第四节 热机（教学设计）物理鲁科版（五四学制）2024九年级上册

第4节 热机（教学设计） 【教学目标】 1.知道热机的概念了解热机的工作原理，体会内能的利用对人类发展的重要作用。 2.了解汽油机和柴油机的构造及工作过程。 3.从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。 4.能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。 【教材分析】 热机在生活中运用十分广泛，但学生儿乎接触不到，所以理解起米较为抽象。课本中就是通过酒精灯加热试管中的水，塞子被冲出的演示小实验来引出热机及其原理和热机的分类。然后告诉学生什么是汽油机，什么是柴油机，引导学生学习它们的工作特点和区别与联系。通过思考讨论，引入热值，通过热机能量走向图引入热机效率。 【学情分析】 本节内容是在学生刚认识内能的基础上，引入内能的利用，热机是学生在内能的利用学习中认识的第一个知识点。学生对热机的认识限于生活常识，但热机原理小实验是学生认识热机的基础，学生需要理解实验过程中能量的转化以及发生的物态变化，因此热机原理小实验是学生必须要掌握的。采用学生自学加小组讨论合作学习的学习方法。了解热机的分类，知道什么是内燃机，学习内燃机里常见的汽油机和柴油机两种机型。通过学习汽油机和柴油机，学生应掌握两者的区别与联系。通过思考讨论，引入热值，通过热机能量走向图引入热机效率。教师先要作好引导，然后有步骤的安排学生去理解并从中发现存在的问题以及常见问题的处理方法。让学生做到心中有数，处事不惊。 【教学重难点】 学习重点：了解四冲程汽油机的基本工作原理和热机效率。 学习难点：柴油机和汽油机的异同以及对热机效率的理解。 【器材准备】 和《热机》相关的视频、挂图、课件、器材等。 【教学过程】 一、导入新课： 想一想 18 世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快的汽车的速度已经超过了声速（图12-4-1）。 汽车是如何获得机械能的呢？ 下面我们将学习相关内容。 二、新课讲授： 【学习任务一】热机的工作原理 1. 观察与实验：不同形式能量之间的转化 ： 【实验方法】 在一个试管中装一些水，用橡胶塞塞紧；然后对试管加热使水沸腾，观察现象。 【实验现象】 瓶塞被冲出来；管口附近出现“白雾”。 【分析论证】 酒精燃烧放出热量，酒精的化学能转化为水和水蒸气的机械能； 水蒸气对瓶塞做功，内能转化为瓶塞的机械能。 【实验结论】 利用内能可以做功。 2. 热机 （1）热机：是把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置。 热机的能量转化：燃料的化学能（燃烧）→内能（做功）→机械能。 （2）热机种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 【学习任务二】内燃机 1. 内燃机 （1）定义：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。 （2）分类：常见的内燃机有汽油机和柴油机两类。 2. 汽油机 （1）定义：燃烧汽油的内燃机。 （2）结构：主要由气缸、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、曲轴连杆、飞轮和火花塞组成。 （3）冲程：活塞在气缸内做一次单向运动叫做一个冲程)。 （4）工作过程：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。 ①吸气冲程 旋转的飞轮通过曲轴连杆带动活塞，使活塞从气缸上部向下运动，进气阀开启，空气和汽油的混合气体通过进气道进入缸内。 ②压缩冲程 两个气阀关闭，活塞在飞轮带动下，从气缸下部向上运动，缸内混合气体被压缩，机械能转化为内能，因此，内能增加、温度升高、压强增大。 ③做功冲程 压缩冲程结束后做功冲程开始时，气缸顶部的火花塞发出电火花，缸内气体爆发性燃烧，高温高压气体迅速膨胀，使活塞向下运动，内能转化为机械能。 ④排气冲程 飞轮因为惯性继续转动使活塞上升，排气阀打开，将燃烧后的废气排出缸外。 3. 柴油机 （1）定义：燃烧柴油的内燃机。 （2）结构：它与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 （3）柴油机与汽油机的异同： 【学习任务二】热机效率 1. 思考与讨论： 燃料的种类有很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、柴油等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料燃烧时，放出的热量是否相同？请找出事实来支持你的观点，并进行分析。 2. 燃料的热值： 燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。从原始人类学会用火起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃烧燃料获得的。 （1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 （2）单位：焦/千克，符号为 J/kg（固体和液体燃料） 焦/立方米，符号为 J/m3（气体燃料） （3）意义：热值表示燃料的燃烧特性、化学能转化为内能的本领大小。热值大，说明相同质量（或体积）的这种燃料完全燃烧时放出的热量多，即化学能转化成的内能多。 （4）影响因素：热值与燃料的种类有关，同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 （5）常见燃料的热值表： （6）公式： Q放=qm（固、液体燃料） Q放=qV（气体燃料） q 表示燃料的热值，单位：焦/千克或焦/米3） m表示燃料的质量，单位是千克（kg） V 表示气体燃料的体积，单位是米3（m3） Q 表示燃料放出的热量，单位是焦（J） 3. 热机效率： 热机的能量流向图：热机工作时，并不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。 真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。 3. 热机效率： （1）定义：热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。 （2）公式： η =Q有用/Q放×100% 或η =W有用/Q放×100% 其中W有用表示对外做的有用功，Q放表示燃料完全燃烧所释放的能量。 （3）物理意义： 热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。 （4）提高热机效率的主要途径： ①减少燃烧过程中的热量损失。 ②尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料减小摩擦，以减少能量损失。 ③设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。 （5）常见热机的效率： 各种热机的效率是不同的。如推动世界上第一次工业革命的蒸汽机，其效率只有 6%～15%，汽油机的效率为 20%～30%，柴油机的效率为 30%～40%，而喷气式飞机上的发动机的效率能达到50%～60%。 三、课堂练习： 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 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。 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 4. 关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，其热值等于零 B．燃料的热值与其质量和燃烧状态无关 C．燃料完全燃烧时，它的热值最大 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 5．把质量和温度都相等的铜球和铁球放进沸水中加热一段时间，比较这一过程中它们吸收的热量（　　） A．铜球吸收的热量较多 B．铁球吸收的热量较多 C．铜球和铁球吸收的热量一样多 D．条件不足，无法判定 6． 中国南海海底探明有大量的“可燃冰”，同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的________很大，以10倍的关系粗略计算，1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量为_________J，水的比热容c＝4.2×103J/（kg•℃），意义是_______。（煤气的热值q煤气＝4.2×107J/kg） 7． 下列关于热机效率的说法中正确的是（　　） A．热机的功率越大，效率越高 B．热机所用燃料的热值越大，效率越高 C．减少燃烧过程中的热量损失可以提高热机效率 D．通过技术改进，热机效率可达100% 8.用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少? （4）分析热效率不高的两种原因。 【课堂小结】 引导学生学列本节课的思维导图： 【板书设计】 见上面思维导图 【作业布置】 教材P48第1-5小题。 【教学反思】 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的地方有哪些？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第4节 热机（教学设计） 【教学目标】 1.知道热机的概念了解热机的工作原理，体会内能的利用对人类发展的重要作用。 2.了解汽油机和柴油机的构造及工作过程。 3.从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。 4.能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。 【教材分析】 热机在生活中运用十分广泛，但学生儿乎接触不到，所以理解起米较为抽象。课本中就是通过酒精灯加热试管中的水，塞子被冲出的演示小实验来引出热机及其原理和热机的分类。然后告诉学生什么是汽油机，什么是柴油机，引导学生学习它们的工作特点和区别与联系。通过思考讨论，引入热值，通过热机能量走向图引入热机效率。 【学情分析】 本节内容是在学生刚认识内能的基础上，引入内能的利用，热机是学生在内能的利用学习中认识的第一个知识点。学生对热机的认识限于生活常识，但热机原理小实验是学生认识热机的基础，学生需要理解实验过程中能量的转化以及发生的物态变化，因此热机原理小实验是学生必须要掌握的。采用学生自学加小组讨论合作学习的学习方法。了解热机的分类，知道什么是内燃机，学习内燃机里常见的汽油机和柴油机两种机型。通过学习汽油机和柴油机，学生应掌握两者的区别与联系。通过思考讨论，引入热值，通过热机能量走向图引入热机效率。教师先要作好引导，然后有步骤的安排学生去理解并从中发现存在的问题以及常见问题的处理方法。让学生做到心中有数，处事不惊。 【教学重难点】 学习重点：了解四冲程汽油机的基本工作原理和热机效率。 学习难点：柴油机和汽油机的异同以及对热机效率的理解。 【器材准备】 和《热机》相关的视频、挂图、课件、器材等。 【教学过程】 一、导入新课： 想一想 18 世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快的汽车的速度已经超过了声速（图12-4-1）。 汽车是如何获得机械能的呢？ 下面我们将学习相关内容。 二、新课讲授： 【学习任务一】热机的工作原理 1. 观察与实验：不同形式能量之间的转化 ： 【实验方法】 在一个试管中装一些水，用橡胶塞塞紧；然后对试管加热使水沸腾，观察现象。 【实验现象】 瓶塞被冲出来；管口附近出现“白雾”。 【分析论证】 酒精燃烧放出热量，酒精的化学能转化为水和水蒸气的机械能； 水蒸气对瓶塞做功，内能转化为瓶塞的机械能。 【实验结论】 利用内能可以做功。 2. 热机 （1）热机：是把燃料燃烧时释放的内能转变为机械能的装置。 热机的能量转化：燃料的化学能（燃烧）→内能（做功）→机械能。 （2）热机种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 【学习任务二】内燃机 1. 内燃机 （1）定义：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。 （2）分类：常见的内燃机有汽油机和柴油机两类。 2. 汽油机 （1）定义：燃烧汽油的内燃机。 （2）结构：主要由气缸、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、曲轴连杆、飞轮和火花塞组成。 （3）冲程：活塞在气缸内做一次单向运动叫做一个冲程)。 （4）工作过程：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。 ①吸气冲程 旋转的飞轮通过曲轴连杆带动活塞，使活塞从气缸上部向下运动，进气阀开启，空气和汽油的混合气体通过进气道进入缸内。 ②压缩冲程 两个气阀关闭，活塞在飞轮带动下，从气缸下部向上运动，缸内混合气体被压缩，机械能转化为内能，因此，内能增加、温度升高、压强增大。 ③做功冲程 压缩冲程结束后做功冲程开始时，气缸顶部的火花塞发出电火花，缸内气体爆发性燃烧，高温高压气体迅速膨胀，使活塞向下运动，内能转化为机械能。 ④排气冲程 飞轮因为惯性继续转动使活塞上升，排气阀打开，将燃烧后的废气排出缸外。 3. 柴油机 （1）定义：燃烧柴油的内燃机。 （2）结构：它与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 （3）柴油机与汽油机的异同： 【学习任务二】热机效率 1. 思考与讨论： 燃料的种类有很多，固体燃料有木柴、煤等，液体燃料有汽油、柴油等，气体燃料有煤气、天然气等。根据你的经验，相同质量的不同燃料燃烧时，放出的热量是否相同？请找出事实来支持你的观点，并进行分析。 2. 燃料的热值： 燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。从原始人类学会用火起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃烧燃料获得的。 （1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 （2）单位：焦/千克，符号为 J/kg（固体和液体燃料） 焦/立方米，符号为 J/m3（气体燃料） （3）意义：热值表示燃料的燃烧特性、化学能转化为内能的本领大小。热值大，说明相同质量（或体积）的这种燃料完全燃烧时放出的热量多，即化学能转化成的内能多。 （4）影响因素：热值与燃料的种类有关，同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 （5）常见燃料的热值表： （6）公式： Q放=qm（固、液体燃料） Q放=qV（气体燃料） q 表示燃料的热值，单位：焦/千克或焦/米3） m表示燃料的质量，单位是千克（kg） V 表示气体燃料的体积，单位是米3（m3） Q 表示燃料放出的热量，单位是焦（J） 3. 热机效率： 热机的能量流向图：热机工作时，并不能将燃料所蕴藏的化学能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。 真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。 3. 热机效率： （1）定义：热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。 （2）公式： η =Q有用/Q放×100% 或η =W有用/Q放×100% 其中W有用表示对外做的有用功，Q放表示燃料完全燃烧所释放的能量。 （3）物理意义： 热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。 （4）提高热机效率的主要途径： ①减少燃烧过程中的热量损失。 ②尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料减小摩擦，以减少能量损失。 ③设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。 （5）常见热机的效率： 各种热机的效率是不同的。如推动世界上第一次工业革命的蒸汽机，其效率只有 6%～15%，汽油机的效率为 20%～30%，柴油机的效率为 30%～40%，而喷气式飞机上的发动机的效率能达到50%～60%。 三、课堂练习： 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 【答案】D. 【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。所以选D. 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。 【答案】压缩，增加，机械，内。 【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。 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 【答案】A. 【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. 4. 关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（　　） A．没有燃烧的燃料，其热值等于零 B．燃料的热值与其质量和燃烧状态无关 C．燃料完全燃烧时，它的热值最大 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 【答案】B。 【解析】ABC. 1kg某种燃料完全燃烧放出的能量，叫做这种燃料的热值，热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故AC错误，B正确； D.由Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量与热值和质量有关，与温度无关，D错误。 所以选B. 5．把质量和温度都相等的铜球和铁球放进沸水中加热一段时间，比较这一过程中它们吸收的热量（　　） A．铜球吸收的热量较多 B．铁球吸收的热量较多 C．铜球和铁球吸收的热量一样多 D．条件不足，无法判定 【答案】B 【解析】因为铁的比热容比铜的比热容大，在铁球和铜球的温度变化和质量都相同时，由热量的公式Q吸=cm（t−t0）可以知道，吸收热量与比热容成正比，所以铁球的吸收热量多，故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。 6． 中国南海海底探明有大量的“可燃冰”，同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的________很大，以10倍的关系粗略计算，1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量为_________J，水的比热容c＝4.2×103J/（kg•℃），意义是_______。（煤气的热值q煤气＝4.2×107J/kg） 【答案】热值；4.2×108；1kg的水升高（或降低）1℃吸收（或放出）的热量为4.2×103J。 【解析】在同等条件下，包含质量相同，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的热值很大。 1kg煤气完全燃烧放出的热量Q=mq=1kg×4.2×107J/kg=4.2×107J 1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量Q放= 10Q=4.2×108J 7． 下列关于热机效率的说法中正确的是（　　） A．热机的功率越大，效率越高 B．热机所用燃料的热值越大，效率越高 C．减少燃烧过程中的热量损失可以提高热机效率 D．通过技术改进，热机效率可达100% 【答案】C. 【解析】A．热机效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，热机做功越快，表示热机的功率越大，与效率无关，故A错误； B．用热值大的燃料，燃烧相同燃料可以放出更多的热量，但用来做有用功的能量不一定多，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值不一定大，热机效率不一定高，故B错误； C．使燃料充分燃烧、减少废气带走的热量、减少热机部件间的摩擦都可以减少热量的损失，提高效率，故C正确； D．热机在工作过程中不可避免地存在能量的损失，所以热机效率永远要小于100%，故D错误。所以选C。 8.用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少? （4）分析热效率不高的两种原因。 【答案】（1）3.36×106J；（2）4.2×107J；（3）8%；（4）见解析。 【解析】（1）Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg・℃）×10kg×（100-20）℃=3.36×106J （2）Q放＝mq＝1.4kg×3×107J/kg＝4.2×107J （3）η=== 8% （4）热效率不高的原因有：烟煤没有完全燃烧，热传递的过程中有热量损失等。 【课堂小结】 引导学生学列本节课的思维导图： 【板书设计】 见上面思维导图 【作业布置】 教材P48第1-5小题。 【教学反思】 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的地方有哪些？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$