12.4 热机 课件-2025-2026学年北师大版（北京）物理九年级上学期

12.4 热机 第十二章 内能及其应用 北师课改版 9年级 超音速汽车属于汽车范畴的一种。地球上的超音速汽车代表有英国工程师研制出的一辆时速达到1000英里(1610 km),名为“寻血猎犬”的汽车。前IBM公司工程师萨德尔和波音公司工程师扎恩西领导的35人研究小组也推出了一款超级汽车“美洲之鹰”。 超音速汽车的速度为什么能够超过音速?是怎样获得机械能的? 新课导入 2 【视频欣赏】蒸汽机小故事 蒸汽机的发明更是给人类发展带来了巨大的飞跃。直到今天热机广泛应用于汽车、火车、轮船、飞机、火箭等。 新课导入 3 知识点一 热机 酒精枪——小小“内燃机” 气缸：针筒 燃料：酒精 燃料直接在气缸内燃烧产生动力——内燃机 【视频欣赏】 知识探索 4 知识点一 热机 1. 热机 ①热机：是将内能转化为机械能的机器。 ②工作原理：热机利用内能做功，将内能转化为机械能。 ⑤种类：蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 汽轮机 喷气发动机 蒸气机 知识探索 5 知识点一 热机 ④常见热机——内燃机 · 内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。 · 分类：汽油机和柴油机。 以汽油为燃料的叫汽油机 以柴油为燃料的叫柴油机 知识探索 6 知识点一 热机 　　世界上第一辆以汽油为动力的车，是德国人卡尔•本茨于1885年制造出的“奔驰一号”。 知识探索 7 知识点一 热机 2. 汽油机工作原理 　　利用汽油在汽缸内燃烧，生成高温高压的燃气（化学能转化为内能），燃气推动活塞做功（内能转化为机械能）。 知识探索 8 知识点一 热机 3. 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。 知识探索 9 知识点一 热机 4. 汽油机工作过程 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，叫做一个冲程。 ②多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气 四个冲程不断循环来保证连续工作。该四个冲程 称为发动机的一个工作循环。 知识探索 10 知识点一 热机 ③汽油机的工作过程分析 吸入气体： 。 曲轴转动： 圈。 吸气冲程 活塞运动方向： 。 汽油和空气的燃料混合物 阀门：进气阀 ； 　排气阀 。 打开 关闭 向下 半 知识探索 11 知识点一 热机 压缩冲程 吸入气体: 。 活塞运动方向： 。 汽油和空气的燃料混合物 阀门：进气阀 ；排气阀 。 关闭 向上 关闭 燃料混合物：压强 ； 温度 。 增大 升高 机械能 活塞对燃料混合物做功，燃料内能增大，温度升高。 转化 内能 曲轴转动： 圈。 半 知识探索 12 知识点一 热机 做功冲程 　在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花（点燃式），使燃料猛烈燃烧，产生_________________的燃气，推动活塞_________运动，并通过连杆带动曲轴转动，曲轴转动________圈。 高温高压 半 向下 机械能 转化 内能 知识探索 13 知识点一 热机 曲轴转动： 圈。 排气冲程 活塞运动方向： 。 阀门：进气阀 ； 　排气阀 。 关闭 打开 向上 半 知识探索 14 知识点一 热机 【视频欣赏】 知识探索 15 知识点一 热机 请判断图片属于哪个冲程，并排序？ 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 四个冲程只有 冲程燃气对外做功，其他三个冲程靠 转动。 做功 惯性 知识探索 16 知识点二 汽油机 ④汽油机四个冲程工作情况总结 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 知识探索 17 知识点一 热机 1. 在四个冲程中，哪些冲程发生能量的转化？ 2. 哪个冲程获得动力？ 单缸汽油机一个工作循环包括____个冲程，活塞往复运动____次，曲轴转动____周，对外做功____次。 思考归纳 压缩冲程： 做功冲程： 机械能转化为内能 内能转化为机械能 做功冲程 4 2 2 1 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。 知识探索 18 知识点一 热机 5. 柴油机工作原理 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。 6. 柴油机的构造 与汽油机大致相同，不同的是柴油机气缸顶部无火花塞而有喷油嘴。 排气门 喷油嘴 进气门 活塞 连杆 汽缸 曲轴 知识探索 19 知识点一 热机 7. 工作过程 柴油机的工作过程，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。 知识探索 20 知识点一 热机 进气门打开 排气门关闭 活塞向下运动 机械能转化为内能 内能转化为机械能 燃烧后的废气 只吸入空气 点燃方式压燃 进气门关闭 排气门关闭 活塞向上运动 进气门关闭 排气门关闭 活塞向下运动 进气门关闭 排气门打开 活塞向上运动 知识探索 21 知识点一 热机 【视频欣赏】柴油机的燃烧过程 知识探索 22 知识点一 热机 8. 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 相同点 一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，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. 知识探索 23 知识点一 热机 【内燃机的应用】 (1)汽油机的应用 (2)柴油机的应用 柴油比较便宜，但柴油机比较笨重，主要用在载重汽车、拖拉机、坦克上面。 汽油机比较轻巧，常用在汽车、飞机和小型农业机械上面。 知识探索 24 知识点二 热值 1. 燃料 ①燃料的种类： 固体燃料有木柴、煤炭等； 液体燃料有汽油、柴油、酒精灯； 气体燃料有煤气、天然气等。 用天然气燃烧炒菜 家用汽车用汽油做燃料 思考一下 你见过的燃料有哪些？ 知识探索 25 知识点二 热值 ②燃料燃烧时能量的转化： 燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。 战斗机发动机用航空煤油做燃料。燃料燃烧时产生的气流高速喷射，使飞机获得前进得强大动力。 火箭升空靠液态氢与液氧的燃烧获取内能 知识探索 26 知识点二 热值 【常见燃料】 木材 石油原油 煤炭 汽油、煤油、柴油、液化气 天然气 知识探索 27 知识点二 热值率 为什么发射火箭上天要用氢做燃料？ 氢（液氢） 为什么不用木材做燃料呢？ 相同质量的不同燃料完全燃烧放出的热量不同 知识探索 28 知识点二 热值 怎么比较不同燃料的放热本领呢？ 将同样一壶水从20℃加热到100℃ 木柴 煤炭 汽油 需要完全燃烧多少千克不同燃料？ 　　还可以如何比较不同燃料的放热本领？ 知识探索 29 知识点二 热值 【实验探究】比较不同物质放热能力 注意的问题： 1.应控制水的 和 相等； 两种燃料的质量（加热时间）相等。 2.通过观察燃料燃尽（相同时间内） 时 来判断燃料放热能力 的强弱，还需要的测量工具： 。 质量 初温 温度计示数变化 天平、秒表 知识探索 30 知识点二 热值 燃烧相同质量的酒精和干木柴，比较他们放出热量的多少？ 初温：28℃ 燃料质量：5g 水的质量：200g 末温83℃ 末温62℃ 知识探索 31 知识点二 热值 实验数据 燃料 温度 加热前温度t0/℃ 燃料燃尽后的温度t末/℃ 水温的变化Δt/℃ 5g酒精 28 83 55 5g干木柴 28 62 37 为了比较燃料的特性了，引入了“热值”这个物理量。 实验结论：用质量相同的酒精和干木柴分别给两杯完全相同的水加热，两杯水升高的温度不同，用酒精加热的水升高的温度多。 知识探索 32 知识点二 热值 2.燃料的热值 由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 ①定义：某种燃料完全燃烧时释放出的热量（即化学能转化为内能的量）与其质量之比，叫作这种燃料的热值，用字母q表示。 指燃料燃烧后，全部变成不可燃烧物的过程 ③单位：焦/千克（J/kg） ②公式：q= 或 q= 知识探索 33 知识点二 热值 ④热值的物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。 【例如】木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示：1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。 同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 ⑥气体燃料的热值： q= 焦/立方米（J/ｍ³） ⑤燃料燃烧放出热量的计算： 知识探索 34 知识点二 热值 3.常见燃料的热值表 思考一下 通过表格你发现了什么？ 知识探索 35 知识点二 热值 【解释】为什么发射火箭上天要用氢做燃料？ 　　发射火箭中用氢做燃料，原因是液态氢具有较高的热值，完全燃烧相同质量的氢时，可以释放出更多的热量。 知识探索 36 知识点三 热机的效率 1.热机的效率 （1）热机能量流向示意图 汽油在热机汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量，机械装置吸收 部分能量，废气带走部分能量，机械传动等克服摩擦消耗部分能量， 等等。只有一部分燃料燃烧所释 放能量转变为对外做有用功的 能量。这部分能量被有效利用。 由于机械传动等,克服摩擦所消耗的能量 燃料不能完全燃烧 废气排出带走的能量 废气排出带机械传热损失的能量 热机真正转变为对外做功的部分 知识探索 37 知识点三 热机的效率 1.热机的效率 ①定义：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧释放的 能量之比，叫做热机的效率。 ②公式：η 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，消耗的燃料更少。 知识探索 38 知识点三 热机的效率 2.常见的热机的效率 蒸汽机的效率只有6%~15% 汽油机的效率为 20%~30% 柴油机的效率为30%~45% 喷气式发动机的效率为50%~60% 所有的机械效率都小于1 知识探索 39 知识点三 热机的效率 3. 提高热机效率的主要途径 （1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量 热电站：大型发电机常由蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率， 蒸汽轮机排出的废气可以用来供热。 知识探索 40 知识点三 热机的效率 (2)在热机设计和制造上提高技术水平和使用新材料。 (3)保证良好的润滑,减少因摩擦额外消耗的功。 (4)使燃料充分燃烧。 这些方法可以提高热值吗？ 知识探索 41 知识点四 热机与社会发展 在现代生活中汽车已经成了不可缺少的一部分。 现代意义上的汽车被定义为：由动力驱动，具有4个或4个以上车轮的非轨道承载的车辆。汽车一般是由车身、底盘、发动机、以及电气设备组成。其中发动机将燃料燃烧产生的内能转化为机械能，再通过传动机构，将动力传给车轮，从而使汽车行驶。 现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机，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。 汽车的动力系统 知识探索 42 知识点四 热机与社会发展 　　汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。 　　汽车的很多零部件也都是在随着科技的发展而更新迭代，传统的汽车发展已经接近了瓶颈，现代化的汽车在设计研发上被赋予了更多科技的产物，如智能化驾驶与新能源汽车，汽车智能化发展也代表着社会科技的发展程度。 知识探索 43 1.世界上很多发明都是受到生活现象的启发而萌生的创意，比如：蒸汽机和汽油机，它们工作时，能的转化过程是 　 　，图中 　　（选填“甲”或“乙”）是汽油机的工作原理图。一台四冲程内燃机飞轮转速为3600r/min，在1秒钟内内燃机的活塞做了 　 　次功。 内能转化为机械能 乙 30 知识探索 2.关于热机的能量转化过程，下列说法正确的是（　　） A．将势能转化为动能 B．将机械能转化为化学能 C．将内能转化为机械能 D．主要目的是通过热传递改变内能 C 知识探索 3.关于四冲程汽油机的工作过程有以下几种说法。以下说法中正确的是（　　） ①压缩冲程中，机械能转化为内能 ②做功冲程中，内能转化为机械能 ③只有做功冲程是燃气对外做功 ④汽油机吸气冲程吸入的是空气 A．只有①② B．只有③④ C．只①②③ D．①②③④ C 知识探索 4.关于汽油机和柴油机的区别，下列说法错误的是（　　） A．汽油机有火花塞，柴油机有喷油嘴 B．汽油机用压燃式点火，柴油机用点燃式点火 C．吸气冲程中，汽油机吸入汽油和空气混合物，柴油机只吸入空气 D．小汽车、摩托车通常用汽油机做发动机；卡车、挖掘机用柴油机做发动机 B 知识探索 5.一台单缸四冲程柴油机飞轮的转速是3600r/min，则柴油机每秒钟（　　） A．完成60个循环，120个冲程 B．做功30次，活塞往复60次 C．完成60个循环，60个冲程 D．做功1200次，活塞往复1200次 B 知识探索 6.木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭（　　） A．具有3.4×107J的热量 B．具有3.4×107J的内能 C．完全燃烧对外做功3.4×107J D．完全燃烧放出热量3.4×107J D 知识探索 7.关于燃料的热值，下列说法中正确的是（　　） A．燃料的热值越大，燃烧时达到的温度就越高 B．燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多 C．燃料燃烧越充分，则燃料的热值就越大 D．燃料的热值与燃料的质量及燃烧情况无关 D 知识探索 8.甲、乙两台内燃机，甲的效率为35%，乙的效率为25%，这两个数据表示（　　） A．内燃机甲做的功比内燃机乙做得多 B．内燃机甲的功率比内燃机乙的功率大 C．在相同时间内内燃机甲燃烧的燃油比内燃机乙多 D．在消耗相同的燃油时，内燃机甲做的有用功比内燃机乙做的有用功多 D 知识探索 9.两台汽油机，甲做的有用功是乙的1.5倍，甲的效率是25%，乙的效率是30%，那么甲与乙消耗的汽油的质量之比是（　　） A．9：5 B．5：6 C．5：9 D．6：5 A 知识探索 10.利用如图所示装置做“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的实验。 （1）除了控制水的质量和初温相同外，还需控制燃料的 　相同。 （2）通过比较　 来比较酒精和碎纸片燃烧放出热量的多少。 （3）根据表格中记录的实验数据可知酒精和碎纸片这两种燃料中，热值较大的是 　 　。 （4）本实验使用的物理方法除了控制变量法，还采用了 　 。 质量 水升高的温度 酒精 转换法 燃料 加热前的水温/℃ 燃料燃尽后的水温/℃ 酒精 20 35 碎纸片 20 25 知识探索 11.一小汽车在平直的高速路上匀速行驶2.3km,用时100s,若行驶过程中发动机牵引力一直为1000N（汽油的热值q汽=4.6×107J/kg），求： （1）汽车匀速行驶的速度；（2）汽车发动机所做的功； （3）若这段过程消耗汽油0.25kg,则发动机效率为多少？ 知识探索 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制造原理：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 课堂总结 热机 ①分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料. ②燃料燃烧过程中化学能转化为内能. ①定义：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比. 是燃料的一种特性. ②公式：固体q 气体q ③单位：焦/千克（J/kg）、焦/米3（J/ m3 ） ①热机的效率：用来做有用功的那部分能量， 与燃料完全燃烧放出的能量之比. ② 公式：η ③提高热机效率的方法：利用废气的能量、 减少机械摩擦、尽量使燃料充分燃烧. 燃 料 热 值 热机的效率 课堂总结 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 $$