第2节 热机（培优教学课件）物理人教版2024九年级全一册

第十四章 内能的利用 九年级全一册•人教版 火能驱散寒冷和黑暗，带来温暖和光明。摩擦生火第一次使人支配了一种自然力量，而蒸汽机的发明则给人类带来了巨大的动力。 将内能转化为机械能的各种热机广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机和火箭上。热机是怎样将内能转化成我们需要的能量的？学习完这一章，你就会清楚了。 第2节 热机 18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快汽车的速度已经超过了声速。 汽车是如何获得机械能的呢? 超声速汽车 导入新课 学习目标 物理观念 知道热机的概念，初步了解热机的工作原理；知道内燃机是热机的一种；了解四冲程内燃机的构造及工作过程。 科学思维 知道内燃机各冲程的工作状态和能量转化；体会内能的利用对人类发展的重要作用。 科学探究 通过演示实验了解可以利用内能做功；通过实物模型结合课堂活动，自主探究学习理解四冲程内燃机的基本结构和原理。 科学态度 与责任 通过演示实验培养学生观察和分析问题的能力；通过阅读“科学世界——现代汽车”扩展学生的知识面。 重点难点 教学重点 了解四冲程汽油机的基本工作原理。 教学难点 了解四冲程汽油机的基本工作原理。 1. 热机 2. 汽油机 3. 柴油机 4. 课堂总结 5. 练习与应用 6. 提升训练 学习内容 一、热机 第2节 热机 一、热机 1. 实验探究：不同形式能量之间的转化 【演示实验】在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察现象。讨论这个过程中不同形式能量之间转化的情况。 【实验现象】 ①瓶塞被冲出来； ②管口附近出现“白雾”。 一、热机 【实验分析】实验中的能量转化过程为： ① 酒精燃烧放出热量，酒精的______能转化为水的____能； ②水吸热沸腾，产生大量水蒸气，水蒸气膨胀对瓶塞做功，水蒸气的_______能转化为塞子的_______能。 【实验结论】利用内能可以做功。 这个实验虽然简单，却基本展示了 蒸汽机的工作原理。 化学 内 内 机械 汽轮机 蒸气机 喷气发动机 一、热机 2. 热机 （1）热机：各种利用内能做功的机械叫作热机。 （2）工作原理：利用内能做功，将内能转化为机械能。 （3）种类：蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 一、热机 （4）常见的热机——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，叫作内燃机。 ②内燃机分类：汽油机和柴油机。 世界上第一辆以汽油为动力的车开始只有三个轮子，这就是德国人卡尔•本茨于1885年制造出的“奔驰一号”。 柴油机 汽油机 一、热机 【例题1】如图所示实验，在橡胶塞受到水蒸气的压力而冲出的过程中，以下说法正确的是（　　） A．试管口出现的“白雾”是气体 B．水蒸气对外做功，内能增加 C．水蒸气对外做功，温度升高 D．这个实验基本展示了蒸汽机的工作原理 【解析】A．试管口出现的“白雾”是小液滴，即水蒸气遇冷液化而成的小液滴，故A错误；BC．水蒸气对外做功，内能转化为机械能，内能减小，温度降低，故BC错误；D．蒸汽机的工作原理，是把内能转化为机械能.试管内水蒸气的内能可以转化为塞子的机械能，与做功冲程相同，故该实验基本展示了蒸汽机的工作原理，故D正确。 D 二、汽油机 第2节 热机 二、汽油机 1. 工作原理 利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。 2. 汽油机的构造 由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。 气缸 活 塞 连 杆 排气门 曲 轴 火花塞 进气门 二、汽油机 3. 工作过程 （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、汽油机 （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、汽油机 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、汽油机 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、汽油机 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、汽油机 视频演示——《汽油机的工作过程》 二、汽油机 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、汽油机 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、汽油机 【例题2】内燃机有四个工作冲程，如图所示是内燃机的_______冲程，活塞上升时，汽缸内气体的内能______（选填“减少”或“增加”），_______能转化为________能。 【解析】从图中可以看出进气门和排气门都是关闭的，活塞向上运动，所以是压缩冲程。压缩冲程活塞向上运动，压缩气体，使气体的体积减小、温度升高、机械能转化为内能。 压缩 增加 机械 内 二、汽油机 【例题3】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 三、柴油机 第2节 热机 三、柴油机 喷油嘴 1. 柴油机的工作原理 利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。 2. 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。 三、柴油机 3. 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。 三、柴油机 4. 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. 三、柴油机 【例题4】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 三、柴油机 【例题5】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 三、柴油机 【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 汽车的动力系统 汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分。 1. 燃油汽车的主要构造与原理 汽车由发动机、底盘、车身和电器设备四大部分组成。发动机把燃料燃烧产生的内能变为机械能，再通过底盘上的传动机构，将动力传给车轮，使汽车行驶。 科学世界——现代汽车 汽车电器设备的作用主要是产生电火花以点燃汽缸中的可燃气体、启动发动机时用电机带动飞轮旋转、提供照明等。 2. 多缸发动机 现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机（图为四缸发动机），每个汽缸都进行这种四冲程循环。由于各个汽缸交替做功，所以发动机转动比较平稳。 科学世界——现代汽车 汽车四缸发动机示意图 3. 电子燃油喷射系统 随着电子技术的发展，许多汽车已经采用了电子燃油喷射系统。微电脑可以根据内燃机的工作状态和空气的温度等多种因素精确控制喷油的数量和时机，提高燃烧效率。采用电子燃油喷射系统的发动机与过去的发动机相比，可以减少有害气体的排放，降低燃料的消耗，同时提高发动机的功率。 电子技术的应用，使燃油汽车有了更广阔的发展空间。此外，利用电能、氢能等的各种新能源汽车也在快速发展。未来的汽车将更加节能、安全，对环境的影响会更小。 科学世界——现代汽车 四、课堂总结 第2节 热机 四、课堂总结 ①把内能转化为机械能的机器叫热机。常见热机有： 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等. ②工作原理：利用内能做功，将内能转化为机械能. 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汽油机与柴油机的区别： 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 五、练习与应用 第2节 热机 五、练习与应用 【解析】点燃底部的蜡烛，上升的热空气驱动扇叶转动，带动纸片小人转动，此过程将内能转化为机械能。汽油机中的做功冲程冲程中将内能转化为机械能，故此过程中的能量转化与四冲程汽油机的做功冲程相同。 1. 图展示的是我国传统的走马灯。点燃底部的蜡烛，上升的热空气驱动扇叶转动，带动纸片小人转动。在这一过程中，不同形式的能量是如何转化的?这一能量转化过程与四冲程汽油机的哪个冲程相似? 五、练习与应用 【解析】 除了飞机、汽车、摩托车外，还有轮船、拖拉机、收割机、推土机、压路机、坦克等都使用了热机，这些热机都是内燃机。 火车可分为电力机车、内燃机车和蒸汽机车，其中内燃机车使用的是内燃机。 2. 除了飞机、汽车、摩托车，你还知道哪些地方用到了热机？你列举的这些热机中哪些是内燃机？ 五、练习与应用 3. 在图中，图甲为四冲程内燃机吸气冲程的示意图，图中画出了吸气冲程中活塞、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。请在图乙、丙、丁中，分别画出压缩、做功、排气冲程中活塞、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。 答案： 五、练习与应用 【解析】 （1）做功冲程中，燃料燃烧，化学能转化为内能。 （2）做功冲程中，内能转化为机械能。 （3）压缩冲程中，机械能转化为内能。 4. 从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中： （1）哪个冲程存在着化学能转化为内能的过程？ （2）哪个冲程存在着内能转化为机械能的过程? （3）哪个冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程？ 五、练习与应用 【解析】由转速表可知，该汽油机发动机的转速为750周/min。 飞轮每转两圈对外做功一次，所以飞轮1min转动750周，1min要对外做功375次；做功1次，需要4个冲程，所以每分钟完成做功冲程的次数为1500个。 5. 某同学看到爸爸启动汽车时，转速表如图所示。转速表中的示数反映了发动机曲轴每分钟的转动次数。如果汽车用的是四冲程汽油机，请根据图中信息计算此时发动机一个气缸每分钟完成做功冲程的次数。 五、练习与应用 6. 柴油机和汽油机的工作过程有什么相同点，有什么不同点？ 工作过程 异同点 汽油机 柴油机 吸气冲程 不同点 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 燃料 相同点 进气门打开，排气门关闭. 柴油 压缩冲程 不同点 汽油与空气的混合物被压缩，燃气体积小，压强大，温度高. 空气被压缩的更厉害，空气体积更小，压强更大，温度更高. 压缩冲程 相同点 两个气门都关闭，机械能转化为内能 压缩程度大，机械能转化为内能 做功冲程 不同点 火花塞产生电火花. 使燃料燃烧，点燃式. 喷油嘴喷出雾状柴油， 遇热空气燃烧，压燃式. 相同点 内能转化为机械能 笨重、效率高，用于载重 汽车、轮船、坦克等。 排气冲程 不同点 进气门关闭，排气门打开排出废气. 六、提升训练 第2节 热机 六、提升训练 【解析】A．加热水的过程中，热量从火焰转移到水，通过热传递的方式，使水的内能增加，故A错误； BC．蒸气把软木塞顶跑的过程，水蒸气的内能转化为软木塞的机械能，在汽油机的做功冲程中，内能转化为机械能，故B正确，C错误； D．水蒸气把软木塞向上冲起时，水蒸气的内能减少，温度降低，液化为小水滴，在试管口形成“白雾”，故D错误。 故选B。 1. 如图所示，用酒精灯对试管加热，等水沸腾后，可以看到蒸汽把软木塞顶跑。下列说法正确的是（　　） A．用酒精灯加热试管，水内能的增加是通过做功的方式实现的 B．蒸气把软木塞顶跑的过程，实现了内能向机械能的转化 C．蒸气把软木塞顶跑的过程，相当于汽油机的排气冲程 D．试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气 B 六、提升训练 【解析】如图，进气门和排气门都是关闭的，火花塞放电，活塞下行，可以判断是做功冲程，做功冲程中内能转化为机械能。 热机完成一个工作循环，要经过4个冲程，燃气对外做功1次，活塞往返2次，飞轮转动2周，若该汽油机每秒完成40个冲程，则每秒它对外做功10次，飞轮转动20周。 2. 如图所示，工作中的四冲程汽油机正处于________冲程，该冲程将________能转化为机械能，若该汽油机每秒完成40个冲程，则每秒它对外做功_______次。 做功 内 10 六、提升训练 【解析】 （1）由图可知，内燃机的顶端是喷油嘴，所以该内燃机是柴油机。 （2）图中的气门闭合、活塞上行，所以是压缩冲程； （3）压缩冲程活塞对缸内气体做功，是机械能转化为内能的冲程。 （4）曲轴转一圈可以完成2个冲程，故完成一个压缩冲程时曲轴转动半圈。 3. 如图是某种内燃机某一冲程的示意图，由图可知： （1）这种内燃机是______机； （2）它表示的是______冲程； （3）在这个冲程中______能转化为______能； （4）完成这一冲程，曲轴和飞轮转______转。 柴油 内 压缩 机械 半 六、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。 4. 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 六、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. 5. 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 六、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 【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 六、提升训练 $$