14.3 热机 讲义—2025-2026学年沪科版物理九年级全一册

第十四章 内能与热机 第三节 热机 4 学科网（北京）股份有限公司 一、利用内能来做功 1. 实验探究：能利用内能做功吗？ 如图所示，在试管内装适量的水，用带玻璃管的胶塞塞住，在玻璃管口放一个纸做的小叶轮，加热试管使水沸腾，细心观察小叶轮的转动情况。 【实验现象】 试管内产生的水蒸气能驱动小叶轮转动。 【实验分析】 在这个实验中，酒精燃烧把“化学能”转化为“内能”传递给水，使水的内能增加，温度升高直至沸腾，产生高温高压的水蒸气，气流对小叶轮做功，使小叶轮转动，水蒸气的“内能”转化成小叶轮的“机械能”。 【探究结论】 一定条件下，内能可以转化为机械能，即内能可以用来做功。 2. 热机 ①定义：利用内能做功的机械。 ②热机工作时的能量转化 燃料的化学能内能机械能 3. 关于热机的能量转化过程说法正确的是( ) 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。 答案：C 二、蒸汽机 1. 最早的热机是“蒸汽机” 世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家希罗发明的。英国发明家瓦特在前人的启迪下，对蒸汽机作出一系列重大改进，在工业上得到广泛应用。他开辟了人类利用能源新时代，标志着工业革命的开始。 2. 蒸汽机的工作原理 将燃料燃烧释放的“内能”转化为“机械能”。 3. 如图，这幅漫画据说是牛顿设计的蒸汽汽车的原理图。试就该漫画回答下列问题。 ①该漫画中涉及哪几种形式的能量转化过程？ 答：燃料的燃烧——化学能转化为内能；水蒸气向后喷出——内能转化为机械能。 ②使汽车向前的力是怎样形成的？ 答：高温、高压的水蒸气向后高速喷出，利用物体间力的作用是相互的，使汽车获得向前的动力。 三、形形色色的热机 1. 轮机 应用：火力发电厂、大型舰船等。 2. 内燃机 应用：汽车、农用机械等。 3. 喷气发动机 应用：航空。 4. 火箭发动机 应用：航天。 注意： 都是通过燃料燃烧获取内能并转化为机械能的装置。不同的热机，采用的燃料不同。蒸汽机的燃料为煤；内燃机的燃料有汽油、柴油、天然气；喷气发动机采用航空燃油；火箭发动机的燃料有煤油、酒精、液氢等。 四、内燃机 1. 观察内能转化为机械能的实验 【实验装置】 【实验步骤】 ①在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电子火花器的放电针管紧紧塞进孔中； ②打开塑料盒盖，向盒中滴入数滴酒精。再将盒盖盖紧，然后按下电火花发生器的按钮，看到“盒盖被弹飞”。 【实验现象】 盒内酒精剧烈燃烧（爆炸），盒盖被酒精燃烧产生的燃气推出。 【实验结论】 酒精燃烧，化学能转化为内能，燃气对盒盖做功，转化为盒盖的机械能。通过做功，内能转化为机械能。 2. 活塞式内燃机 定义：燃料在汽缸内燃烧，产生的燃气直接推动活塞做功，因此叫做“活塞式内燃机”。 活塞式内燃机的种类： 汽油机和柴油机两种。以汽油为燃料的是汽油机，以柴油为燃料的是柴油机。 汽油机 柴油机 活塞式内燃机的工作原理： 汽油（或柴油等燃料）与空气在汽缸内混合，如果遇到火花，就会发生燃烧，生成高温高压的燃气，推动活塞做功，而活塞通过连杆、曲轴与飞轮相连，从而使活塞的移动带动飞轮转动。 五、汽油机 1. 汽油机：利用汽油在汽缸内燃烧产生“高温高压”的燃气来推动活塞做功的热机。 2. 工作过程：汽油机在工作的时候，活塞往复运动,从汽缸一端运动到另一端叫做一个冲程。 汽油机的一个工作循环由四个冲程组成，分别是“吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程”。 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”组成的燃料混合物从进气阀吸入气缸。 ②压缩冲程（机械能转化为内能） 进气门和排气门都关闭，活塞自下向上运动，将燃料混合物进行压缩，使其内能增加，温度升高。 ③做功冲程（内能转化为机械能） 进气门和排气门都关闭，压缩冲程把燃料混合物压缩后，火花塞产生电火花，使燃料剧烈燃烧，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。 ④排气冲程 进气门关闭，排气门打开，活塞自下向上运动，把废气排出气缸。 3. 汽油机工作规律 ①四个冲程中发生能量转化的有两个冲程：压缩冲程和做功冲程。 ②内能转化为机械能提供动力的冲程：做功冲程。其他三个冲程都是靠飞轮的“惯性”来完成的。 ③汽油机的一个工作循环中：4个冲程，活塞往复运动2次，曲轴（或飞轮）转动2周，对外做功1次。 4. 一台汽油机飞轮转速为2400r/min，则每秒做功的次数为 解析：汽油机的飞轮转速为2400r/min，所以飞轮每秒转=40r，因为飞轮每转2周对外做功1次，所以每秒做功20次。 5. 已知某汽油机转速为1800r/min，那么该汽油机每秒钟完成 个冲程，燃气对外做功 次。 答案：60， 15 六、柴油机 1. 柴油机：利用汽缸内“燃烧柴油”所产生的高温高压的燃气来推动活塞做功的热机。 2. 工作过程：柴油机的一个工作循环也是由四个冲程组成（吸气、压缩、做功、排气），曲轴（或飞轮）均转两周，对外做功一次，活塞往复运动两次。 除“做功冲程”外的其他三个冲程都是靠安装在曲轴上飞轮的“惯性”来完成的。 3. 汽油机与柴油机的比较 ①结构 汽油机汽缸顶部有“火花塞”，柴油机汽缸顶部有“喷油嘴”； ②燃料 汽油机的燃料是汽油，柴油机的燃料是柴油； ③吸气冲程： 汽油机：吸进汽油和空气的混合物； 柴油机：吸进空气； ④压缩冲程 汽油机：汽油和空气的混合燃料被压缩，温度升高，内能增大（机械能→内能）； 柴油机：空气被压缩，温度升高，内能增大（机械能→内能）。 ⑤做功冲程 汽油机：火花塞产生电火花使燃料燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞对外做功(内能→机械能)； 柴油机：喷油嘴喷出雾状柴油，遇到高温空气燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞对外做功(内能→机械能)。 ⑥用途 汽油机：轻巧、体积小，常用于汽车、小型飞机和小型农业机械； 柴油机：笨重、经济、功率大，主要用于载重汽车、轮船、坦克等。 注意：汽油机的点火方式“点燃式”，柴油机的点火方式“压燃式”。 4. 关于柴油机和汽油机的说法正确的是（　　） A．柴油机吸入汽缸的是柴油和空气的混合物，汽油机吸入的是空气； B．在压缩冲程中它们的压缩程度是一样的； C．柴油机里，推动活塞做功的燃气的压强比汽油机里的高； D．在压缩冲程末，汽油机汽缸内的温度比柴油机的高。 解析：A.汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，柴油机吸入的是空气，该选项说法不正确；B.在压缩冲程末，柴油机将燃料混合物压缩得程度更大，该选项说法不正确；C.柴油机里推动活塞做功的燃气的压强比汽油机里的高，该选项说法正确；D.在压缩冲程末，柴油机汽缸内的温度比汽油机的高，该选项说法不正确。 5. 关于柴油机和汽油机的说法正确的是（　　） A．汽油机顶部有喷油嘴，柴油机顶部有火花塞； B．进气门和排气门同时关闭的冲程是做功冲程和压缩冲程； C．柴油机在吸气冲程中将柴油和空气吸入汽缸； D．柴油机的压缩冲程中，内能转化为机械能。 解析：A.汽油机顶部是火花塞，柴油机顶部是喷油嘴，故A错误；B.进、排气门都关闭的是压缩冲程和做功冲程，故B正确；C.柴油机在吸气冲程中，将空气吸入汽缸，故C错误；D.机械能转化为内能。 七、中考真题 1. 如图所示是某内燃机的构造示意图，则该内燃机为 (选填“汽油机”或“柴油机”),此时为 冲程。 解析：该内燃机有喷油嘴，故内燃机是柴油机；又因为活塞向上运动并且进气门和排气门关闭，所以此过程为压缩冲程。 2. 如图所示，A、B、C、D是四冲程汽油机的工作示意图，E、F是演示实验的示意图。 图C是 冲程，与它原理相同的是图 所示的演示实验。汽油机的工作示意图中机械能转化为内能的冲程是图 。 解析：图C中火花塞点火，明显是做功冲程，内能转化为机械能。图E中用力将活塞压下，活塞对空气做功，空气的内能增大，温度升高，使浸有乙醚的棉花燃烧，机械能转化为内能；图F中对试管中的水加热，使试管中水的内能增大，水蒸气对外做功，使塞子飞出去，内能转化为机械能。图B中两气门都关闭，活塞上行，是压缩冲程，机械能转化为内能。 3. 一台单缸四冲程柴油机飞轮的转速为2400r/min，则在1s内，柴油机完成 个冲程，对外做功的次数是 次。 解析：一台柴油机飞轮的转速为2400r/min，则该柴油机“每秒钟转40圈”，完成20个工作循环，柴油机完成80个冲程，对外做20次功。 4. 如图所示为四冲程内燃机工作示意图。这四个冲程中活塞和曲轴的位置，进气门、排气门的开闭情况有错误的是( ) 解析：压缩冲程中，两个气门都关闭，活塞应该向上运动，根据图中曲轴的位置可知，此时活塞向下运动，故B错误。 5. 人类制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯。它的气室示意图如图所示，其工作原理是利用海浪上下起伏的力量将空气吸入气室，压缩后再推入工作室，然后推动涡轮机带动发电机发电。下列说法中正确的是( ) A. 当海水下降时，阀门K₁开启，阀门K₂关闭 B. 当海水上升时，阀门K₁关闭，阀门K₂开启 C. 当海水下降时，类似于汽油机的做功冲程 D. 当海水上升时，类似于汽油机的压缩冲程 解析：当海水下降时，活塞向下运动，气室容积增大，于是阀门K₁关闭，K₂开启，空气进入气室，这个过程相当于汽油机的吸气冲程。当海水上升时，活塞向上运动，气室内的空气被压缩，内能增大，是活塞的机械能转化为空气的内能，这个过程相当于汽油机的压缩冲程，于是阀门K1开启，K₂关闭，故D符合题意。 6. 小普同学跟爷爷学习气功的四个基本动作，由此他联想到汽油机的冲程，下列说法正确的是( ) A.“鼻孔吸气”动作所对应的汽油机冲程吸入的只有空气； B.“气沉丹田”动作所对应的汽油机冲程将内能转化为机械能； C.“排山倒海”动作所对应的汽油机冲程是靠飞轮的惯性来完成的； D.“打完收工”动作所对应的汽油机冲程排出了废气 解析：“鼻孔吸气”相当于吸气冲程，汽油机吸气冲程吸入的是汽油和空气的混合物；“气沉丹田”相当于压缩冲程，汽油机压缩冲程将机械能转化为内能；“排山倒海”对外做功，相当于汽油机做功冲程，此冲程将内能转化为机械能，不是靠飞轮的惯性来完成的；“打完收工”所对应的汽油机冲程是排气冲程，故D正确。 4. 某型号四冲程柴油机，汽缸横截面积为600cm2，活塞行程为10cm，做功冲程燃气的平均压强为7×105Pa，飞轮转速为1200r/min。 ①燃气对活塞的平均压力是多少？ ②一次做功冲程中气体对活塞做多少功？ 解：①F=PS =7×105Pa×600×10－4m2=4.2×104N ②W=FS =4.2×104N×0.1m=4200J； 答：燃气对活塞的平均压力是4.2×104N，一次做功冲程中气体对活塞做功4200J。 6. 某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞面积为30 cm²，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是50 mm，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为9.0×10⁵Pa，飞轮1 min转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦），求： ①做功冲程中燃气对活塞的平均压力； ②一个做功冲程中燃气对活塞做的功； ③汽油机的功率。 解：①S=30cm2=30×10－4m2 F=PS =9.0×105Pa×30×10－4m2=2700N； ②s=50mm=0.05m W=Fs =2700N×0.05m=135J ③飞轮每转两圈对外做功一次，所以飞轮转动1800周，要对外做功900次 W总=135 J×900=121500 J t=1min=60s 故汽油机的功率为： 答：做功冲程中燃气对活塞的平均压力为2700N，一个做功冲程中燃气对活塞做的功为135J，汽油机的功率为2025W。 7. 某单缸四冲程内燃机的活塞面积为100cm2，做功冲程中燃气对活塞的平均压强是5×105Pa，一个冲程活塞在汽缸中移动的距离是是0.4m，曲轴的转速是600r/min求： ①内燃机每分钟做的功是多少J？ ②内燃机的功率是多大？ 解：S=100cm2=100×10－4m2 F=PS=5×l05Pa×100×10－4m2=5000N W=FS=5000N×0.4m=2000J 曲轴每转两圈对外做功一次，所以1min转动600周，要做功300次，所以内燃机每分钟做的功： W总=300×2000J=6×105J 内燃机的功率： P==10000W 答：内燃机每分钟做的功是6×105J，内燃机的功率是10000W。 $$