四、机械能与内能的相互转化（教学课件）物理苏科版2024九年级上册

苏科版 九年级上册 第十二章 机械能和内能 四、机械能与内能的相互转化 01 02 03 04 05 CONTENTS 热机 汽油机的工作原理 燃料的热值 学习目标 1. 熟悉机械能与内能是可以相互转化的，并能举例说明； 2. 了解热机的概念；内燃机的分类（按照所使用燃料的不同）； 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. 比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量； 6. 热值的概念、表示、单位及其公式； 7. 热值的有关计算及其应用 重点难点 教学重点： 1.机械能与内能是可以相互转化的； 2.汽油机的工作四个冲程的特点； 3.热值及其计算、应用。 1.汽油机工作的特点、应用、及求有关参数； 2.实验探究：比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量； 3.热值、比热容的综合应用。 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，为汽车提供强劲的动力。这个动力从何而来？ 情景引入 PART ONE 热机 如图所示，小朋友从滑梯滑下，会感到臀部发烫；将试管中的水加热至沸腾后，橡胶塞受到水蒸气的压力而冲出去。 探究新知 机械能与内能可以相互转化 (a) 滑滑梯时臀部会发烫 (b) 橡胶寨被冲出 机械能和内能的相互转化 内能 机械能 转化 内能 机械能 转化 这些现象说明机械能与内能是可以相互转化的。 7 机械能 内能 转化 转化 在前面的学习中，我们通过活动12.6，①反复弯折铁丝，②压缩空气引燃硝化纸，来探究机械能转化为内能的过程。 结 论 思 考 生活中有哪些内能转化为机械能的例子；或哪些机械利用了内能转化为机械能。 活动12.7 观察点火爆炸现象 如图12-29所示，在透明塑料盒的底部钻一个孔，将电子点火器的放电管紧紧塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴入几滴酒精，再将盒盖盖紧， 按动电子点火器的按钮。 你观察到什么现象? 图12-29 点火爆炸 注意安全，千万不要将盖子对着自己或他人。 在上述活动中，酒精燃烧产生的燃气对外做功，燃气的内能转化为机械能。根据这一原理，可以制造出将内能转化为机械能的机器。 酒精开始燃烧，稍后，塑料盒盖飞出。 热机 飞机 火箭 热机：热机是热力发动机的简称，它是将燃料燃烧产生的高温、高压燃气的内能转化为机械能的装置。 汽车 船舶 蒸汽机 内燃机是最常见的一种热机，按照所使用燃料的不同，内燃机可分为汽油机、柴油机和天然气发动机等。 内燃机 例如，汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。 现以汽油机为例，介绍内燃机的工作过程； 如右图所示，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。 汽油机结构示意图 PART TWO 汽油机的工作原理 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，燃料和空气的混合气体被吸入汽缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合气体被压缩，温度升高，机械能转化为内能。 当活塞到达汽缸顶端时，火花塞打火，使混合气体猛烈燃烧，产生高温、高压的燃气，推动活塞向下运动，内能转化为机械能。 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将废气排出汽缸。 汽油机的一个工作循环分为如图所示的四个冲程示意图。 汽油机工作时，活塞在汽缸里做往复运动。活塞从汽缸的一端运动到 另一端的过程，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。 以下分三步学习汽油机的四个冲程工作特点： 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。 图12-29 点火爆炸 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。 机械能 内能 转化 内能 机械能 转化 图12-28 空气压缩引火仪 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。 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，燃料和空气的混合气体被吸入汽缸。 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合气体被压缩，温度升高，机械能转化为内能。 当活塞到达汽缸顶端时，火花塞打火，使混合气体猛烈燃烧，产生高温、高压的燃气，推动活塞向下运动，内能转化为机械能。 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将废气排出汽缸。 教材汽油机工作示意图 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 汽油机比较轻巧，常用在汽车、小型飞机和小型农业机械(如插秧机、 机动喷雾器)上。在汽缸容积、转速相等的情况下，柴油机的功率较大， 热效率较高，因此被广泛应用于载重汽车、拖拉机、坦克和轮船上。 汽油机与柴油机的应用 小型飞机 小型农业机械 汽油机 载重汽车 坦克 轮船 柴油机 生活•物理•社会 热机的发展历程 17世纪末，第一台带活塞的蒸汽机由法国物理学家、发明家巴本 制成。经瓦特等人的改进，蒸汽机 (图12-32)在工业生产上得到了广 泛应用，人类从此进入了工业时代。 但是，当时的蒸汽机在使用中能量损失大，效率只有5%～8%。 为了进一步提高热机效率，人们设法让燃料在汽缸内燃烧，用燃烧产生的气体直接推动活塞做功，这就是内燃机。今天的燃油汽车、拖拉机、坦克等，都使用了内燃机。 图12-32 瓦特改良的蒸汽机 随着航空航天事业的发展，人们迫切需要大功率的发动机以提高飞行器的飞行速度，因此涡轮喷气发动机(图12-33)应运而生。涡轮喷气发动机使压缩后的混合气体在燃烧室内燃烧，燃烧后剧烈膨胀的气体从尾部高速喷出，其巨大的反冲推力直接成为飞机的推进力。 火箭发动机的工作原理与涡轮喷气发动机十分相似。主要的差 别是，火箭自带燃料和氧化剂，可在大气层之外工作；涡轮喷气发动机只携带燃料，利用空气做氧化剂，因此只能在大气层内工作 。 图12-33 涡轮喷气发动机结构示意 我国在火箭发动机的研制方面， 固体火箭发动机和液体火箭发动机(图 12-34)齐头并进，现已居世界前列。 2021年10月19日，我国研制的直径为3.5m 的500 t级整体式固体火箭发 动机试车成功，这是目前世界上推力最大的固体火箭发动机。2022年11月 5日，我国自主研制的500 t 级液体火箭发动机首次整机试车成功。这些成果标志着我国火箭发动机的研制水平大幅提升，将有力推动中国航天梦的加速实现。 图12-34 液体火箭发动机结构示意 PART THREE 燃料的热值 为什么有的汽车用汽油，有的汽车用柴油，还有的汽车用天然气? 也许是由于相等质量的不同燃料燃烧时，产生的热量不同。 活动12.8 比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量 做一做 取质量相等的酒精和面巾纸碎片各5g, 分别放入两个燃烧皿中，点燃后对装有相等质量的水 ( 约30g) 的试管加热(图 12-35),使酒精和面巾纸碎片充分燃烧。记录加热前后两支温度计的示数。 图12-35 不同燃料的燃烧 燃料 加热前的 水温/℃ 燃料燃尽后的水温/℃ 水温的变化/℃ 酒精       面巾纸碎片     想一想 质量相等的酒精和面巾纸碎片充分燃烧后，试管中水温的变化一样吗? 这说明了什么? 实验表明，质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是不相等的。 结论 不一样；说明了它们所放出的热量不相等。 小明利用如右图装置，完成以下实验：比较质量相等的不同燃料燃烧放出的热量。实验中液体a温度随时间的变化如表格所示（见下页）。 为了进一步探究质量相等的不同燃料燃烧放出的热量特点，我们进行如下实验： 实验 注：甲、乙中液体a的质量相等。 0min/℃ 5min/℃ 10min/℃ 15min/℃ 燃料1 20  45   70 /(燃料燃尽) 燃料2 20   30 40 50 燃料 液体a的温度 将实数表格中的数据描绘如右图所示； 且为了方便数据分析，我们将上页的表格数据复制粘贴至如左图所示。 思考 质量相等的燃料1和燃料2完全燃烧放出的热量大小关系是什么；且二者的比值是多少？ Q燃料1＞Q燃料2 Q燃料1：Q燃料2=5：3 1.热值：燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。燃料的热值用q表示，单位是J/kg。 热值 Q放= mq 质量为m的燃料，完全燃烧放出的热量 q: 燃料的热值；单位：J/kg Q：燃料完全燃烧放出的热量；单位：J m: 燃料的质量；单位：kg 3.物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。 比值定义法 2.公式： 一些燃料的热值 1.与比热容相似，不同燃料的热值一般不同，其大小与燃料的种类有关，与燃料的质量（体积）、是否燃烧、是否完全燃烧无关； 2.氢气的热值最大：氢气热值1.43×108J/kg。 为什么发射火箭上天要用氢做燃料？ 因为氢的热值大，质量相等的不同燃料完全燃烧，氢释放的热量最多，故利用氢做燃料。 氢的热值大的应用 1.气体燃料的热值：对某些气体燃料完全燃烧放出的热量与其体积之比，叫做这种气体燃料的热值。 4.物理意义：热值在数值上等于在标准状况下1m3的燃料完全燃烧放出的热量。 2.公式： 3.气体燃料的单位：焦/米³，读作“焦每立方米”；符号：J/m3。 气体燃料的热值 例如，氢气的热值又可表示为1.28×10⁷J/m³, 它表示在标准状况下1m³ 氢气完全燃烧，放出的热量为1.28×10⁷J。 燃料的热值三点说明： ①热值与燃料的种类有关，反映了燃料燃烧放出热量的本领大小. ②只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小. ③热值是针对一定质量或体积的燃料而言的，如果同种燃料的质量或体积不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同. 34 1 ．热机的发明及广泛使用，对人类社会的发展起到了重要的作用，下列不属于热机应用的 ( ) A ．喷气式飞机 B ．柴油拖拉机 C ．纯电动汽车 D ．燃油摩托车 课堂练习 C 2 ．四冲程汽油机工作时，将内能转化为机械能的冲程是 ( ) A ．吸气冲程 B ．压缩冲程 C ．做功冲程 D ．排气冲程 C 3 ．关于 的理解，下列说法中正确的是 ( ) A ．热值与燃料完全燃烧放出的热量成正比 B ．若燃料燃烧不充分时，热值将减小 C ．当燃料未燃烧时，其热值为零 D ．某种燃料的热值大小与是否充分燃烧无关 D 4．酒精的热值是3.0 × 107J/kg ，表示的物理意义是 ；一瓶 500g 的酒精用掉一半，则剩下酒精的热值是 J/kg。 1kg的酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J 3.0×107 A ．火箭的燃料燃烧得越充分， 热值越大 B ．火箭“体内”的燃料选用液氢是因为液氢的质量大 C ．火箭“体内”的液氢燃料温度低至-253℃时， 内能为零 D ．火箭“体内”的液氢燃料在燃烧过程中，质量减少，热值不变 5 ．如图所示， 2024 年 4 月 25 日， 搭载着神舟十八号载人飞船的长征二号 F 遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。下列说法正确的是 ( ) D A ．燃气在喷出的过程中温度会降低 B ．燃气的内能转化为盒盖的机械能 C ．能量转化方式与汽油机的做功冲程相同 D ．酒精燃烧放出的热量一定是 6000J 6 ．电火花发生器点燃塑料盒内的酒精，酒精燃烧产生的燃气能将盒盖喷出很远。实验时在盒内滴入 2×10-4kg 的酒精（q酒精=3×107J/kg）。对于此实验过程，以下说法不正确的是 ( ) D 7. 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 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 8．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 A ．液体 a 的比热容是液体b 的两倍 B ．0 -t1 时间内甲、乙、丙烧杯中液体吸收的热量相等 C ．燃料燃尽时乙中液体 a 吸收的热量小于丙中液体 b 吸收的热量 D ．仅利用装置乙和丙进行实验可以比较燃料 2 和燃料 1 的热值大小 9 ．如图所示， 甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量、烧杯内液体质量及液体初温均相同。不考虑热量损失，燃料点燃直至燃尽，三装置烧杯中液体升高的温度随时间变化 的图像如图丁所示。以下判断正确的是 ( ) C 课堂小结 1．用比值法定义物理量是物理学中常用的方法，以下物理量不是用这种方法定义的是( ) A ．功率 B ．比热容 C ．热量 D ．热值 布置作业 C 2．图甲是四冲程汽油机工作过程中的 冲程，该过程的能量转化情况与图乙 （相同/不同）。若汽油机 1s 内对外做功 20 次，则其曲轴的转速为 r/min。 做功 相同 2400 A ．若 m 相同， Δt 越小，燃料的热值越大 B ．若 Δt相同，m 越大，燃料的热值越大 C. 若 的值越大，燃料的热值越小 D ．若 的值越大，燃料的热值越小 3．如图所示，用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的水进行加热，两图装置均相同。燃料的质量用 m 表示，燃料充分燃尽时水升高的温度用 Δt表示（水未沸腾）( ) C 感谢观看 THANK YOU FOR WATCHING $$