第3节 热机及其工作原理（教学课件）物理沪科版（五四学制）2024九年级上册

沪科版（五·四学制） 九年级上册 第10章 内能 第3节 热机及其工作原理 01 02 03 04 05 CONTENTS 什么是热机 内燃机如何工作？ 学习目标 1. 熟悉自主活动中模拟热机产生动力的过程； 2. 了解热机及其分类；最常见的两类内燃机； 3. 知道汽油机的结构，分析汽油机的工作循环过程； 4. 掌握汽油机的工作循环中每个冲程的特点； 5. 柴油机的结构及其工作循环过程； 6. 清楚汽油机与柴油机的相同点与不同点。 重点难点 教学重点： 1.汽油机的工作循环过程； 2.压缩气体改变内能实验与压缩冲程；加热封闭的试管实验与做功冲程； 3.汽油机与柴油机的相同点与不同点。 1.内燃机一个工作循环的有关参数，如对外做功次数、飞轮转动周数等； 2.热机工作循环过程的综合应用。 教学难点： 汽车是现代生活中常用的交通工具。发动机是汽车的核心部件（图 10-3-1 ），为汽车提供强劲的动力。这个动力从何而来？ 情景引入 PART ONE 什么是热机 如图 10-3-2 所示，将适量水注入试管并用橡胶塞塞住试管口。用酒精灯加热试管，直至橡胶塞被“顶出”试管口。讨论并交流橡胶塞被“顶出”试管口的原因。 图 10-3-2 加热封闭的试管 探究新知 自主活动 在上述实验中，酒精燃烧放出的热量，使水蒸气受热膨胀对橡胶塞做功，使橡胶塞被“顶出”试管口。 上述实验可以用来简单模拟热机产生动力的过程。 内能 思考 上述实验过程中能量是如何转化的？ 机械能 转化 热机 飞机 火箭 热机：我们把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机 。 汽车 船舶 蒸汽机 热机工作原理：图10-3-3为热机工作原理的示意图，热机自高温物体处吸收热量，其中一部分用来对外做功，另一部分流向低温物体。 对外做功 图 10-3-3 热机的工作原理图 热机工作原理 火箭 汽车 对外做功 （汽油燃烧产物） （汽车发动机） 高温物体 热机 低温物体 （空气、汽车部件等） （汽车的动能等） 对外做功 （火箭燃料的燃烧产物） （火箭发动机） 高温物体 热机 低温物体 （外界、火箭部件等） （火箭的机械能等） 举例分析 因此，热机是将内能转化为机械能的机械。 热机的分类 热机的种类较多，按照燃料燃烧场所的差异，热机可分为外燃机和内燃机两种。 1. 外燃机：燃料在发动机外的锅炉内燃烧并产生动力的热机叫做外燃机，蒸汽机就是最早的外燃机，它利用燃料加热锅炉中的水产生高压水蒸气，高压水蒸气推动活塞对外做功。由于老式蒸汽机过于笨重、能耗大、效率低，已逐渐被淘汰 。 举例：蒸汽轮机与蒸汽机工作模式相似，由大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，推动巨型汽轮机转动，带动大型发电机发电。目前，蒸汽轮机被广泛运用于电力工业领域。 蒸汽机 蒸汽轮机 燃料直接在发动机内的气缸中燃烧并产生动力的热机叫做内燃机。现代社会中大部分交通工 具的发动机都是内燃机，如汽车，飞机等。 内燃机 最常见的内燃机是汽油机和柴油机，它们分 别用汽油和柴油作为燃料。 如图 10-3-4 所示，汽油机主要由气缸、活 塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴和连杆组成。 图 10-3-4 汽油机结构示意图 PART TWO 内燃机如何工作？ 活塞向下运动 进气门开启，排气门关闭，汽油和空气的混合气体进入气缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。 气缸顶端的火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。 活塞向上运动，排气门开启，废气被排出气缸。 汽油机工作时，活塞在气缸内做往复运动，如图是汽油机工作过程示意图。 活塞做一次单向运动的过程称为一个冲程， 汽油机的一个工作循环过程包括四个冲程，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。 刚刚是汽油机一个工作循环（含四个冲程）的介绍，接下来是熟悉这个四个冲程的工作特点。 以下是有三点学习四个冲程工作特点的方法仅供参考： ①从能量转化角度学习压缩冲程与做功冲程； ②从工作示意图分辨四个冲程的一些方法； ③回归教材汽油机工作过程示意图。 压缩冲程与做功冲程 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。 气缸顶端的火花塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。 图10-2-4 压缩气体改变内能 图10-3-2 加热封闭的试管 机械能 内能 转化 内能 机械能 转化 从工作示意图分辨四个冲程的两点方法 1.看进气门与排气门开关：①全关，则是压缩冲程与做功冲程； ②一开一闭，则是吸气冲程与排气冲程。 2.看活塞处的箭头方向： ①箭头向下，则是吸气冲程与做功冲程； ②箭头向上，则是压缩冲程与冲程排气。 运用以上两点技巧前提是还须明白气缸所在的位置。 教材汽油机工作示意图 活塞向下运动进气门开启，排气门关闭，汽油和空气的混合气体进入气缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，将混合气体压缩。 活塞向上运动，排气门开启，废气被排出气缸。 气缸顶端的火花 塞通电点火，混合气体爆发性燃烧，高温高压气体向下推动活塞做功。 活塞往复运动 次; 飞轮转动______周； 对外做功 次; 汽缸内的燃油爆发性燃烧 次。 2. 四冲程内燃机一个工作循环： 2 1 1 做功冲程的重要性+四冲程内燃机一个工作循环的有关参数 1. 做功冲程中，燃气对外做功，带动与曲轴相连的飞轮实现持续运转。其余三个冲程是辅助冲程，活塞靠旋转飞轮的惯性带动曲轴连杆运动。 2 汽油机质量小，转速大，启动方便，运转平稳，主要用于汽车的发动机。 柴油机的结构与汽油机相似，图 10-3-6 为柴油机的结构示意图，由于柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 图10-3-6 柴油机结构示意图 柴油机的结构 柴油机的工作循环过程：柴油机的工作循环过程也分为吸气、压缩 、做功、排气四个冲程。 1. 吸气冲程中只有空气进入气缸。 2. 压缩冲程使气缸内的空气温度升高。压缩结束时，气缸内温度超过柴油燃点，此时，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即燃烧起来。 3. 做功冲程中气缸内气体的压强、温度急剧增大，从而有力地推动活塞对外做功。 柴油机的工作循环工程 与汽油机相比，柴油机的零件结构强度更高， 也更笨重，但柴油机油耗低、功率大，因此多用于载重汽车、坦克、轮船及小型发电机。近年来，随着柴油机技术的进步，传统柴油机的缺点逐步得到改善，目前许多汽车也采用柴油机作为动力装置。 柴油机的应用 载重汽车 坦克 轮船 小型发电机 想想议议：柴油机和汽油机不同点有哪些？ 内燃机 项目 汽油机 柴油机 燃料 汽油 柴油 构造 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 主要特点 主要用途 火花塞 喷油嘴 汽油和空气的混合物 空气 压缩程度小 压缩程度大 点燃式 压燃式 轻巧、效率较低 笨重、效率较高 小汽车和小型农业机 械、低速飞机等 载重汽车、 拖拉机、火车、轮船等 火箭发动机（图 10-3-7）是一种新型的热机。由于要在缺氧的高空中工作，火箭发动机与大多数普通热机不同，必须自带氧化剂（如液氧）。燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，产生高温高压燃气，燃气通过喷 口向后喷出推动火箭前进。“长征”系列运载火箭（图 10-3-8）是我国自行研制的航天运载工具，有力支撑了以 “中国载人航天工程”“北斗卫星导航系统” 和“中国探月工程”为代表的国家重大工程的成功实施，为我国航天事业的发展提供了强有力的保障。 STSE 图 10-3-7 火箭发动机示意图 图 10-3-8 “长征五号”运载火箭点火升空 现代汽车里的“马达”起什么作用？ 内燃机的启动： 内燃机不能自行启动。开始运转时，要靠外力使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，靠飞轮的惯性完成后面的工作循环。 想一想 汽油机与柴油机的相同点：都是把内能转化成机械能（即热机的特点）， 都包括四个冲程。 答：现代汽车里的马达是启动热机用的，马达工作时将电能转化为机械能，使热机的曲轴先转动起来，因为热机只有启动起来，做功冲程才会为汽车提供动力。 1. 关于热机，下列说法正确的是（　　） A．吸气冲程中，汽油机和柴油机吸入的都是空气 B．做功冲程是把机械能转化为内能 C．做功冲程是依靠飞轮的惯性完成的 D．柴油机有喷油嘴而没有火花塞 课堂练习 D 2 ．热机可分为__________和___________两种； 最常见的内燃机是__________和__________。 汽油机 柴油机 外燃机 内燃机 3 ．下列关于汽油机和柴油机的说法，正确的是 ( ) A ．柴油机的工作过程分为吸气、压缩、排气三个冲程 B ．汽油机和柴油机都属于内燃机 C ．汽油机比柴油机笨重 D ．汽油机的功率比柴油机大 B 4 ．如图所示，用力下压活塞，将机械能转化为内能，与它原理相同的是内燃机的 ( ) A ．吸气冲程 B ．压缩冲程 C ．做功冲程 D ．排气冲程 B 5．在内燃机中汽油机的使用是非常广泛的，下图是汽油机的 冲程，这个冲程中将燃气的内能转化为 能。 做功 机械 A ．水沸腾时温度不变， 内能不变 B ．水蒸气推动橡皮塞时， 自身内能减少 C ．橡皮塞冲出过程相当于四冲程内燃机的压缩冲程 D ．管口的“白气”是水蒸气汽化形成的 6．如图所示，在试管内装入适量水并用橡皮塞塞紧管口，加热一段时间后橡皮塞冲出，同时管口附近出现“白气” 。对此现象下列分析正确的是 ( ) B A ．一个工作循环的正确顺序是： 甲乙丙丁 B ．图乙冲程是做功冲程 C ．图甲冲程是将所有的内能转化为机械能的过程 D ．图丁冲程是机械能转化为内能的过程 7．如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是 ( ) D 8. 某四冲程汽油机,曲轴转速1200转/分,则该汽油机每秒 做功_______次,有________个冲程,飞轮转________周。 20 10 40 课堂小结 1 ．关于内燃机下列说法正确的是 ( ) A ．四冲程内燃机工作过程只有一个工作循环 B ．汽油机和柴油机汽缸顶部都有一个火花塞 C ．汽油机是内燃机，柴油机不是内燃机 D ．汽油机和柴油机都有做功冲程 D 布置作业 2. 单缸四冲程内燃机完成40个冲程,关于做功和飞轮转 动的情况,下列说法正确的是( ) A.做功10次,飞轮转40周 B.做功40次,飞轮转20周 C.做功10次,飞轮转20周 D.做功20次,飞轮转10周 C A ．塞子冲出过程中的能量转化形式与甲图的能量转化情况相同 B ．若该汽油机飞轮转速是 1200r/min ，则每 2s 对外做功 20 次 C ．该汽油机一个工作循环有四个冲程，正确的顺序是乙、丁、 甲、丙 D ．靠惯性完成的冲程是甲、乙、丁 3．如图所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，把水加热至沸腾一段时间后，塞子会冲出去。有关塞子冲出过程中的能量转化形式与下图所示汽油机的四个冲程的说法中正确的是 ( ) B 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING $$