第3节 热机与工作原理（表格式教学设计）物理沪科版（五四学制）2024九年级上册

该初中物理导学案聚焦热机及其工作原理，以汽油机和柴油机为核心内容，通过图片导入、实验演示与问题驱动构建知识链条，从生活现象到科学概念层层递进，形成“现象—模型—规律—应用”的学习支架，帮助学生建立能量转化的物理观念。 本资料突出科学思维与科学探究的融合，设计多个对比表格和典型习题，引导学生在类比中建构模型，于推理中深化理解，尤其在四冲程能量转化分析与实际情境应用中体现核心素养。课堂练习紧扣中考命题趋势，强化证据意识与逻辑论证能力，助力学生从模仿走向创新，提升解决真实问题的能力。

第3节 热机及其工作原理（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第3节 热机与工作原理 教材 分析 （1）理解热机的原理就是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能。 （2）了解历史上和现实社会中的几种热机。 （3）了解汽油机和柴油机的工作过程。激励学生更好的学习体会教学过程。 学情 分析 1. 知识储备分析通过引导学生观察、实验、讨论等方式，培养学生的观察、实验和探究能力。：2. 思维能力分析：学生已具备的创造力和创造性思维，但在实验方案的设计和实验器材的选取上受到一定限制，因此要在对学生引导的同时启发学生思考。 3. 学习兴趣与态度分析：通过科学探究活动，增强联系实际及环境保护的意识。培养学生的创造力和创造性思维。培养学生创造活力。 教学 重点 1． 认识汽油机的工作过程。 2．了解汽油机的工作过程能量转化。 教学 难点 1．知道热机的概念。 2．四冲程的原理。 教学 器材 多媒体课件，视频，实验器材（压缩空气引火仪、试管、水、软木塞、酒精灯、铁架台、电火花发生器、密闭金属容器、汽油、软木塞） 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课： 【提出问题】 通过上述图片，它们是什么机械？ 下面开启今天的学习 学习新课 一、热机 一、热机 人们发现内能可以做功，由此制造了各种利用内能做功的机械——热机。热机的发明及广泛使用，使人类迈入了工业化社会，对人类社会的发展起到了重要的作用。蒸汽机、内燃机、汽轮机、 喷气发动机等都是热机。 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。内燃机是现代社会中最常见的一种热机。 【课前预习】 1. 将由 燃烧产生的高温高压气体的 能转化为 能的机器，统称为热机。 2. 汽油机的主体是一个汽缸，汽缸内有一个 ，活塞通过 与曲轴相连。汽缸上部有进气门和 门，顶部有 塞。 3. 汽油机工作时 在汽缸内做往复运动。活塞从一端运动到另一端叫作一个 。四冲程汽油机的工作过程由 、 、 、 四个冲程组成。 4. 汽油机工作的四个冲程中，只有 冲程中燃气对外做功，其他三个冲程都是 冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的 来完成。 答案：1．燃料，内，机械。2.活塞，连杆，排气，火花。3.活塞，冲程，吸气，压缩，做功，排气。4.做功，辅助，惯性。 （一）汽油机 1. 将由 燃烧产生的高温高压气体的 能转化为 能的机器，统称为热机。 2. 汽油机工作时 在汽缸内做往复运动。活塞从一端运动到另一端叫作一个 。四冲程汽油机的工作过程由 、 、 、 四个冲程组成。 （二）柴油机 3. 从构造上看，柴油机和汽油机的区别主要是柴油机汽缸的顶部有一个 嘴，但没有 。 4．柴油机的吸气冲程：柴油机吸入汽缸中的只是 ，而不像汽油机那样吸入的是 和空气的混合物。压缩冲程：活塞将汽缸内的 压缩成高温的气体，其温度超过 的燃点。 5. 柴油机的做功冲程：在压缩冲程结束后，由喷油嘴向汽缸内喷射雾状的 ，这些雾状的 在汽缸内高温的空气中剧烈燃烧，这种点火方式称为 式。由于雾状柴油的燃烧，使得汽缸内的压强急剧增大，气体对活塞 ，将活塞推向汽缸的下端。 6．在实际应用中，柴油机比汽油机要 些。但柴油机的 高， 较大，并且柴油的价格通常又比汽油 ，因而多用在拖拉机、坦克、轮船、内燃机车、 汽车以及小型发电机上。 答案：1．燃料，内，机械。2.活塞，冲程，吸气，压缩，做功，排气。3.喷油，火花塞。4.空气，汽油，空气，柴油。5.柴油，柴油，压燃，做功。6.笨重，效率，功率，便宜，载重。 【归纳总结】 能将燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的发动机称为热机。热机的种类较多，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。内燃机中最常见的是汽油机和柴油机。 工作原理：汽油在气缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，推动活塞做功。活塞运动带动曲轴转动。要使汽油机连续工作，活塞必须能在气缸内往复运动。 【实验演示】 1. 加热试管内的水 实验现象：木塞被弹出，试管口有“白雾”出现； 分析原因：燃料燃烧产生的热量传给水和水蒸气，水蒸气对木塞做功，内能减少，温度降低，水蒸气液化成小水珠； 能量转化：燃料燃烧将化学能转化为水和水蒸气的内能，水蒸气推动木塞对木塞做功，又将内能转化为木塞的机械能。 【讨论思考】 生活中是否也存在这种机械？ 学习新课 二、热机的工作原理 1. 汽油机的构造： 2. 工作过程：①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气的混合物从进气门被吸入汽缸.当活塞运动到汽缸的最下端，进气门关闭，曲轴转动半圈。 ②压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料的混合物被压缩，汽缸内温度升高，气压增大。曲轴转动半圈。在此过程，机械能转化为内能。 ③做功冲程：在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花(点燃式)，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的气体，推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。在此过程，内能转化为机械能。 ④排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸。当活塞运动到汽缸的最上端，排气门关闭，曲轴转动半圈。 注意事项：在四个冲程中压缩冲程机械能转化为内能，做功冲程（获得动力）内能转化为机械能； 其他三个冲程均‌不产生动力‌，而是依靠飞轮储存的动能带动曲轴继续旋转，推动活塞完成往复运动（也可以说是靠惯性）；单缸汽油机一个工作循环包括4个冲程，活塞往复运动2次，曲轴转动2周(圈)，飞轮也是2圈，对外做功1次。 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 总结： 冲程名称 进气门 排气门 活塞运动 冲程作用 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 汽油机的一个工作循环是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。 在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，燃气对外做功一次。在压缩冲程中，机械能转化为内能；在做功冲程中，内能转化为机械能。 在这四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的冲程是吸气、压缩和排气冲程。 思考问题，进入情景。 设计图片引入；方案设计。 让学生预习教材，归纳出结论： 飞轮与曲轴‌并非焊接连接‌，而是通过‌高强度螺栓或定位销刚性固定‌在曲轴上。 表述内燃机各冲程的工作状态和能量转化 原理与结构示意图 掌握柴油机和汽油机的四个冲程的特点 汽油机和柴油机的异同点和能量转化 并进行交流回答。会运用 异同点 内燃机各冲程的工作状态和能量转化 【针对训练】 1．如图，给试管里的水加热至沸腾后，水蒸气会推动橡皮塞冲出试管口。关于水蒸气将橡皮塞冲出所涉及的能量转化，汽油机的哪一个冲程是相同（　　） A． 吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程 1．C 【详解】水蒸气把橡皮塞冲出，这个过程中水蒸气膨胀做功，水蒸气的内能转化为塞子的机械能；汽油机的做功冲程中也是将内能转化为机械能，因此它们的能量转化情况相同，故ABD不符合题意，C符合题意。 故选C。 2．在如图所示的交通工具中，利用热机做动力的是（　　） A．高速列车 B．快速列车 C．长途客车 D．电动车 2．C 【详解】AB．为提高车速和节省能源，高速列车和快速列车是由电动机提供动力的，故AB不符合题意； C．长途客车工作时都要使用化石能源作燃料，燃料燃烧时将内能转化为机械能驱使它们运动，所以它们都是使用热机工作的，故C符合题意； D．电动自行车工作时是通过电动机工作的，将电能转化为机械能，没有使用热机，故D不符合题意。 故选C。 3．如图，对于图中所述的物理过程，下列分析正确的是（    ） A．图甲，瓶子内的空气推动塞子跳起时，瓶内空气的内能增大 B．图乙，试管内的水蒸气推动塞子冲出时，水蒸气的温度升高 C．图丙，汽缸内的气体推动活塞向下运动时，气体的内能增大 D．图丁，用力将活塞迅速下压，这一过程与汽油机的压缩冲程相同 3．D 【详解】A．图中瓶子内的空气推动塞子跳起时，空气对活塞做功，空气的内能减小，故A错误； B．图中试管内的水蒸气推动了塞子冲出时，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减少，温度降低，故B错误； C．图中汽缸内的气体推动活塞向下运动时，气体对活塞做功，所以气体的内能会减小，故C错误； D．用力将活塞迅速下压，机械能转化为内能，这一过程与汽油机的压缩冲程相同，故D正确。 故选D。 4.小明自制了如图所示的“水火箭”。用打气筒对水火箭打气，水向下喷出，水火箭一飞冲天。下列说法正确的是（    ） A．打气后气筒会发热，这是通过热传递改变气筒的内能 B．水从水火箭中喷出相当于内燃机的排气冲程 C．上升过程中，水火箭瓶内气体的内能减少 D．水火箭冲天时受到向上的推力，推力的施力物体是空气 4．C 【详解】A．打气后气筒会发热，是因为打气时活塞压缩气体做功，使气体内能增加，通过做功的方式改变气筒内能，并非热传递，故A错误； B．水从水火箭中喷出，是高压气体对外做功，将内能转化为机械能，而内燃机排气冲程是排出废气，没有能量转化，二者不同，故B错误； C．上升过程中，水火箭内高压气体推动水向下喷出，对外做功，自身内能减少，故C正确； D．水火箭冲天时，水向下喷出，根据力的作用是相互的，水对水火箭有向上的反作用力，施力物体是水，不是空气，故D错误。 故选C。 5.2025年3月17日，科学家在酒泉卫星发射中心使用谷神星一号运载火箭，成功将云遥一号55~60星等8颗卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。如图所示，火箭工作时将燃料燃烧产生的 能转化为火箭的 能，该过程中能量的转化与汽油机的 （压缩/做功）冲程相同。 内 机械 做功 【详解】[1][2]火箭工作时，燃料燃烧，推动火箭升空，将内能转化为火箭的机械能。 [3]火箭工作时能量的转化是将内能转化为机械能，热机在做功冲程中，也是将内能转化为机械能，因此和热机的做功冲程能量转化相同。 6．如图，是节日燃放的双响炮，燃放时竖直立于地面点燃引线，第一响后它会飞向空中，此过程中的能量转化为：火药的 ，这与内燃机工作时的 冲程相似。 见解析 做功 【详解】[1][2]双响炮燃放时，内部的火药燃烧产生的高温高压气体将鞭炮推向空中，此过程中化学能转化为内能，内能转化成机械能。在内燃机的做功冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞向下运动，内能转化成机械能；因此双响炮的能量转化与做功冲程相似。 7．你听说过“加水就能跑”的水氢汽车吗？该汽车实际是利用水解制氢技术获得氢气，通过氢燃料电池给车提供动力（该技术成本很高，目前仍处在试验阶段）。现在的氢能源汽车分为氢内燃机汽车和氢燃料电池车两种，其中氢内燃机汽车是氢气在汽缸中燃烧，释放的内能转化为 ，气体膨胀推动活塞运动，这与四冲程汽油机的 冲程中的能量转化过程相同。 机械能 做功 【详解】[1][2]氢气在汽缸中燃烧，释放的化学能先转化为内能，使气体膨胀推动活塞运动，内能转化为机械能，汽油机的做功冲程将内能转化为机械能，这与四冲程汽油机的做功冲程中的能量转化过程相同. 热机的利用在人类发展史上的重要意义。 冲程的运用。 训练学生的问题及解决问题的能力,问题要当堂识记 理解掌握热机原理，激发学生兴趣 加深热机的理解。 通过习题的练习，提高了教学效率。 分析转速与能量转换有关问题。 从模仿到创新,从出错到纠错提高的很好的方式 培养学生归纳总结的意识和能力 【类比不同】 柴油机 汽油机 汽油机 柴油机 不 同 点 构造 汽缸顶部有火花塞 汽缸顶部有喷油嘴 燃料 汽油 柴油 吸入物 吸入汽油和空气的混合物 只吸入空气 点火方式 点燃式 压燃式 优点 轻便 便宜、功率大、效率高 主要相同点 ①都是将内能转化为机械能的内燃机 ②都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，活塞往复两次，曲轴和飞轮转两周，对外做功一次 【课堂练习】 1.小明利用如图装置进行实验，加热试管使水沸腾是通过　 　（选填“热传递”或“做功”）的方式改变水的内能，在水蒸气驱动下叶轮转动起来，这个实验体现了　 　（选填“热机”或“电动机”）的原理。 【答案】热传递；热机 【解析】加热时，温度不同，是通过热传递的方式改变内能，在水蒸气驱动下叶轮转动起来，消耗内能获得机械能，体现了热机的原理。 2．热机（如汽车、拖拉机的发动机等）是将燃料的内能转化为机械能的装置，热机的发展和应用推动了人类社会的进步与发展，但热机在能的转化过程中不可避免地会对环境造成一定程度的污染。请你列举热机对环境造成的污染：①　 　污染；②　 　污染。 【答案】噪声；大气 【解析】热机工作时，产生噪声和有害气体，对环境造成的污染：①噪声污染；②大气污染。 3．2022年11月12日搭载天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭，在文昌航天发射场准时点火发射，取得圆满成功。火箭发动机 　 　（选填“属于”或“不属于”）热机。火箭在加速升空过程中，火箭外壳会急剧升温，这是通过 　 　方式改变火箭外壳的内能。 【答案】属于；做功 【解析】火箭发动机利用燃料燃烧获取内能再通过做功的方式转化为机械能，火箭发动机属于热机。火箭加速上升过程中，火箭外壳与大气摩擦，克服摩擦做功，将机械能转化为内能，其内能增加，这是通过做功的方式改变改变火箭外壳的的内能。 4．2022年4月16日，神舟十三号载人飞船返回舱进入大气层后下落（如图所示）。接近地面时反推发动机点火，最终返回舱在东风着陆场预定区内实现软着陆。 （1）返回舱刚进入大气层下落时，机械能大小如何变化，为什么？ （2）反推发动机属于喷气式发动机，反推发动机是否属于热机？ 【答案】（1）机械能减小。原因是返回舱刚进入大气层后，降落伞相继打开，临近地面时，反推发动机启动向下喷气，给气体一个向下的力，由于物体间力的作用是相互的，气体给返回舱一个向上的力，迫使返回舱减速“刹车”，由于速度减小，故动能减小；返回舱下落过程中高度减小，故重力势能减小；由于返回舱与大气摩擦，机械能转化为内能，故机械能减小。 （2）热机的种类很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气式发动机都属于热机。 【解析】（1）质量一定时，位置越低，重力势能越小，速度越小，动能越小；机械能是动能和重力势能的总和； （2）热机是将内能转化为机械能的装置。 5.汽油机的一个工作循环有四个冲程，如图是 冲程，若此台汽油机飞轮转速为1200r/min，则每秒钟对外做功 次． 压缩 10 【详解】图中，进气门和排气门都是关闭的，活塞向上运动，可以判断是压缩冲程；若飞轮转速是1200r/min=20r/s，表示每秒飞轮转动20圈，要经过40个冲程，对外做功10次． 6．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，由图可以看出，此时它正处在 冲程。某单缸四冲程汽油机在1s内完成了15个循环，则该汽油机工作时飞轮的转速为 R/min。 做功 1800 【详解】[1]由图可知，进气门和排气门都关闭，活塞向下移动，火花塞点火，可以判断这个冲程是做功冲程。 [2]汽油机一个工作循环有四个冲程，活塞往复2次，飞轮转动2转，做功1次。故汽油机在1s内完成了15个循环，飞轮转动 15×2=30R 则1min转动 30×60=1800R 故该汽油机工作时飞轮的转速为1800R/min。 7．如图所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间以后，塞子被试管内水蒸气推出。这是通过 的方式将水蒸气的内能转化为塞子的机械能（选填“做功”或“热传递”）。图 （选填“甲”或“乙”）中汽油机的工作过程与这一实验过程中原理是一致的。 做功 乙 【详解】[1]塞子被试管内水蒸气推出，气体膨胀对外做功，将气体的内能转化为机械能，涉及能量的转换，故是做功。 [2]如图甲所示，进气门关、排气门关，活塞向上，压缩气体做功，将机械能转化为内能，而乙图是进气门关、排气门关，活塞向下，高温高压气体对活塞做功，将内能转化为机械能，故图乙中能量转化与气体对活塞做功实验的原理相同。 用异同点，从而帮助学生更好理解。 帮助学生更好理解。 通过典型题目案例分析 板 书 设 计 第3节 热机与工作原理 1、热机定义：利用内能做功的机械 2、热机种类： 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等； 3、能量转化：化学能→内能→机械能 4、内燃机定义：燃料直接在发动汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机 5、内燃机种类：汽油机和柴油机； 6、汽油机工作过程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程 课 堂 小 结 第3节 热机与工作原理 作 业 完成课后分层作业 教 学 反 思 1 / 12 学科网（北京）股份有限公司 $