10.3 热机及其工作原理 课件-2024-2025学年沪科版九年级物理上册（五四学制·上海专用）

第10章 内能 九年级上册•沪教版 （五四•学制） 第3节 热机及其工作原理 18 世纪初到19世纪中叶，热机的出现和广泛使用促进了工业的迅速发展。热机的工作过程涉及内能及其转化。本章我们将学习热机所涉及的物理学基础知识。 通过本章内容的学习，你将了解热量、比热容、内能和热值等基本概念，知道热机的工作原理；感受热机的发明对提升社会生产力的作用和影响，增强节能和环保的意识；初步形成能量观念。 导入新课 第3节 热机及其工作原理 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，为汽车提供强劲的动力。这个动力从何而来？ 什么是热机 01 内燃机如何工作 02 课堂总结 03 提升训练 04 第3节 热机及其工作原理 一、什么是热机 第3节 热机及其工作原理 一、什么是热机 1. 实验探究：不同形式能量之间的转化 【演示实验】如图所示，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。 【实验现象】 ①瓶塞被冲出来； ②管口附近出现“白雾”。 【实验分析】 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。 【实验结论】利用内能可以做功。 这个实验虽然简单，却可以用来简单模拟热机产生动力的过程。 一、什么是热机 2. 热机 （1）热机：把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机。 （2）热机的工作原理 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。 热机的工作原理图 一、什么是热机 蒸气机 （3）热机的种类 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。 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。 一、什么是热机 蒸汽轮机 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。 汽轮机 一、什么是热机 ②内燃机 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。 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。 柴油机 汽油机 一、什么是热机 【例题1】如图所示，在试管里装入一些水，用软木塞塞住试管口，将试管放在酒精灯上加热使水沸腾，水蒸气会把软木塞冲开，在这一过程中，水蒸气膨胀对软木塞______，水蒸气的一部分_____能转化为软木塞的_______能，利用这一原理，可以制成热机。 【解析】用酒精灯给试管中的水加热产生大量的水蒸气，这些高温的水蒸气对塞子做功，将塞子冲出。 水蒸气膨胀对软木塞做功时，水蒸气的内能减小，温度降低，塞子由静止变为运动，其机械能增大，故是水蒸气的一部分内能转化为软木塞的机械能，热机的做功冲程原理与其一致。 机械 做功 内 一、什么是热机 二、内燃机如何工作 第3节 热机及其工作原理 二、内燃机如何工作 1. 汽油机 气缸 活 塞 连 杆 排气门 曲 轴 火花塞 进气门 （1）汽油机的构造 由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆组成。 （2）汽油机的冲程 ①冲程 汽油机在工作时，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。 ②四个冲程 汽油机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。多数汽油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。 二、内燃机如何工作 （3）汽油机的工作过程分析 ①吸气冲程 进气门打开，排气门关闭。活塞向下运动，汽油和空气的混合物被吸入气缸。 二、内燃机如何工作 ②压缩冲程 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，内能增加，温度升高。 能量转化： 机械能转化为内能。 二、内燃机如何工作 ③做功冲程 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞做功，并通过连杆带动曲轴转动，对外做功。 能量转化： 内能转化为机械能。 二、内燃机如何工作 ④排气冲程 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。 二、内燃机如何工作 视频演示——《汽油机的工作过程》 二、内燃机如何工作 冲程名称 进气门 排气门 活塞 运动 冲程的作用 能量转化 吸气冲程 开 闭 向下 吸入燃料和空气的混合物 压缩冲程 闭 闭 向上 压缩燃料和空气的混合物， 使其内能增大，温度升高 机械能转化为内能 做功冲程 闭 闭 向下 火花塞产生电火花，点燃燃料，高温高压的燃气推动活塞做功，通过连杆、曲轴带动飞轮转动 内能转化为机械能 排气冲程 闭 开 向上 排出废气 （4）汽油机四个冲程工作情况总结 二、内燃机如何工作 对外做功1次 飞轮转动2周 活塞往复2次 有4个冲程 1个工作 循环 在这个四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。 （5）汽油机一个工作循环情况总结 二、内燃机如何工作 【例题2】内燃机的一个工作循环由_____ 、_____ 、_____ 、______四个冲程组成。一台某型号单缸四冲程汽油机的飞轮速度是1200r/min，则汽油机每秒钟对外做功___次。 【解析】一个工作循环包括四个冲程，曲轴转动二周，对外做功一次。汽油机的飞轮速度是 = 汽油机每秒钟对外做功 =10 （次） 吸气 压缩 做功 排气 10 二、内燃机如何工作 喷油嘴 2. 柴油机 （1）柴油机的构造 与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。 二、内燃机如何工作 （2）工作过程 柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。 柴油机吸入气缸内的物质只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来。 二、内燃机如何工作 3. 柴油机和汽油机的异同点 项目 汽油机 柴油机 构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴 燃料 汽油 柴油 吸气冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 压缩冲程 压缩程度较小 压缩程度较大 做功冲程 点燃式，内能转化为机械能 压燃式，内能转化为机械能 排气冲程 排出废气 特点与应用 轻巧、功率小；小汽车、摩托车等. 笨重、功率大；载重汽车、轮船等. 相同点 一个工作循环均有四个冲程组成，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。压缩冲程把机械能转化为内能；做功冲程把内能转化为机械能. 二、内燃机如何工作 【例题3】关于汽油机与柴油机的说法中，不正确的是（　　） A．柴油机汽缸顶部有个火花塞，汽油机汽缸顶部有个喷油嘴 B．柴油机通过压缩空气直接点燃柴油 C．汽油机与柴油机的工作过程都分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程 D．汽油机与柴油机使用的燃料不同 【解析】A．柴油机汽缸顶部有个喷油嘴，汽油机汽缸顶部有个火花塞，A错误. B．柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，采用压燃式，B正确. C．柴油机和汽油机的工作过程分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程，故C正确. D．汽油机与柴油机使用的燃料不同，汽油机的燃料是汽油，柴油机的燃料是柴油，故D正确. 所以选A. A 二、内燃机如何工作 【例题4】热机是将内能转化成______能的机器，如图所示是热机的______冲程。一台四冲程柴油机飞轮转速是 ，则柴油机每秒完成_____个冲程，燃气做功_____次，如果一次做功为1000 J，则柴油机的功率为_____W。 104 做功 机械 40 10 二、内燃机如何工作 【解析】 热机通过做功的方式利用内能，将内能转化为机械能。 热机一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程组成；由图可知，进气门和排气门都是关闭的，活塞下行，火花塞喷出电火花，可以判断是做功冲程。 一台四冲程柴油机飞轮转速是1200r/min=20r/s 因一个工作循环飞轮转2圈，完成四个工作冲程，做功1次，所以柴油机每秒完成40个冲程，燃气做功10次。 1s内柴油机做的功W=1000J×10=10000J 则柴油机的功率 二、内燃机如何工作 火箭发动机是一种新型的热机。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。 火箭发动机 火箭发动机示意图 “长征”系列运载火箭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。 “长征五号”运载火箭点火升空 火箭发动机 三、课堂总结 第3节 热机及其工作原理 课堂总结（1） ①把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机. ②工作原理：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. ③分类：按照燃料燃烧场所的差异，分为外燃机和内燃机. ①内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机. ②内燃机工作的四冲程：吸气、压缩、做功、排气冲程. ③能量转化：压缩冲程中，机械能转化为内能； 做功冲程中，内能转化为机械能. ④柴油机与汽油机的区别： 汽油机吸入汽油与空气的混合物，柴油机只吸入空气. 汽油机是点燃式点火，柴油机点火方式为压燃式. 热机 热 机 内燃机 32 课堂总结（2） 33 四、提升训练 第3节 热机及其工作原理 提升训练 【解析】火箭的发动机也是利用内能工作的机械，属于热机。 火箭发射升空时，通过燃烧燃料将化学能转化为内能，释放的内能转移到高温高压的燃气上，然后向后喷出燃气，气体膨胀对外做功，内能转化为机械能，使火箭高度增加，速度增大，因此火箭点火升空时的能量转化是化学能转化为内能，内能再转化为机械能。 1. 如图是2023年10月26日神舟十七号运载火箭载着开封航天员江新林和队友三人共赴苍穹的场景。火箭的发动机______（填“是”“不是”）热机，火箭点火升空时的能量转化是_____________________。 化学能转化为内能，内能再转化为机械能 是 提升训练 【解析】在内燃机的压缩冲程中，两个气门都关闭，活塞向上运动；如图所示。 2. 如图甲是某汽油机的吸气冲程时的气门开闭情况和活塞的运动方向，仿照甲图在乙图中画出压缩冲程时的气门开闭和活塞和连杆的大致位置。 甲 乙 提升训练 3. 小红到乡村参加劳动实践，发现农用拖拉机使用的是柴油机，其结构原理如图，关于其四冲程柴油机的描述正确的是（　　） A．吸气冲程中吸入汽缸的只有空气 B．压缩冲程中机械能转化为柴油和空气混合物的内能 C．做功冲程是依靠飞轮的惯性完成的 D．排气冲程中，废气带走的能量最少 A 提升训练 【解析】 A．柴油机在吸气冲程中，进气门开启，排气门关闭，活塞 向下运动，吸入气缸的是空气，故A正确； B．在柴油机的压缩冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内的空气，使空气的温度升高、内能增大。此过程中是将活塞的机械能转化为空气的内能，由于此时还没有喷入柴油，所以不存在柴油和空气混合物，故B错误； C．做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞向下运动，带动曲轴旋转对外做功，将内能转化为机械能的过程，不是依靠飞轮的惯性完成的。而吸气、压缩和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的，故C错误； D．因为燃料燃烧后产生的废气温度较高，含有大量的内能，这些内能随着废气的排出而损失掉。在柴油机的能量损失中，排气冲程中废气带走的能量是主要部分之一，故D错误。故选A。 提升训练 【解析】 A．汽油机汽缸顶部有一个火花塞，柴油机汽缸顶部是一个喷油嘴，故A正确，不符合题意； B．工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气，故B错误，符合题意； C．做功冲程将内能转化为机械能，故C正确，不符合题意； D．压缩冲程将机械能转化为内能，故D正确，不符合题意。所以选B. 4. 根据汽油机和柴油机的区别，下列说法错误的是（　　） A．汽油机气缸顶部有一个火花塞，柴油机气缸顶部是一个喷油嘴 B．汽油机吸入的是空气，柴油机吸入的是空气和柴油的混合物 C．做功冲程是内能转化为机械能 D．压缩冲程是机械能转化为内能 B 提升训练 【解析】图中两气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能。用水来冷却汽缸，是利用了水的比热容大的特点，相同条件下水吸收的热量多，冷却效果好。 飞轮转速是2400r/min=40r/s表示每秒飞轮转动40圈，而飞轮每转动2圈，燃气对外做功1次，对应4个冲程。所以1s内对外做功20次，完成80个冲程。 5. 内燃机一个工作循环有四个冲程，题图表示的是其中的______冲程。为了不让汽油机在工作时温度升得太高，在设计制造时，汽缸外有一个水套，让汽缸被小包围着，用水来冷却汽缸是因为水的______较大。某小型单缸四冲程汽油机飞轮的转速为2400r/min，该汽油机一秒钟总共可以完成______个冲程。 做功 比热容 80 提升训练 6．国产油电混合动力汽车。 （1）汽油机是热机的一种，如图所示是四冲程汽油机工作状态示意图，此时它正处在______冲程。该冲程将内能转化为______能； （2）汽油机的飞轮转速为2400r/min，则在1s内，汽油机完成______个冲程，对外做功的次数是______次； （3）该汽车在高速公路上以108km/h的速度 匀速行驶了1min，发动机的功率始终保持72kW 不变，该过程中发动机做的功为__________J， 发动机牵引力的大小为______ N。 4.32×106 机械 80 20 2400 做功 提升训练 【解析】（1）从图中可以看出，两气门关闭，火花塞点火和活塞向下移动的特点，可以判断这个冲程是做功冲程，将内能转化为了机械能。 （2）汽油机飞轮的转速为 2400r/min=40r/s 即飞轮在1s内转40圈，由于飞轮转动两圈，完成一个工作循环，四个冲程，对外做功一次，所以1s内该汽油机完成80个冲程，对外做功20次。 （3）发动机所做的功W=Pt=72×103 W×60s=4.32×106J 汽车的速度v=108km/h=30m/s 根据P=W/t=Fs/t=Fv得，发动机牵引力的大小为 Lavf58.45.100 $$