师:各位同学,大家好。今天我们一起来学习九年级物理第十四章第二节第一课时——燃料及其热值。这节课有两个学习目标:第一,能从实验中体会不同燃料燃烧放热的能力不同,建立热值概念;第二,能简单计算燃料燃烧放出的热量。
同学们,这里有一杯0.2千克的水,如果水升温5摄氏度且未沸腾,水需要吸收多少热量?这个问题要解决什么呢?对,要解决水吸热的问题。回顾上节课所学知识,结合题目的三个已知条件,可知解决这个问题的公式是$Q = cm\Delta t$。带入水的比热容、水的质量以及水升高的温度数值,就可以得出水需要吸收的热量是$4.2×103$焦耳。
日常生活中,我们会燃烧干木材、煤炭、天然气等燃料来加热水,使水升温。燃料在燃烧过程中放出大量的热,我们从而获得了内能。但能量不会凭空产生,我们获得的内能是通过消耗什么能量转化而来的呢?燃料燃烧其实是燃料与空气中的氧气发生化学反应,把燃料内存储的化学能转换成内能,所以燃料燃烧是将燃料存储的化学能转化成内能。
现在我们分别用酒精、蜡烛这两种不同的燃料加热两杯完全相同的、质量为0.2千克的水,使它们的温度都升高5摄氏度,那么消耗两种燃料的质量会相同吗?下面我们通过实验来研究。首先,为了知道这两杯水是否升温5摄氏度,我们需要什么测量工具?对了,是温度计,我们使用电子温度计,这样方便观察读数。用温度计测出加热前水的初温,观察水升温,当温度计示数升高为5摄氏度时,停止加热。
那怎样比较相同的两杯水都升温5摄氏度时,哪种燃料消耗的质量多呢?第一,必须在加热前测量一次燃料的质量;第二,点燃燃料加热水,当水升温5摄氏度时,停止加热,熄灭燃料,然后测量加热后燃料的质量。消耗燃料的质量就等于加热前燃料的质量减去加热后燃料的质量。我们用什么工具测量质量呢?是电子秤,同样是为了方便读数。
好,我们梳理一下实验步骤:第一步,用电子秤测量加热前燃料的质量$m_1$;第二步,用电子温度计分别测量两杯水加热前的初温;第三步,点燃燃料,加热水,使水升温5摄氏度后停止加热,熄灭燃料;第四步,用电子秤测量加热后燃料的质量$m_2$。下面按照我们的设计进行实验,收集数据。
第一步,先用电子秤测量加热前燃料的质量;第二步,用电子温度计测量加热前两杯水的初温,分别是28.5摄氏度、28.2摄氏度。第三步,点燃燃料加热水,使水升温5摄氏度,也就是水温分别到达33.5摄氏度和33.2摄氏度,然后停止加热,熄灭燃料。
现在酒精加热的水已经升温5摄氏度,停止加热,熄灭燃料。现在蜡烛加热的水也升温5摄氏度,熄灭蜡烛,停止加热。第四步,用电子秤测量加热后燃料的质量。
实验结束,我们把加热前燃料的质量填在表格里,把加热后燃料的质量也填在表格里。因此,实验过程中消耗酒精的质量是233.9克 - 232.4克 = 1.5克,消耗蜡烛的质量是118.6克 - 117.9克 = 0.7克。通过前面的计算,我们知道两杯水吸收的热量都是$4.2×103$焦耳。但是通过实验我们发现两种燃料消耗的质量却是不同的,这是什么原因呢?科学家经过长期研究,发现主要原因有两个:第一,与不同燃料燃烧放热的能力不同有关;第二,与燃料加热时的效率有关。
首先我们来研究如何比较燃料燃烧放热的能力。例如我们要比较酒精和蜡烛燃烧放热的能力,能不能取一瓶酒精和一支蜡烛让它们燃烧,测量它们放出的热量,放出热量多的放热能力就强呢?显然这是不公平的,因为酒精和蜡烛消耗的质量不一定相同,且酒精和蜡烛不一定都完全燃烧。请同学们思考一下,怎样才能公平公正地去比较燃料燃烧放热的能力呢?对了,所有燃料都取相同的质量,然后让它们完全燃烧,最后比较它们放出热量的多少,放出热量多的放热能力就强。因此,科学家用比热定义法解决了比较燃料放热能力的问题。
