬挂在框架上，如图 1—5 所示．用手捻动滚摆使 悬线缠在轴上，滚摆升高到最高点．放开手，观察滚摆的运动，并思考它 的动能和势能的变化．
　　滚摆可以看到，滚摆旋转着下降，越转越快．到最低点时，滚摆转而 上升，上升中它越转越慢，直到差不多回到原来的位置．然后它又下降、 上升，重复原来的运动．
　　滚摆的动能和势能有什么变化呢？滚摆下降时，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．滚摆上升时，它的动能越来越 小，重力势能越来越大，动能转化为重力势能．
　　实验 2 如图 1—6 所示，把一个金属小球用细线悬挂起来，把小球拉 到一定高度，然后放开，观察小球的运动情况，说明小球在运动过程中动 能与重力势能之间的转化．
实验表明，动能和重力势能是可以相互转化的．
　　实验 3 让木球从斜槽滚入水平槽（图 1—7）．在水平槽里竖立一个 弹簧片，它的下端固定．观察木球与弹簧片碰撞的过程，并思考这个过程 中能的转化．
木球接触弹簧片后把弹簧片压弯（图 1—7 甲→乙），木球的动能减小，
弹簧片的弹性势能增加，在这个过程中动能转化为弹性势能．紧接着，弹 簧片恢复原状，把木球弹回（图 1—7 乙→丙），在这个过程中弹性势能转 化为动能．
可见，动能和弹性势能也是可以相互转化的．
　　动能和势能相互转化的事例很多．人造卫星绕地球沿椭圆轨道运行， 它的位置有时离地球中心较近，有时离地球中心较远（图 1—8）．离地球 中心最近的一点叫近地点，这里卫星的势能最小；离地球中心最远的一点 叫远地点，这里卫星的势能最大．卫星从远地点向近地点运动时，势能减 小，动能增大，速度越来越大；反之，从近地点向远地点运动时，势能增 大，动能减小，速度越来越小．卫星在运行过程中，也发生动能和势能的 相互转化．
想想议议 想想议议皮球从手中落到地上，又弹跳起来．你能说出这
一过程中能量的转化吗？建议你先给皮球表面涂上黑颜色再让它落地．皮 球在落地处留下了黑色圆斑，这表示发生了什么现象？

三、水能和风能的利用


　　在地球上，海水朝夕涨落，江河日夜奔流；有时微风拂面，有时狂风 劲吹．从能量的角度来看，自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然 资源，是可以用来为人类服务的．
　　水能的利用 早在一千九百多年前，我们的祖先就制造了木制的水 轮，让流水冲击水轮转动，用来汲水、磨粉、碾谷．图 1—9 所示的，就是 古老的水磨．这类水轮机的功率不大．
　　随着生产规模的扩大，社会上越来越需要强大的动力机，这种需要推 动了科学技术的发展．到 18 世纪，人们已造出大功率的水轮机，供纺织厂、 冶金厂等使用，但是工厂必须建造在河流旁．
　　自从掌握了电的知识以后，到 19 世纪人类就会用水轮机带动发电机发 电，再把电送到工厂中去．这样，工厂就可以建在更为合适的地方，不必 一定要建在河边了．
　　随着科学技术的不断发展，人们已能制造越来越大、越来越好的水轮 机．图 1—10 是现代的轴流式水轮机的叶轮．现代的大型水轮机不但功率 大，可达几十万千瓦，而且效率高，可达 90％以上．
要想让水轮机产生很大的功率，单位时间内流入水轮机的水要具有较
大的能量．为此，可以修筑拦河坝，来提高坝前的上游水位，而在下游一 侧坝的下方安装水轮机．水位提的越高，水的重力势能越大，单位时间内 流入水轮机的水具有的能量就越大，转化成水轮机的动能就越大，即水轮 机的功率越大．现代大型水电站的拦河坝修得很高，甚至超过 300 米，图
1—11 表示水轮机安装在水电站中的情形．发电机装在水轮机的上面，它
们的轴连接在一起． 海水的潮汐也具有巨大的能量．近年来，人们在潮汐发电上的研究已
经取得成功．我国海岸线长达 18 000 千米，沿海省份已经建成一些中小型
潮汐电站（图 1—12）．
　　我国有较大的河流 1500 多条，水能蕴藏量达 6．8 亿千瓦，其中可以 开发利用的有 3．8 亿千瓦，居世界第一位．建国以来，我们在水能利用上 已取得了很大成绩，在黄河上，已在龙羊峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、 青铜峡、天桥、三门峡等地修建了大型水电站，总发电能力达 356 万千瓦．在 长江干流已建成葛洲坝水电站，发电能力为 271．5 万千瓦．在西南各省水 源丰富的地方，还建立了许多中小型水电站．有些地区还建设了蓄能电站， 用电低峰时，利用富裕的电能把水从低水位抽到高水位，到用电高峰时再 放水发电．截至 1993 年底，我国已建成的水电站的总功率已达 4459 万千 瓦．这些水电站已成为我国能源开发的重要组成部分．正在开发建设中的 广西红水河水电站总装机容量可达 1232 万千瓦．即将建设的三峡水电站总 装机容量 1820 万千瓦，年发电量 847 亿千瓦时①以上．
我国还有许多水能资源有待开发，这正需要我们青年一代继续努 力．（本书封底为丹江口水电站）风能的利用
我国早在两千多年前就开始利用风来驱动帆船航行，至少在一千七百


① “千瓦时”是能量的单位，也就是平常所说的用了几度电的“度”， 1 度=1 千瓦时=3.6×106 焦耳．这将
在第九章中学到．

多年前已开始利用风来推动风车做功．风能利用起来比较简单，而且不会 污染环境．但是风能不稳定，也不便于储存．我国在沿海岛屿和草原牧区 有较丰富的风能，在这些地方可利用风力发动机做一些允许间断的工作（图
1—13）． 利用风力也可发电．单个风力发电机的输出功率较小，在风力资源丰
富的地区，可同时安装几十台到几百台风力发电机，联在一起供电（参见 彩图 1）．
参观调查
1．调查你们的家乡有没有可利用的水能或风能的资源．
2．如果附近有小型水电站，去参观一下，了解水位有多高，水的流量
（即每秒钟流过水轮机的水的体积）有多大，发电机的功率有多大．

阅读材料 我国小水电资源的开发和利用


　　根据《人民日报》报道，我国多年来大力开发丰富的小水电资源，兴 建电站和地方电网，较好地解决了国家大电网覆盖不到的偏远地区的用电 问题．目前全国已有半数以上的县（全国总共有 1900 多个县）开发利用了 当地小水电资源，其中 800 多个县形成了以小水电为主体的供电区．
　　据普查，我国可供开发的小水电资源为 7600 万千瓦，如果全部利用， 其发电能力大约相当于 20 多座葛洲坝水电站．到 1989 年底，全国已建成 小水电站 6 万多座，总装机容量达 1237 万千瓦，年发电量 343 亿千瓦时， 占全国农业用电量的 1/3 以上．
　　为了提高已建成的县级供电区的用电水准，国家决定从 1983 年开始有 计划地分批兴建初级农村电气化试点县．首批列入计划的 100 个试点县，
到 1989 年 1 月，已有 88 个通过国家验收．现在这些县每年人均用电量已 由过去的不足 100 千瓦时，上升为 200 千瓦时以上，用上电的农户已超过
90％．
　　当前小水电供电区也存在一些问题，如供电质量低（电压不稳、间断 供电等）．为了改变这种状况，许多地区在发展小水电的同时，集中资金 和物力，开始建设一批中型水电站为电网内的骨干电源．国家初步规划在 本世纪内在小水电供电区建成 100 座中型电站，装机容量 400 万千瓦，这 批水电站的建成对提高地方电网的供电能力、供电质量将起重要作用．
习 题
1．除了课文中讲过的，再分别举出物体具有动能或势能的三个实例．
2．说明下列各物体具有什么形式的机械能：
（1）在海上行驶的轮船；（2）高空中云彩里的小冰粒；
（3）空中飞行的子弹；（4）拉长的弹弓橡皮条．
　　3．把废钟表或废玩具里的发条拆下来，看看它是怎样工作的．为什么 发条拧得紧些钟表或玩具走的时间就长些？
4．说明下列过程中机械能的转化：
（1）雪橇从山坡上滑下；
（2）炮弹从炮口斜向上射出，又落到远处地上；
（3）玩具弹簧枪将“子弹”射出去；
（4）小孩坐在秋千上，在妈妈推了一次以后，自己荡着．
　　5．你骑自行车时，在上坡前往往要加紧蹬几下，加大速度．从能的转 化来说明这样做的好处．
　　6．弹簧门在推开以后能自己关闭（图 1—14）．从能的转化来说明这 一现象．
　　7．你看见过杂技里的绷床表演吗？演员从高处跳下落在绷床上，又被 弹起（图 1—15）．说明在这个过程中能的转化．

学 到 了 什 么

请填写以下空格：


机
械 能 动 能 重力势能 弹性势能 动能和势能相互转化的实例：
1．
2．
3．
自然界可供人类利用的机械能源有 和 ．

第二章 分子运动论 内能


1．什么是分子运动论？
2．什么是内能？怎样改变物体的内能？
3．能量在转化中遵守什么规律？

我们已经学过一些热现象．热现象的本质是什么呢？
　　在 17 世纪和 18 世纪期间，人们开始认识到热现象是由物质内部大量 微粒的运动引起的，后来发展成为一种科学的理论——分子运动论．19 世 纪在物理学中建立了能量的概念，人们逐渐认识到与热现象相联系的能量 形式——内能，并且与分子运动论联系起来，确定内能就是物体中大量分 子具有的能量．
　　用分子运动论和内能的观点可以解释很多热现象，这一章我们就介绍 分子运动论和内能的初步知识．
　　
一、分子运动论的初步知识


　　分子和分子的运动 物质是由分子组成的．一个分子有多大？如果把 分子看作球形的，那么一般的分子的直径只有百亿分之几米，也就是说， 分子的直径是以 10-10 米来量度的．由于分子很小，物体里含有的分子数通 常是很多的．例如，在通常的温度和压强下，1 厘米 3 的空气里大约有 2．7
×1019 个分子．现代大型计算机每秒可计算 100 亿（1010）次，如果人数 数的速度也能达到每秒数 100 亿个，要把 1 厘米 3 空气中的分子一个个数 完，需要用 80 多年呢！
　　实验 把一个装有空气的瓶子倒着放在装有密度较大的红棕色二氧 化氮气体的瓶子上，使两瓶口相对，两瓶口之间原来用一块玻璃板隔开（图
2—1）．抽掉玻璃板后，观察有什么变化． 可以看到，二氧化氮虽然密度比空气大，却能运动到上面的瓶子里，
同时，上面瓶子里的空气也能运动到下面的瓶子里，结果两瓶气体混合在 一起，颜色变得均匀．这表明气体的分子在不停地运动着．像这样，不同 的物质在互相接触时，彼此进入对方的现象，叫做扩散（图 2—2）．
　　扩散现象也可以发生在液体之间，但比气体慢得多．在量筒里装一半 清水，用长颈漏斗小心地将硫酸铜溶液注入水的下面，由于硫酸铜溶液的 密度比水大，会沉在量筒的下部，可以看到无色的清水与蓝色的硫酸铜溶 液之间有明显的界面（图 2—3）．静放几天后，界面逐渐模糊不清了（参 见彩图 2）．这表明液体分子也在不停地运动．
固体之间也会发生扩散现象．把磨得很光的铅片和金片紧压在一起，
在室温下放置 5 年后再将它们分开，可以看到它们互相渗入约 1 毫米深．可 见，固体分子也在不停地运动．
大量实验事实表明，一切物体的分子都在不停地做无规则的运动．
　　分子间的作用力 物体中的分子可以互相进入对方，说明物体的分子 不是紧密地挤在一起，而是彼此间存在着间隙．液体分子间有间隙，固体 分子间也有间隙，那么，液体和固体中的分子为什么不会飞散开，而聚合 在一起保持一定的体积呢？这是因为分子之间存在着引力的缘故．把两块 表面干净的铅压紧，由于分子之间有引力，两块铅就结合在一起，甚至下 面吊一个重物都不能把它们拉开（图 2—4）．
既然分子之间有间隙，为什么压缩固体和液体很困难呢？这是因为分
子之间还存在斥力的缘故．由于斥力的存在，使分子已经离得很近的固体 和液体很难进一步被压缩．
　　分子之间既有引力又有斥力，两种力是否总会互相抵消呢？不会．只 有分子间相距为某一距离 r 时，引力才等于斥力．r 的大小通常为百亿分 之几米，也就是以 10■米来量度的．当分子间的距离小于 r 时，斥力起主 要作用；当分子间的距离大于 r 时，引力起主要作用．引力和斥力都随距 离的增大而减小，斥力减小得更快．当分子间的距离大于分子直径的 10 倍时，分子间的作用力就变得十分微弱，可以忽略了．
练 习
1．什么是扩散现象？扩散现象可以说明什么？
2．分子间既有 力，又有 力．当分子间的距离小于某一距
离 r 时， 力起主要作用；当分子间的距离大于 r 时， 力起

主要作用．

*二、气体、液体和固体的内部结构


　　气体既没有一定的体积，又没有一定的形状．液体有一定的体积，但 没有一定的形状．固体既有一定的体积，又有一定的形状．气体、液体和 固体的这种区别，可以用它们的内部结构的不同来说明．
　　气体 气体很容易被压缩，说明气体分子间的距离比较大．在 0℃和 1 标准大气压下，气体分子间的距离大约是分子直径的 10 倍．这时分子间的 作用力很小，可以近似地认为，气体分子除了相互碰撞或跟器壁碰撞外是 不受力的作用的．气体分子在没有跟别的分子或器壁碰撞时做匀速直线运 动，只有碰撞时才改变速度的大小和方向．气体分子可以在空间中到处移 动，所以气体能充满它所能达到的空间，没有一定的体积，也没有一定的 形状．
　　固体 固体很难被压缩，说明固体分子间的距离很小，分子间的作用 力很大．固体中的分子只能在各自的平衡位置附近做无规则的振动，很不 容易远离开各自的平衡位置．因此，固体能保持一定的形状和体积．
　　固体可以分为晶体和非晶体两类．在常见的固体中，石英、云母、食 盐等都是晶体，玻璃、松香、橡胶等都是非晶体．晶体中分子的排列是有 规则的，因此晶体具有规则的天然外形．非晶体中分子的排列没有规则， 因此非晶体没有规则的天然外形．
液体 液体变成气体时，体积增大 1000 倍左右，变成固体时，体积
变化不大，液体的内部结构比较接近于固体．液体分子间的作用力比固体 的小些，分子的排列没有一定的规则，液体分子也像固体分子那样在平衡 位置附近做无规则的振动，不过振动一段很短时间后就移到另一个位置附 近振动．正因为液体分子运动的这个特点，使液体容易流动，没有一定形 状．但液体分子间的距离比较小，因而液体不易被压缩，具有一定的体积． 物态变化 知道了固体、液体、气体的内部结构，就不难理解以前学 过的物态变化了．当晶体的温度升高时，分子的振动加剧．温度升高到一 定程度时，分子力已不能把分子约束在一个平衡位置附近振动，于是晶体
分子有规则的排列被破坏，固体变成液体，这就是熔化．
　　在液体中总有一些速度较大的分子能克服周围分子的引力而跑到液体 外面去，成为气体分子，这就是蒸发．温度越高，液体分子的运动速度越 大，能跑出去的分子数越多，蒸发就越快．
　　
三、内 能


　　既然物体内部大量的分子不停地做无规则运动，那么，如同一切运动 物体具有动能一样，做无规则运动的分子也具有动能．分子之间有相互作 用力，又使分子具有势能——分子势能．这跟地球和地面上的物体相互吸 引，使地面上的物体具有重力势能，道理是一样的．
　　物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和，叫做物体 的内能．
　　物体的动能跟物体运动的速度有关．物体的重力势能跟物体被举起的 高度有关．物体的弹性势能跟物体弹性形变的大小有关．那么，物体的内 能跟什么有关呢？研究表明，物体的内能跟物体的温度有关．温度越高， 物体内部分子的无规则运动越激烈，物体的内能就越大．
　　有什么证据说明，温度越高，分子的无规则运动越激烈呢？请看下面 的实验．
　　实验 把分别盛有冷水和热水的两个玻璃杯放在桌上，小心地在每杯 中滴入两滴墨水．不要搅动杯中的水，观察两杯水中墨水的扩散过程．哪 杯水中的墨水扩散得快？
实验表明，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激烈． 由于分子无规则运动的速度跟温度有关，因此物体的内能也跟温度有
关．人们为此常常把物体内部大量分子的无规则运动叫做热运动，内能也
常常叫做热能．
　　一切物体都有内能．炽热的铁水，温度很高，具有内能（图 2—6）．冰 冷的冰块，温度虽低，其中的水分子仍在做无规则运动。也具有内能（图
2—7）．铁水的温度降低时，它的内能随着减小．冰块的温度升高时，它
的内能随着增大． 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
内部的分子做无规则热运动，而且分子之间有相互作用，因此球还具有内
能．机械能与整个物体的机械运动情况有关，内能与物体内部分子的热运 动和分子间的相互作用情况有关，所以内能是不同于机械能的另一种形式 的能量．
练 习
1．一杯水的温度由 10℃升高到 20℃，这杯水的内能有什么变化？
2．内能与机械能各与什么情况有关？

四、做功和内能的改变


　　怎样解释图 2—8 中的现象呢？学了做功和内能改变的关系，你就会明 白了．
　　实验 1 如图 2—9 所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团棉 花，把活塞迅速压下去，观察有什么结果．图 2-9 空气被压缩时内能增大 棉花燃烧起来了，这是因为活塞压缩空气做功，使空气的内能增大，温度 升高，达到棉花的燃点使棉花燃烧．
　　不但压缩物体做功可以使物体的内能增加，用其他办法做功也可以．摩 擦生热就是一个例子（彩图 3）．在摩擦生热的过程中，克服摩擦做了功， 使物体的内能增大，温度升高．这样的事例很多，除了本节开始时提到的 两个事例外，请同学们在生活实际中找找看，还有哪些现象属于摩擦生热， 互相交流一下．
对物体做功，物体的内能会增大．
　　实验 2 拿一个大口的厚玻璃瓶，瓶内装入少量的水，用塞子塞紧．水 上方的空气中有由于水的蒸发而产生的水蒸气．通过塞子上的开口往瓶里 打气（图 2—11）．观察当塞子从瓶口跳起来时容器中有什么现象．
容器中的水蒸气原来是看不见的．当塞子跳起来时，可以看到容器中
出现了雾．这是因为瓶内的空气推动瓶塞做功时，内能减小，温度降低， 使水蒸气凝成小水滴．
物体对外做功时，本身的内能会减小．
　　我们从生活经验知道，摩擦生热时做的功越多，物体的内能增加得越 多．其他由于做功而使内能改变的过程都是如此．因此，我们可以用功来 量度内能的改变．功的单位是焦耳，所以内能的单位也是焦耳．现在国际 单位制已经规定，各种形式的能量的单位都是焦耳．
想想议议 请你观察本章刊头画中所画的实验：把一个薄壁金属管固
定在桌上，里面放一些乙醚，用塞子塞紧．拿一根绳子在管外绕几圈并迅 速地来回拉绳子．用能量的转化来解释你看到的现象．

练 习
1．摩擦生热说明了什么？
　　2．对物体做功，物体的内能会 ．物体对外做功，物体的内能 会 ．内能的单位是 ．
　　
五、热传递和内能的改变 热量


　　通过上一节的学习，我们已经知道做功可以改变物体的内能，还有别 的方法可以改变物体的内能吗？
　　冬天用热水袋取暖，人体感觉暖和了，而热水袋会渐渐凉下来；把烧 热的工件放到冷水中，工件会凉下来，而冷水会变热．这就是我们常见的 热传递现象．在热传递过程中，高温物体温度降低，内能减少；低温物体 温度升高，内能增加．热传递实质上就是能量从高温物体传到低温物体或 者从同一物体的高温部分传到低温部分的过程．
　　在热传递过程中，传递的能量的多少叫做热量．在热传递过程中，高 温物体的内能减少，叫做放出了热量，低温物体的内能增加，叫做吸收了 热量．物体放出或吸收的热量越多，它内能的改变越大．
　　现在，我们知道了两种改变物体内能的方法：做功和热传递．一根锯 条的温度升高了，内能增加，可能是由于摩擦，也可能是由于放在火上烤 了一会儿．如果没有看见内能改变的过程，我们是无法根据结果来判断内 能改变的原因的．换句话说，做功和热传递在改变物体的内能上是等效 的．因此，用功或用热量来量度物体内能的改变，所用的单位应该相同， 功的单位是焦耳，热量的单位也是焦耳．
过去常用的热量单位是卡，1 卡等于 1 克水温度升高 1℃时吸收的热
量．卡不是国际单位制的单位，已被废除．但是卡这个单位长期沿用下来， 在工程上和营养学上仍在使用．要把以卡为单位的许多技术资料都改成以 焦耳为单位，还需要一段时间．卡与焦耳的换算关系为：
　　　　　　　　　　　　　　1 卡=4．2 焦．
比卡大的单位是千卡（大卡），
1 千卡=1000 卡． 把一壶冷水烧开，需要的热量大约是几百千卡．

练 习
1．什么叫热量？热量的单位是什么？
2．在温度不同的两个物体间发生热传递的过程中，高温物体温度
，内能 ，它 了热量；低温物体温度 ，内能 ，它
了热量．

六、比 热 容


　　大家都有这样的经验：烧开一壶水比烧开半壶水需要的热量多，把一 壶水烧开比烧成温水需要的热量多．可见，水在温度升高时吸收的热量和 水的质量有关，和温度升高的度数有关，水的质量越大，温度升高的度数 越多，吸收的热量越多．别的物质也是这样．
　　那么，所有的物质，在质量相等、温度升高的度数也相等时，吸收的 热量是不是一样多呢？
　　实验 用两个相同的电加热器（俗名“热得快”）分别给盛在两个杯 子里的质量相等的水和煤油加热（图 2—13）．电热器每秒钟放出的热量 是一定的，通电的时间越长，放出的热量越多．用温度计测量两种液体的 温度变化，观察哪个温度升高得快些．要使水和煤油的温度升高相同的度 数，哪个需要的时间长些？
　　实验的结果告诉我们，质量相等的水和煤油在温度升高的度数相同 时，水吸收的热量比煤油多．
　　换用其他物质来做这样的实验，也可以得到类似的结果．这说明，质 量相等的不同物质，在温度升高的度数相同时，吸收的热量是不同的．怎 样来表示各种物质的这种性质上的不同呢？最好用单位质量的物质温度升
高 1℃时吸收的热量来比较．
　　单位质量的某种物质温度升高 1℃吸收的热量叫做这种物质的比热 容，简称比热．比热的单位是焦/（千克·℃），读作焦每千克摄氏度． 单位质量的某种物质温度降低 1℃放出的热量和它温度升高 1℃吸收
的热量相等，也等于它的比热．
　　比热是物质的一种特性，每种物质都有自己的比热．下表列出由实验 测定的几种物质的比热．
几种物质的比热〔焦/（千克·℃）〕
水 4.2 × 103
酒精 2.4 × 103
煤油 2.1 × 103 冰 2.1 × 103
蓖麻油 1.8 × 103
砂石 0.92 × 103 铝 0.88 × 103
干泥土 0.84 × 103
铁、钢 0.46 × 103 铜 0.39 × 103
水银 0.14 × 103
铅 0.13 × 103

从表中可以看出，水的比热最大．水和干泥土相比，在同样受热或冷
却的情况下，吸收或放出的热量相同，水的温度变化比干泥土小．因此， 在受太阳照射的条件相同时，内陆地区的夏季比沿海地区炎热，冬季比沿 海地区寒冷，在一天之内气温的变化也较大．
　　因为水的比热大，在生活中往往用热水取暖，让流动的热水慢慢地经 过散热器，水的温度降低，放出较多的热量（图 2—14）．有一些机器在 工作时要变热，如汽车的发动机（图 2—15）、发电厂的发电机等，这些 机器都可以用循环流动的水来冷却．
　　
七、热量的计算


　　？ 从比热表中查知某种物质的比热，我们就知道了 1 千克的这种物 质的温度升高（或降低）1℃时吸收（或放出）的热量是多少焦耳．如果质 量不是 1 千克，温度升高（或降低）不是 1℃，能不能算出吸收（或放出） 的热量是多少？
　　〔例题〕把质量为 2 千克、温度为 30℃的铝块加热到 100℃，铝块吸 收的热量是多少焦耳？
解：从比热表中查知铝的比热是 0.88×103 焦/（千克·℃），即质量
是 1 千克的铝块温度升高 1℃时吸收的热量是 0.88×103 焦．
2 千克的铝块温度升高 1℃时吸收的热量是
0.88×103 焦×2＝1.76×103 焦．
2 千克的铝块温度升高 100℃-30℃=70℃时，吸收的热量是
1.76×103 焦×70=1.23×105 焦． 上述计算可以写成一个算式：
吸收的热量=0.88×103 焦/（千克·℃）×2 千克×（100℃-30℃）
=1.23×105 焦．
如果用 Q 吸表示吸收的热量，用 c 表示比热，用 m 表示质量，用 t0 表
示物体原来的温度，用 t 表示物体后来的温度，那么，上述计算就可以用 符号表示成计算物体受热时吸收热量的公式：
Q 吸=cm（t-t0）．
同样的道理，我们可以写出计算物体散热时放出热量的公式：
Q 放=cm（t0-t）．
　　〔例题 2〕有一根烧红的铁钉，温度是 800℃，质量是 1.5 克，温度降 低到 20℃，放出多少热量？
解：已知 m=1.5×10-3 千克，t0=800℃，t=20℃，从比热表中查得铁的
比热
c＝0.46×103 焦/（千克·℃）． 将这些数据代入上述公式中，就可以求出放出的热量：
Q 放=cm（t0-t）
=0.46×103 焦/(千克·℃)×1.5×10-3 千克×(800℃-20℃)
=5.38×102 焦．

八、能量守恒定律


　　摩擦能够生热，气体膨胀可以做功，说明力学现象和热现象有联系．电 流通过时电动机转动，说明电现象和力学现象有联系．电流通过时电热器 发热，说明电现象和热现象有联系．自然界中的各种现象都不是孤立的， 而是互相有联系的．科学家们经过长期探索，发现用能量的概念可以从某 个角度反映这种联系，并在 19 世纪确立了自然界的最普遍的定律之一—— 能量守恒定律．
　　在摩擦生热的现象中，机械能转化为内能．克服摩擦做了多少功，就 有多少机械能转化为等量的内能．
　　在气体膨胀做功的现象中，内能转化为机械能．气体膨胀做了多少功， 就有多少内能转化为等量的机械能．
　　能量转化是非常普遍的，各种形式的能量都可以在一定条件下相互转 化．水电站里水轮机带动发电机发电，机械能转化为电能．电动机带动水 泵把水抽到高处，电能转化为机械能．植物吸收太阳光进行光合作用，光 能转化为化学能．燃料燃烧时发热，化学能转化为内能．
　　大量的事实告诉我们，任何一种形式的能量在转化为其他形式的能量 的过程中，消耗多少某种形式的能量，就得到多少其他形式的能量，能量 的总量是保持不变的．
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，
或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总 量保持不变．
这个规律叫做能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之
一．从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要 有能量转化，就一定服从能量守恒的规律．从日常生活到科学研究、工程 技术，这一规律都发挥着重要的作用．人类对各种能源，如煤、石油等燃 料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的．能量守 恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器．

热的本质的认识过程


　　摩擦生热早已在实践中被人们所熟悉，但是为什么会产生热？热是什 么？人们很久也没有弄清楚．在古代就对热有两种不同的看法，一种把热 看成是一种特殊物质；一种认为热是物质的某种运动形式．
　　17 世纪以后，多数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动 形式，不少物理学家都相信这一点．但是这种看法由于缺乏精确的实验根 据，还不能形成科学的理论．
　　到了 18 世纪，对热的研究走上了实验科学的道路．把热看成是一种特 殊物质的热质说，由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认．热 质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，它不生不灭，存 在于一切物体之中，物体的冷热程度，决定于其中所含热质的多少．热质 说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比 热降低了，因此摩擦可以使物体的温度升高．
　　1798 年，英国学者伦福德（1753～1814）在从事枪炮制造时，发现钻 孔钻下的金属屑具有极高的温度，用水来冷却时，甚至可以使水沸腾．他 怀疑金属屑具有极高温度是不是由于比热降低造成的．伦福德在他的笔记 中写道，由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦 生热现象，钻下的金属屑的比热要改变很大才行．于是他设计并做了一系 列实验，发现钻下的金属屑的比热在摩擦时并没有降低．根据实验结果， 伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成是一种运动形式，热质说的统 治地位开始动摇了．
1799 年，英国的戴维做了更加严格的实验．他在零摄氏度以下的露天
里，在抽成真空的玻璃罩内，使金属轮子和盘在钟表装置的带动下相互摩 擦，结果使金属盘上的蜡熔化了．在这个实验中，热不可能是由周围物体 传递给蜡的，而且伦福德的实验已经证明，金属也不会由于比热的降低而 放热，那就只能是由于摩擦生热使蜡粒子的运动加快了．戴维的实验有力 地打击了热质说．
此后，科学家进一步研究了热和做功的关系，特别是英国科学家焦耳
做了大量实验，定量地研究了热和功的关系，证明做了多少机械功，就有 多少机械能转化成热这种形式的能量．焦耳的工作，表明热不是一种特殊 的物质，同时为能量守恒定律奠定了基础．
能量守恒定律的建立，彻底否定了热质说，同时为分子运动论的发展
开辟了道路．经过科学家的长期研究，关于热是一种运动形式的设想，终 于成为公认的真理．人们认识到：宏观的热现象原来是物体内部大量分子 的无规则运动的表现，物体内部的能量就是前面讲过的内能．热量不是表 示物质所含“热质”的多少，而是表示在热传递过程中传递的能量的多少．

分子的运动


　　倒一杯凉开水和一杯热开水，在两个杯底各放一块糖．然后用小勺取 表面的水品尝，看看各需要经过多长时间才能尝出甜味．解释你的实验结 果．
分子力


　　把一块表面很干净的玻璃板挂在弹簧秤下面，手持弹簧秤上端，把玻 璃板往下放到刚好和一盆水的水面接触（图 2—17）．再慢慢地提起弹簧 秤，注意观察弹簧秤的示数有何变化．变化的原因是什么呢？仔细观察提 起后玻璃板的下表面，再回答这个问题．
习 题
　　1．1 厘米 3 的水里含有 3.35×1022 个水分子，一个水分子的质量有多 大？
　　2．在箱子里放几块樟脑，过些日子一开箱就能闻到樟脑的气味，为什 么？
3．下列过程中有能量转化吗？是什么形式的能量转化成什么形式的能
量？
（1）用砂轮磨刀，有火星迸出．
（2）陨石坠入大气层，成为流星．
（3）壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动．
（4）用打气筒给轮胎打气．
　　4．用锯来锯开木板，锯完后用手触摸一下锯条，你会有什么感觉？为 什么？
5．使 1 克水温度升高 1℃需要多少热量？1 焦耳的热量可以使 1 克水
的温度升高多少度？
　　6．铜的比热是铅的比热的 3 倍。质量相等的铜块和铅块，如果供给它 们的热量一样多，铅块温度升高的度数是铜块温度升高的度数的几倍？
7．使 20 克冰的温度从-10℃升高到 0℃，但未熔化成水，需要多少热
量？如果这些热量是由温度从 5℃降低到 0℃的水来供给的，需要多少克 5
℃的水？
　　8．质量为 500 克的铁锅中放有 3 千克水，把它们从 15℃加热到 90℃ 需要多少热量？
　　9．找一段金属丝，把它弄弯再弄直，这样反复几次后，用手摸一下折 弯的地方，你感到那里的温度发生了怎样的变化？怎样解释这一现象？
学 到 了 什 么 请你按照以下几个问题总结本章的内容：
1．分子运动论的初步知识包括哪些内容？
2．什么现象表明物体的分子不停地做无规则的运动？
　　3．分子间既有引力，又有斥力．什么情况下，引力起主要作用？什么 情况下，斥力起主要作用？
　　
*4．怎样用物质的内部结构来解释气体、液体、固体之间的差别？怎样 用分子运动论解释物态变化？
　　5．什么是内能？内能的单位是什么？我们可以从什么现象知道物体的 内能发生了变化？
6．使物体内能改变的方法有几种？什么是热量，热量的单位是什么？
7．什么叫比热？它的单位是什么？计算物体在受热（或散热）时吸收
（或放出）的热量的公式是什么？
8．举出能量转化的实例，能量在转化中遵守什么规律？

第三章 内能的利用 热机


1．怎样获得大量的内能？ 怎样利用内能来做功？
2．内燃机的原理是什么？
3．怎样提高燃料的利用率和减少环境污染？

一、燃料及其燃烧值


　　燃料的燃烧值 人类在原始社会就用燃烧燃料来取暖和煮饭，火的利 用给人类带来了进步．燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料 的化学能转化为内能，也就是通常所说的释放出热量．即使在现代社会中， 人类使用的能量绝大部分也还是从燃料的燃烧中获得的内能．
　　燃料的种类很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、柴油等， 气体燃料有氢气、煤气、天然气等．由于燃料的成分不同，相同质量的燃 料在燃烧时放出的热量是不同的．例如，1 千克煤完全燃烧放出的热量是 1 千克木柴完全燃烧放出的热量的二倍多．
　　1 千克某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的燃烧值．燃烧 值的单位是焦/千克．
几种燃料的燃烧值（焦/千克）

干木柴（约） 1.2 × 107 木炭 3.4 × 107 汽油 4.6 × 107
烟 煤（约） 2.9 × 107 酒精 3.0 × 107 氢 1.4 × 108
无烟煤（约） 3.4 × 107 柴油 3.3 × 107 煤气（焦/米 3 ） （约） 3.9 × 107
焦炭 3.0 × 107 煤油 4.6 × 107 天然气（焦/米 3 ） 7.1 ～ 8.8 × 107


有效利用燃料 燃料通常是在各种炉子里燃烧的．工业企业和取暖设
备中燃料在锅炉中燃烧，家用燃料在煤炉或燃气炉中燃烧．燃料在燃烧中， 实际上很难完全燃烧，放出的热量往往比按燃烧值计算出的数值要小．而 且有效利用的热量又比放出的热量要小．例如用煤烧水的锅炉，有效利用 的热量就是被水吸收的热量．燃料燃烧放出的热量只有一部分被有效利 用，其余的热量都散失了．高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部 分热量以散热的形式散失了．炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的 热量之比，叫做炉子的效率．
现代化的大型锅炉，效率可达 90%以上．但通常的锅炉，效率还比较
低．例如取暖用的小型锅炉，平均起来效率不到 60％，在节约能源上潜力 很大．把煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，可以燃烧得比较完全．不烧煤粉 而烧煤粒，加大送风量，把煤粒在炉膛里吹起来燃烧，可以燃烧得更充分．用 各种办法加大受热面，可以减少烟气带走的热量．这些措施都可以提高锅 炉的效率和燃料的利用率．
提高燃料的利用率，这是节约能源的重要措施．如果按我国每年消耗
10 亿吨煤，效率为 30％来计算，那么，只要提高效率 1％，即达到 31％， 就相当于节省三千多万吨煤，也可以说相当于多了一个年产三千万吨煤的 大煤矿．可见提高燃料的利用率是多么重要，我们大家都要注意节约燃料．

二、内能的利用


　　？ 在现代社会中，人类每年都要消耗大量的燃料来获得内能．这些 内能又是怎样使用的呢？
　　利用内能来加热内能的一个重要应用就是直接用它来加热物体．物体 在获得内能以后，温度会升高．我们家里每天都要生火煮饭，我国北方的 冬天还要生火取暖，工厂里常常要加热各种零件，所有这些，都是直接利 用内能来加热的常见例子．
　　直接利用内能来加热物体，似乎很简单，其实里面也很有学问．例如， 城市里如果各家各户都自己生火炉来取暖（图 3—3），不但效率低，能源 消耗大，而且排出的废气废渣还会污染环境．如果采用暖气设备（图 3—
4），用锅炉来产生热水或水蒸气，给各家各户的散热片供热，就可以既提 高效率，又改善环境卫生．近几十年更发展了用热电站来向周围大片地区 提供生产和生活用热的技术，进一步提高了效率和改善了环境卫生．
　　请同学们了解一下，你家里生活用热的方式是什么？近年来有无改 进？你还能提出进一步改进的设想吗？
　　利用内能来做功 内能的另一个重要应用就是用它来做功．各种热机 就是利用内能做功的机器．
实验 如图 3—5 所示，在试管内装些水，用软木塞塞住，加热使水
沸腾，水蒸气会把软木塞冲出． 在这个实验中，燃料的化学能转化为内能，传给水和水蒸气，水蒸气
把塞子冲出去，内能转化为塞子的机械能．
　　这个实验虽然简单，却表现出热机中能量转化的基本过程．在人类历 史上，发现内能可以做功并制造出热机，是一件了不起的大事情．可以说， 工业化社会的出现，在科学技术上有赖于热机的发明及其改进．即使现在， 各种现代化的交通工具，如汽车、火车、轮船、飞机以至火箭，大多数仍 然是靠热机把内能转化为机械能来工作的．现代的火电站和热电站，也要 靠热机把内能转化为机械能，然后再带动发电机发电．
　　
三、内燃机


　　热机的种类很多，我们不可能逐一讨论它们的主要构造和工作原理．在 这里，只就使用最广泛、大家都可以看到的内燃机，作比较详细的介绍．先 讲汽油机，后讲柴油机．
　　汽油机 汽油机是在气缸内燃烧汽油，生成高温高压的燃气，使燃气 推动活塞而做功的．图 3—6 是四冲程汽油机气缸的剖面图．
　　要使汽油机连续工作，活塞必须在推动曲轴后回到原来的位置，以便 再次推动曲轴．这就要求活塞能在气缸里做往复运动．活塞在往复运动中 从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程．多数汽油机是由吸气、压缩、燃 烧—膨胀做功（简称做功）和排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的
（图 3—7）．
　　吸气冲程：如图 3—8 甲所示，进气门打开，排气门关闭，活塞由上端 向下运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸．
　　压缩冲程：如图 3—8 乙所示，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动， 燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高．
　　做功冲程：如图 3—8 丙所示，在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花， 使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气．高温高压燃气推动活塞向下运动， 并通过连杆带动曲轴转动．
排气冲程：如图 3—8 丁所示，进气门关闭，排气门打开，活塞向上运
动，把废气排出气缸． 然后活塞又向下运动，开始新的吸气冲程，汽油机就连续工作下去． 汽油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其他三
个冲程要靠飞轮的惯性来完成．在开始运转时，要靠外力先使飞轮和曲轴
转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，以后汽油机才能自己工作． 汽油机比较轻巧，常用在汽车、飞机和小型农业机械（如插秧机、机
动喷雾器）上面．
　　柴油机 柴油机的构造和汽油机相似（图 3—9），主要的不同是柴油 机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴．
柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程．在吸气
冲程里吸进气缸的只有空气．在压缩冲程里，活塞把空气的体积压缩得很 小，空气的压强更大，温度更高．在压缩冲程末，缸内空气的温度已超过 柴油的燃点，因此，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即燃烧起来．柴 油机启动时也要靠外力使飞轮和曲轴转动起来．
　　柴油比汽油便宜，但柴油机比较笨重，主要应用在载重汽车、拖拉机、 坦克、火车、轮船上，有的地方还用它带动发电机发电．
　　想想议议 汽油机和柴油机的工作过程有什么相同点，有什么不同 点？
　　
*四、火 箭


　　火箭起源于中国，是我国古代的重大发明之一，我国早在宋代就发明 了火箭（图 3—10），它的构造是在箭上扎一个火药筒，筒的前端是封闭 的．点燃火药时，火药燃烧生成的燃气以很大的速度向后喷出，火箭就向 前运动．
　　现代的火箭，原理同古代火箭相同，但构造要复杂得多．现代火箭用 来发射探测仪器以及人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等空间飞行器．
　　火箭发动机工作时，燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，产生高温燃气， 燃气通过喷管向后高速喷出，对火箭产生推力，把火箭发射出去．火箭是 热机的一种，工作时，燃料的化学能最终转化成火箭的机械能．
　　火箭用的燃料、氧化剂有液体和固体两种，分别叫做液体火箭和固体 火箭．目前大多数空间运载火箭都是液体火箭．
　　不论是液体火箭还是固体火箭，燃料和氧化剂的质量要占整个火箭质 量的 80％以上，因此，燃料和氧化剂几乎占满了整个火箭的容积．人们在 设计制造火箭时，总是想办法减小火箭结构部分的质量，因为运载火箭的 任务是把人造卫星等有效载荷送到空间轨道，之后，火箭结构本身就没有 用处了，它们将坠入大气层焚毁．
现代的火箭，在技术上已经有了相当的发展．除了单级火箭外还出现
了多级火箭，图 3—11 是三级火箭．当火箭的第一级完成工作后，就会与 上面几级脱离开，接着第二级点火继续工作，直至第三级工作完毕，最后 把航天器送入预定轨道．多级火箭及时地把对后面飞行没有用处的空壳脱 掉，下一级火箭工作中要推动的总体质量就减少了，这样可以使火箭达到 更高的速度．但是，多级火箭构造复杂，可靠性也较差，实际上使用的多 级火箭都是二级的或三级的．
我国的火箭技术近十几年有了很大发展，已进入了世界的先进行列．具
有世界先进水平的“长征二号 E”捆绑式火箭，全长 51 米，共有 8 个发动 机，起飞质量 460 吨，起飞推力 588 万牛，可将 8.8 吨的航天器送入地球 轨道．本书封面是“长征二号 E”捆绑式火箭正在发射的情形．

五、热机的效率


　　？ 提起“效率”这个词，我们并不陌生．使用机械要讲究机械效率， 使用燃料要考虑燃烧效率．在不同的场合下，效率的具体含义并不相同．热 机的效率指的是什么呢？
　　热机是利用燃料的燃烧来做功的装置．燃料燃烧放出的能量，并不能 全部用来做有用功，相当一部分能量散失了．用来做有用功那部分能量和 燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率．蒸汽机的效率很低，只
有 6～15%．内燃机中燃料是在机器内部燃烧的，不需要庞大的锅炉，而且 燃料混合物可以燃烧得比较充分，所以内燃机的效率比蒸汽机的高，汽油 机的效率为 20～30%，柴油机的效率为 30～45%．
　　图 3—12 为内燃机的能流图．在内燃机中，由于燃烧不完全而损失的 能量很小．排出的废气温度较高，要带走很大一部分能量．一部分能量消 耗在散热上，还有一部分能量消耗在克服摩擦做功上（如活塞和气缸壁之 间的摩擦、各部件连接处的摩擦等）．
　　图 3—13 是用汽轮发电机发电的火电站的能流图．发电机的效率比较 高，大部分能量损失在锅炉和蒸汽轮机上．
热机的效率是热机性能的一个重要指标．两辆排量①相同的小汽车，以
相同的速度行驶相同的路程，耗油量小的那辆，汽油机的效率高，性能好．在 设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，提高效率．在 使用上，要正确使用，注意保养．例如要保证良好的润滑，因为润滑不良， 将增大克服摩擦所消耗的能量．运动零件之间的间隙要调整得当，因为调 整不当，可能增大摩擦，或者使气缸漏气，都会加大能量耗损．
在热机的各种损失中，废气带走的能量最多．设法利用废气的能量，
是提高燃料利用率的重要措施．热电站就是利用废气来供热的．这种既供 电又供热的热电站，比起一般火电站来，燃料的利用率大大提高．



























① 排量：活塞每一冲程在内燃机气缸内所扫过的容积．

六、内能的利用和环境保护


　　煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类得以大量获得内能，给人类 文明带来进步，但同时也造成环境污染，给人类带来危害．
　　煤、石油等燃料往往含有杂质，致使燃烧生成的气体中含有二氧化硫、 氮氧化物等，燃料的不完全燃烧还会产生粉尘和一氧化碳，这些烟尘废气 排放到大气中，污染了大气．
　　工业企业（包括火电站、钢铁厂、化工厂等），交通运输工具（汽车、 飞机、船舶等），家庭炉灶和取暖设备，它们都要用煤、石油等燃料，以 取得和应用内能．它们排放的烟尘废气是大气污染的主要来源．
　　全世界因使用煤、石油等燃料，每年排入大气的有害物质，包括粉尘、 二氧化硫等等，达几亿吨之多！
　　大气污染不但直接有害人体健康，而且会影响植物的正常生长，甚至 影响全球的气候．大气中的二氧化硫和氮氧化物经化学变化溶于水中，会 产生酸雨，危害农作物、森林和湖泊中的生物．
　　保护环境，控制和消除大气污染，已经成为当前需要解决的重要课 题．改进燃烧设备，加装消烟除尘装置，可以减少烟尘的排放量．一户一 家的煤炉，不但效率低，而且是大气污染的主要来源之一．采取集中供热， 不但可以提高燃料的利用率，而且可以减轻大气污染．气体燃料的污染小， 在城市普及煤气和天然气的使用，是解决大气污染的一个有效措施．
我国非常重视保护环境．我们既要有效地利用能源，又要很好地控制
和消除污染．人类有能力开发和利用自然环境，也必然有能力保护环境， 创造一个更加美好的环境．
图 3—14 图甲表示改用气体燃料．家用煤炉的效率只有 10～20%，煤
气炉的效率可以达到 50%．气体燃料的燃烧效率高，普及煤气和天然气的 使用，既可有效地利用燃料，又可减少污染．图乙表示改为集中供热．集 中供热不但燃料的利用率高，而且可以减少污染．

热机的发展


　　热机的出现推动了 17 世纪的工业革命，热机又伴随着工业革命的发展 而发展．在这之前，人类的生产活动只能利用人力、畜力、水力、风力来 作动力．到 17 世纪，生产的发展需要更为强大的动力，同时机器制造业已 经产生，使热机的出现既有必要，又有可能．
　　最初出现的热机是蒸汽机，它在锅炉里把水烧成水蒸气，利用水蒸气 的内能来做功．最初的蒸汽机很笨重，而且只能用来从矿井里抽水．后来 许多人对它不断加以改进，其中贡献最大的是英国人瓦特．他在 1782 年发 明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机．这种蒸汽机在 一百多年里对工业的发展起了极其重要的作用．甚至到现在，我们仍然可 以看到在铁路上拉着长长的列车奔驰的蒸汽机车，它就是用蒸汽机来作动 力的（图 3—15）．不过，蒸汽机仍然过于笨重，效率又低．现在，我国 和世界上的许多国家，都不再生产蒸汽机了．
交通运输事业的发展迫切需要轻巧的热机．能满足这种需要的热机—
—内燃机在 19 世纪后期出现了．按所用燃料分，内燃机有汽油机、柴油机、 煤气机等．用汽油作燃料的叫做汽油机，是 1876 年发明的．用柴油作燃料 的叫做柴油机，是 1892 年发明的．用煤气包括各种气体燃料作燃料的叫做 煤气机·比起蒸汽机来，内燃机不但轻巧，效率也提高了很多．内燃机的 出现和不断改进，对交通运输事业的现代化起了关键作用．目前，内燃机 的应用已十分普遍，各国都在大量生产内燃机．我国内燃机的生产发展很 快，1991 年生产的各种内燃机，总功率达 9170 万千瓦．
电力工业的发展需要功率巨大的热机．1884 年出现的蒸汽轮机满足了
这个需要．它用大型锅炉产生的高温高压水蒸气来直接推动轮机的叶片， 使轮机转动并带动发电机发电．现在全世界使用的电能，大部分是由火电 站生产的．大型火电站的巨大锅炉，有五六层楼房那样高，它里面安装的 蒸汽轮机，功率可达几十万千瓦．我国早在 60 年代就已掌握了大型火电站 的锅炉、蒸汽轮机以及发电机的生产技术，近年来又在大力革新，要尽快 赶上国际先进水平．
早期的飞机是用内燃机作动力的．从 40 年代开始，飞机上日益普遍使
用喷气式发动机，它是靠向后高速喷出燃烧后生成的气体——燃气而前进 的．喷气式发动机比内燃机更轻巧，功率更大，这就使生产高速的大型飞 机成为可能．喷气式发动机有两种：需要用大气中的氧气来助燃的叫空气 喷气发动机，在飞机上使用，不能飞到大气层之外去；自带燃料和氧化剂 的叫火箭喷气发动机，这就是前面讲过的火箭，它在发射人造卫星和宇宙 航行中使用．我国是解放后才开始生产喷气式发动机的，但发展很快，火 箭技术现已进入世界的先进行列．
　　几百年来，为了满足各方面的需要，人类发明了多种热机并不断改进 它们．这个过程，今后仍将继续下去．我国的社会主义建设事业，需要大 量的先进的各种热机，我们还要作许多努力，才能在热机研制的各个方面 赶上并超过世界先进水平．编者相信，在本书的青年读者中，将会有人在 这一领域里为祖国作出重大的贡献．

学 到 了 什 么


1．什么是燃料的燃烧值？
2．内能有哪两方面的主要应用？
3．描述内燃机工作时的四个冲程．
*4．说说火箭和它的应用．
5．什么是热机的效率？
6．内能的利用与环境有什么关系？

第四章 电 路


1．什么是电荷？
2．什么是电流？
3．什么是电路？
4．怎样连接电路？

一、摩擦起电 两种电荷


　　实验 用绸子、毛皮或尼龙布料在玻璃棒、橡胶棒或塑料棒上摩擦几 下，然后把棒靠近纸屑、头发、羽毛等轻小物体（图 4—1），会看到什么 现象？
　　我们看到，摩擦过的玻璃棒、橡胶棒或塑料棒，能够吸引轻小物体．摩 擦过的物体有了吸引轻小物体的性质，我们就说物体带了电，或者说，带 了电荷．
　　用摩擦的方法使物体带电，叫做摩擦起电．摩擦起电的现象在日常生 活中也可以看到．在空气干燥的时候，用塑料梳子梳头发，头发会随着梳 子飘起来，就是因为梳子带了电，吸引头发的缘故．
　　两种电荷 研究发现：用绸子摩擦过的两根玻璃棒互相排斥，用毛皮 摩擦过的两根橡胶棒也互相排斥（图 4—2 甲）；但是用绸子摩擦过的玻璃 棒跟用毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引（图 4—2 乙）．这个现象使人们认识 到，用绸子摩擦过的玻璃棒上带的电跟用毛皮摩擦过的橡胶棒上带的电是 不同的．
　　用摩擦起电的方法可以使各种各样的物质带电．实验发现带电后的物 体凡是跟绸子摩擦过的玻璃棒互相吸引的，必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互 相排斥；凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的，必定跟绸子摩擦过的玻 璃棒互相排斥．这些事实使人们认识到自然界中只有两种电荷，人们把绸 子摩擦过的玻璃棒上带的电荷叫做正电荷，毛皮摩擦过的橡胶棒上带的电 荷叫做负电荷．
同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引．
　　电量 实验室里常用一种叫做验电器的仪器来检验物体是否带电．用 带电体接触验电器的金属球，就有一部分电荷转移到验电器的两片金属箔 上，这两片金属箔由于带同种电荷互相排斥而张开（图 4—3）.
实验 轻轻摩擦几下玻璃棒，然后用棒接触验电器的金属球；再用力
多摩擦几下玻璃棒，用棒接触另一个相同的验电器．观察验电器金属箔张 开的角度．
两验电器金属箔张开的角度并不相同，后一种情况张开的角度大．张
开的角度大，表示传给验电器的电荷多． 电荷的多少叫做电量．电量的单位是库仑，简称库，符号是 C．一根
摩擦过的玻璃棒或橡胶棒上所带的电量，大约只有 10-7 库．一片带电的云
上所带的电量，大约有几十库．
　　在图 4—3 所示的实验中，验电器带正电后，如果再用带负电的橡胶棒 去接触验电器的金属球，会看到金属箔张开的角度减小，这表示正负电荷 放在一起会互相抵消．如果两者电量相等，验电器的金属箔将不再张开， 即正负电荷完全抵消．放在一起的等量异种电荷完全抵消的现象，叫做中 和．
练 习
　　1．一个同学将塑料尺在衣服上摩擦几下，然后把尺靠近碎纸屑，纸屑 被吸起．这是因为经摩擦过的塑料尺带了 ，这种现象叫做 ．
　　2．把一个带电的物体靠近用绸子摩擦过的玻璃棒时，它们相互排斥， 这一带电物体所带电荷是 电荷．
　　
3．电荷的多少叫做 ，电量的单位是 ．

二、摩擦起电的原因 原子结构


　　摩擦起电的原因是什么？要解释摩擦起电现象，需要知道一些关于物 质结构的知识．
　　原子结构 经过科学家世世代代的研究，现在已经认识到，一切物质 都是由分子构成的，分子又是由原子构成的．例如，水是由水分子构成的， 水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的．
　　分子和原子都是很小的微粒，不但用眼睛看不到，用一般的显微镜也 看不到．把原子看作球形，一般原子的半径只有 10-10 米左右．设想把 1 亿个氧原子一个挨着一个地排成一行，也只有几厘米长．
　　直到 19 世纪末叶，人们还以为原子是组成物质的最小微粒，不能再 分．1897 年英国科学家汤姆孙（1856～1940）发现了比原子小得多的带负 电的粒子——电子，并且实验证明了电子的普遍存在，它是比原子更基本 的物质单元，从此揭示出原子是具有结构的．
　　原子是由位于中心的原子核和核外的电子组成的．原子核比原子小得 多，原子核的半径相当于原子半径的十万分之一．如果把原子比作直径为
100 米的大球，原子核则相当于一粒绿豆的大小．原子核的质量比电子大 得多，几乎集中了原子的全部质量．
原子核带正电，电子带负电，电子在原子核的电力吸引作用下，在核
外绕核运动．原子的这种结构称为核式结构，它同太阳系中各行星绕太阳 运动的情形有些相似．
电子是带有最小负电荷的粒子，人们已经知道这个最小电量为 1.6×
10-19 库仑，并把它称作基本电荷，常用符号 e 来表示它．任何带电体所带 的电量都是 e 的整数倍．你算一算，多少个电子所带的电量等于 1 库仑． 在通常情况下，原子核所带的正电荷与核外电子总共所带的负电荷在 数量上相等，整个原子呈中性，也就是对外不显示带电的性质．不同物质 的原子，原子核所带的电量并不相同，核外电子的数目也不相同．氢原子 的结构最简单，原子核带有 1 个基本电荷的电量，核外只有 1 个电子．氧
原子核带有 8 个基本电荷的电量，核外有 8 个电子（图 4—4）．
　　摩擦起电的原因在通常情况下，原子是中性的，由原子组成的物体也 呈中性．那么，当两个物体互相摩擦的时候，为什么物体能带电呢？原来， 不同物质的原子核束缚电子的本领不同．
两个物体互相摩擦时，哪个物体的原子核束缚电子的本领弱，它的一
些电子就会转移到另一个物体上；失去电子的物体因缺少电子而带正电， 得到电子的物体因为有了多余电子而带等量的负电．
　　可见，摩擦起电并不是创造了电荷，只是电荷从一个物体转移到另一 个物体，使正负电荷分开．
　　
三、电 流


　　? 取两个相同的验电器 A 和 B，使 A 带电，B 不带电（图 4—5 甲）．用 金属棒把 A 和 B 连接起来，可以看到 A 的金属箔张开的角度减小，B 的金 属箔张开，最后两个验电器金属箔张开的角度相同（图 4—5 乙）．这表明 验电器 B 也带了电，有电荷通过金属棒从 A 流到 B，也就是说，用金属棒
把 A 和 B 连接起来时，金属棒上有了电流．但这种电流是暂短的，不是持 续的．实际中使用的电流都是持续的，那么怎样得到持续的电流呢？
　　电流 水在水管中沿着一定方向流动，水管中就有了水流．电荷在电 路中沿着一定方向移动，电路中就有了电流．电荷的定向移动形成电流． 实验 照图 4—6 那样，把小灯泡与干电池连接起来．合上开关，小
灯泡就持续发光（图甲）；打开开关，小灯泡就熄灭了（图乙）． 小灯泡持续发光，表示有持续电流通过小灯泡的灯丝．这个持续电流
是由干电池提供的，像干电池这样能够提供持续电流的装置，叫做电源．干 电池是电源，实验室里用的蓄电池也是电源（图 4—7）．电源有两个极， 一个正极，一个负极．电源的作用是在电源内部不断地使正极聚集正电荷， 负极聚集负电荷，以持续对外供电．摩擦起电是用摩擦的方法，使正负电 荷分开的．干电池和蓄电池是用化学的方法，使正负电荷分开的．
从能量转化的观点来看，电源是把其他形式的能量转化为电能的装
置．干电池、蓄电池对外供电时，电池内部发生化学变化，化学能转化为 电能．
大量用电时的电源，是发电站里的发电机．发电机通过电线把电送给
工厂、农村以及千家万户．发电机发电的时候，机械能转化为电能，它的 原理，我们将在第十二章学习．
电流的方向 水流有方向，那就是水的流动方向．电流的方向又是怎
样的呢？ 电荷有两种，电路中有电流时，发生定向移动的电荷可能是正电荷，
也可能是负电荷，还可能是正负电荷同时向相反方向发生定向移动．在 19
世纪初，物理学家刚刚开始研究电流时，并不清楚在不同的情况下究竟是 什么电荷在移动，当时就把正电荷移动的方向规定为电流的方向，这一规 定一直沿用至今．
按照这个规定，在电源外部，电流的方向是从电源的正极流向负极（图
4—8）．

练 习
1．电流是电荷的 形成的．
2．在电源外部，电流的方向是从电源的 极流向 极．

四、导体和绝缘体


　　在上一节的实验里，是用金属线把小灯泡和电源连接起来的，用其他 材料代替金属线可以不可以呢？
　　实验 如图 4—9，在开关和小灯泡之间连着两个金属夹 A 和 B，在金 属夹之间分别接入硬币、铅笔心、橡皮、塑料尺，观察小灯泡是否发光． 有的物体容易导电，有的物体不容易导电．硬币、铅笔心容易导电， 接入硬币、铅笔心时，小灯泡灯丝中有电流通过，小灯泡发光．橡皮、塑 料尺不容易导电，接入橡皮、塑料尺时，小灯泡灯丝中没有电流或者电流
很小，小灯泡不发光． 容易导电的物体叫做导体．金属、石墨、人体、大地以及酸、碱、盐
的水溶液等都是导体．不容易导电的物体叫做绝缘体．橡胶、玻璃、陶瓷、 塑料、油等都是绝缘体．
　　好的导体和绝缘体都是重要的电工材料．电线芯线用金属来做，因为 金属是导体，容易导电；电线芯线外面包上一层橡胶或塑料，因为它们是 绝缘体，能够防止漏电．
　　图 4—11 表示各种物体的导电和绝缘能力的排列顺序，可见导体和绝 缘体之间并没有绝对的界限．而且在一般情况下不容易导电的物体，当条 件改变时就可能导电．例如，玻璃是相当好的绝缘体，但如果给玻璃加热， 使它达到红炽状态，它就变成导体了（图 4—12）．
为什么导体容易导电，绝缘体不容易导电呢？原来，在绝缘体中，电
荷几乎都束缚在原子的范围之内，不能自由移动，也就是说，电荷不能从 绝缘体的一个地方移动到另外的地方，所以绝缘体不容易导电．相反，导 体中有能够自由移动的电荷，电荷能从导体的一个地方移动到另外的地 方，所以导体容易导电．
金属是最重要的导体．在金属导体中，部分电子可以脱离开原子核的
束缚而在金属内部自由移动，这种电子叫做自由电子．金属导电，靠的就 是自由电子．金属中的电流是带负电的自由电子发生定向移动形成的．根 据电流方向的规定知道，金属中的电流方向跟自由电子的移动方向相反（图
4—13）．
　　想想议议 观察你家中的电器（不要随意动手），看看哪些部分是绝 缘体，哪些部分是导体，它们分别是由什么材料做成的？各有什么作用？
练 习
　　1．为什么电线芯线要用金属来做？为什么电线芯线外面的包层要用橡 胶或塑料来做？
　　2．下列物体中哪些是导体，哪些是绝缘体？铝线；自行车轮胎；食盐 水溶液；塑料绳．
　　
五、电路和电路图


　　什么是电路 电灯、电铃、电风扇、电视机等用电来工作的设备，都 叫做用电器，怎样才能使用电器工作呢？
　　这个问题太简单了！合上开关，电灯就亮了，电铃就响了，电风扇的 叶片就转起来了，电视机屏上的画面就显示出来了??难道还需要什么知 识吗？需要的！如果你想懂得这里面的道理，就要学习连接电路的知识． 在前面图 4—6 所示的实验中，已经连成一个最简单的电路．一般的电 路，都要比它复杂．但是，不论简单和复杂，组成电路总离不开电源、用 电器、开关和导线．所谓电路，就是把电源、用电器、开关用导线连接起
来组成的电流的路径． 首先必须有电源．没有电源，电路中不会有持续电流，这在前面已经
讲过了． 用导线把用电器与电源连接起来，用电器就能工作．但是，电灯不能
总是亮着，电铃不能一直响着，为了能够控制用电器的工作，电路还要安 装开关．图 4—15 是几种常用的开关．合上开关，电路接通，电路中就有 了电流．接通的电路叫做通路（图 4—16 甲）．如果电路中某处断开了， 例如打开开关，电路中就没有电流了．断开的电路叫做开路（图 4—16 乙）．直接把导线接在电源上，电路中会有很大的电流，可能把电源烧坏， 这是不允许的．这种情况叫做短路（图 4—16 丙）．
电路图 图 4—17 的上图是一种门铃的电路．电铃装在室内，电源装
在地板下面，门铃开关装在门外．这个电路中各个元件是怎样连接的，初 学者往往不容易一眼就看出来．可是，如果用符号把电路连接情况表示出 来，如图 4—17 的下图，那么，即使是初学者，也易于认识电路中的各个 元件是如何连接的．用符号表示电路连接的图，叫做电路图．电路图中用 统一规定的符号来代表电路中的各种元件（图 4—18）．
图 4—18 几种电路元件的符号
　　电路图可以方便地画出，而且使人们比较容易地看清电路中各个元件 的连接情况，在电学以及有关技术资料中使用很广泛．我们应该学会看电 路图，还要学会根据电路图来实际连接电路．

练 习
1．把 、 、 用导线连接起来组成的电流的路径，叫做电路．
2．举例说明，什么是通路、开路、短路．
3．画出电池、开关、电灯、电铃和电动机的电路元件符号．