第4节 热机的效率（导学案）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效率与燃料热值的核心知识，从能量转化视角切入，通过比较不同燃料放热本领的实验探究，自然引出热值概念，再过渡到热机能量流向分析，构建“燃料燃烧→热量释放→有用功占比→效率提升”的逻辑链条，形成清晰的学习支架。 本资料突出物理观念与科学思维的融合，以真实情境问题驱动学生建立能量观和效率意识，如例题1巧妙关联人体代谢与热值概念，强化跨学科理解。课堂练习设计层次分明，注重证据推理与质疑批判，如第4题引导学生辨析效率与做功多少的关系，体现科学论证素养。同时融入环保责任教育，如国六汽油、热电站案例，彰显科学态度与社会责任，助力学生形成可持续发展意识。

第4节 热机的效率（导学案） 【学习目标】 1.能量转化的角度认识燃料的热值，知道燃料热值的物理意义及其单位。 2.能计算燃料完全燃烧放出的热量。 3.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，知道如何提高热机效率 【学习重点】 燃料的热值和热机的效率。 【学习难点】对热机效率的理解 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1、 热值 【课前预习】 1．燃料燃烧过程中，燃料储存的________能转化为________。 2. 我们把某种燃料________ 放出的热量与其________之比，叫做这种燃料的热值。计算公式：________，单位是________ ，符号是________。它是燃料的一种热性，与燃料的________有关。 3．对于气体燃料，计算公式为________，单位是 ________ 。 4．对于热机而言，燃料释放的能量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了，用来做________的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之________叫做热机的效率，计算公式为________ 或________。 5. 热机的效率是热机性能的重要指标，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更________（选填“多”或“少”）的燃料，从而节约能源，减少污染。 【课堂共谈】 （一）比较不同燃料的放热本领 1.问题(1)：燃料燃烧时化学能转化为内能，根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？有哪些事实来支持你的观点，并进行分析。 ① 。 ② 。 ③ 。 2.问题(2)：相同条件下，1kg木柴和1kg煤，1kg煤能烧开更多的水，这说明不同的燃料燃烧放出的热量不相同，我们该怎样比较不同燃料燃烧时这种放热性能优劣？ 选取________质量的不同燃料,点燃后，对________质量的水进行加热，比较两杯水________，来确定燃料的放热本领。 3.结论：燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是________的。我们用________这个概念来表示燃料放出热量的本领。 定义：我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。常用字母q 表示。 热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位是由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 热值是燃料自身的特性。在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 热值是燃料本身的性质。对于某些气体燃料，热值在数值上等于在标准状态下1m3燃料完全燃烧放出的热量，单位是焦每立方米，符号是J/m3。 2、 热机效率 热机一般是通过燃料的燃烧来做功的。燃料燃烧放出的能量，并不能全部用来做有用功。汽油在热机汽缸内燃烧释放的能量，只能有一部分能转变为对外做有用功的能量。 1.热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量之比称为热机效率 2.公式： 3.热机效率反映了内能的利用程度，用来描述热机的性能，是热机性能的重要指标。 热机效率是热机的重要指标。效率高，性能好。 蒸汽机的效率很低，只有6%～15%。汽油机的效率为20%～30%。柴油机的效率为30%～45%。 热机的效率是热机性能的重要指标。热机效率高，在做同样多的有用功的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率。 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料的利用率的重要措施。 大型发电机常常利用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。这种既能供电又能供热的热电站，比一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 柴油机的效率为30%~45% 汽油机的效率为 20%~30% 【例题精讲】 【例题1】食物也是一种燃料，营养成分在人体细胞里与氧结合，提供细胞组织所需的能量，这种过程没有火焰，但 能同样可以转化为内能，因此人的体温保持在37℃左右。一盒标有“能量：360kJ/100mL”的牛奶，其中“能量”的含义跟 （填“内能”、“热量”、“热值”）相似。100mL牛奶的能量相当于完全燃烧 g干木柴放出的热量。（干木柴的热值为1.2×107J/kg） 【例题2】成都大运会火炬“蓉火”取自成都的简称“蓉”，同时寓有“融合”“包容”之意。在燃料方面，“蓉火”采用了生物质丙烷燃料，这种燃料是采用常温 的方法使气体丙烷液化的；火炬结合它的外形特点，优化燃料喷注与空气掺混方案，这种方案能提高燃料的 （选填“功率”或“效率”）；已知丙烷的热值是；若完全燃烧的丙烷，则其放出的热量为 。 【例题3】如图是四冲程汽油机的工作过程中 冲程；若该汽油机功率为8kW，工作1小时使用的乙醇汽油燃烧产生的热量是7.2107J，则汽油机工作的效率为 。 【例题4】如图是载有“天问一号”的火箭发射升空的情景，下列描述错误的是（　　） A．火箭发射时出现的大量“白气”是液化现象 B．火箭点火升空过程中机械能不变 C．火箭向下喷燃气才能上升，是因为力的作用是相互的 D．火箭选择液态氢作为燃料是因为氢的热值大 【课堂练习】 1．关于热机及其效率，下列说法正确的是（　　） A．热机做的有用功越多，效率就一定越高 B．热机的功率越大，效率就一定越高 C．热机把燃料燃烧所释放出的内能全部转化为机械能 D．以上说法都不正确 2．某汽车质量为，车轮与地面总接触面积为，该车以20m/s的速度在一段平直的公路上匀速行驶了时，消耗汽油。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为，汽油的热值为。下列结果正确的是（　　） ①汽车静止时对水平地面的压强Pa ②汽车发动机做的有用功是J ③汽车受到的阻力是2025N ④汽车的输出功率为4.05×104 W A． 只有①②正确 B．只有①④正确 C．只有②③正确 D．只有③④正确 3．一桶煤油用去一半，发生变化的物理量是（   ） A．质量 B．密度 C．热值 D．比热容 4．甲、乙两台热机，甲的效率比乙的低，其含义是（　　） A．甲热机消耗的燃料多 B．甲热机比乙热机做功少 C．做相同的有用功，甲损失的能量比乙损失的多 D．甲热机的功率比乙热机的小 5．2023年1月1日起，国内全面推行国六B汽油，相比国六A汽油，国六B汽油烯烃（碳氢元素组成的化合物）含量降低约，因此汽车发动机工作时，能有效减少尾气中污染物的排放。图为汽车发动机某冲程的示意图，下列说法正确的是（　　） A．该冲程为做功冲程，机械能转化为内能 B．若该汽油机飞轮的转速为，则每秒对外做功20次 C．若汽油在汽缸内完全燃烧，则发动机效率可达 D．尾气中有“汽油味”说明汽油在汽缸中燃烧不完全 6．下列说法错误的是（　　） A．热机性能好坏的重要标志之一是热机效率 B．在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率 C．燃料燃料越充分，热值就越大 D．在压缩冲程中内燃机将机械能转化为内能 7. 蒸饭时利用煤气灶把锅中的水从加热至沸腾，水吸收的热量是 J，水的内能的改变是通过 实现的。若需要消耗煤气，则煤气灶的效率为 。[水的比热容为，煤气的热值为，气压为1个标准大气压] 8. 核电站只需要消耗很少的核燃料就可以产生大量的电能，大亚湾核电站是中国大陆第一座大型商用核电站，年发电能力约450亿千瓦时，该核电站每年需要约50t的核燃料，而同等规模火力发电站每年则约需要5.0×109kg的煤炭。某锅炉完全燃烧0.7kg的煤炭可以放出 J的热量，若这些热量使20kg的水温度升高了50℃，则水需要吸收 J的热量，该锅炉的热效率为 （煤炭的热值为3×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）） 9．许多同学喜欢吃烤肉串，木炭燃烧的过程是将 能转化为 能的过程。但科学表明，经常吃烧烤食品有害健康。 【知识结构】 【任务设计】 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 热机的效率（导学案） 【学习目标】 1.能量转化的角度认识燃料的热值，知道燃料热值的物理意义及其单位。 2.能计算燃料完全燃烧放出的热量。 3.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，知道如何提高热机效率 【学习重点】 燃料的热值和热机的效率。 【学习难点】对热机效率的理解 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1、 热值 【课前预习】 1．燃料燃烧过程中，燃料储存的________能转化为________。 2. 我们把某种燃料________ 放出的热量与其________之比，叫做这种燃料的热值。计算公式：________，单位是________ ，符号是________。它是燃料的一种热性，与燃料的________有关。 3．对于气体燃料，计算公式为________，单位是 ________ 。 4．对于热机而言，燃料释放的能量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了，用来做________的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之________叫做热机的效率，计算公式为________ 或________。 5. 热机的效率是热机性能的重要指标，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更________（选填“多”或“少”）的燃料，从而节约能源，减少污染。 【答案】1．化学 内能 2.完全燃烧 质量 q= 焦/千克 J/kg 种类 3． q= J/m3 4．有用功 比 η= η= 5.少 【课堂共谈】 （一）比较不同燃料的放热本领 1.问题(1)：燃料燃烧时化学能转化为内能，根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？有哪些事实来支持你的观点，并进行分析。 ① 。 ② 。 ③ 。 2.问题(2)：相同条件下，1kg木柴和1kg煤，1kg煤能烧开更多的水，这说明不同的燃料燃烧放出的热量不相同，我们该怎样比较不同燃料燃烧时这种放热性能优劣？ 选取________质量的不同燃料,点燃后，对________质量的水进行加热，比较两杯水________，来确定燃料的放热本领。 3.结论：燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是________的。我们用________这个概念来表示燃料放出热量的本领。 【答案】1.①同种燃料完全燃烧时，燃料的质量越大，放出热量越大 ②燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是不同的 ③质量相等的同种燃料，放出的热量与是否充分燃烧有关。 2.相同 相同 温度的升高多少 3.不同 热值 定义：我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。常用字母q 表示。 热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位是由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 热值是燃料自身的特性。在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 热值是燃料本身的性质。对于某些气体燃料，热值在数值上等于在标准状态下1m3燃料完全燃烧放出的热量，单位是焦每立方米，符号是J/m3。 2、 热机效率 热机一般是通过燃料的燃烧来做功的。燃料燃烧放出的能量，并不能全部用来做有用功。汽油在热机汽缸内燃烧释放的能量，只能有一部分能转变为对外做有用功的能量。 1.热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量之比称为热机效率 2.公式： 3.热机效率反映了内能的利用程度，用来描述热机的性能，是热机性能的重要指标。 热机效率是热机的重要指标。效率高，性能好。 蒸汽机的效率很低，只有6%～15%。汽油机的效率为20%～30%。柴油机的效率为30%～45%。 热机的效率是热机性能的重要指标。热机效率高，在做同样多的有用功的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。在设计和制造热机时，要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率。 在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料的利用率的重要措施。 大型发电机常常利用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。这种既能供电又能供热的热电站，比一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 汽油机的效率为 20%~30% 柴油机的效率为30%~45% 【例题精讲】 【例题1】食物也是一种燃料，营养成分在人体细胞里与氧结合，提供细胞组织所需的能量，这种过程没有火焰，但 能同样可以转化为内能，因此人的体温保持在37℃左右。一盒标有“能量：360kJ/100mL”的牛奶，其中“能量”的含义跟 （填“内能”、“热量”、“热值”）相似。100mL牛奶的能量相当于完全燃烧 g干木柴放出的热量。（干木柴的热值为1.2×107J/kg） 【答案】 化学 热值 30 【详解】[1]食物提供人体细胞组织所需的能量时发生的是化学变化，消耗了化学能，得到内能，因此人的体温保持在37℃左右。 [2]一盒标有“能量：360kJ/100mL”的牛奶，表示人体完全吸收100mL该种牛奶可以获得360kJ的热量，所以其中“能量”的含义与热值相似。 [3]需要燃烧干木柴的质量 【例题2】成都大运会火炬“蓉火”取自成都的简称“蓉”，同时寓有“融合”“包容”之意。在燃料方面，“蓉火”采用了生物质丙烷燃料，这种燃料是采用常温 的方法使气体丙烷液化的；火炬结合它的外形特点，优化燃料喷注与空气掺混方案，这种方案能提高燃料的 （选填“功率”或“效率”）；已知丙烷的热值是；若完全燃烧的丙烷，则其放出的热量为 。 【答案】压缩体积 效率 【详解】[1]使气体液化有降低温度和压缩体积两种方法，火炬燃料为丙烷气体，为了便于储存或携带，常温下可采用压缩体积的方法使气体丙烷液化。 [2]火炬的外形特点优化燃料喷注与空气掺混，减少了能量的损失，从而提高了燃料的效率。 [3]完全燃烧的丙烷放出的热量为 【例题3】如图是四冲程汽油机的工作过程中 冲程；若该汽油机功率为8kW，工作1小时使用的乙醇汽油燃烧产生的热量是7.2107J，则汽油机工作的效率为 。 【答案】压缩 40% 【详解】由汽油机四冲程可得是压缩冲程，根据效率公式得到40% 【例题4】如图是载有“天问一号”的火箭发射升空的情景，下列描述错误的是（　　） A．火箭发射时出现的大量“白气”是液化现象 B．火箭点火升空过程中机械能不变 C．火箭向下喷燃气才能上升，是因为力的作用是相互的 D．火箭选择液态氢作为燃料是因为氢的热值大 【答案】B 【详解】A．“白气”是小水滴，是水蒸气遇冷液化形成的，故A正确，不符合题意； B．火箭在加速升空的过程中，质量不变，速度变大，高度变高，则动能变大，重力势能变大，所以机械能变大，故B错误，符合题意； C．火箭向下喷燃气时对气体施加向下的作用力，由于力的作用是相互的，气体对火箭施加一个向上的力，火箭才能上升，故C正确，不符合题意； D．氢的热值大，完全燃烧相同质量的燃料时，氢放出的热量多，所以火箭选择液氢为燃料，故D正确，不符合题意。 故选B。 【课堂练习】 1．关于热机及其效率，下列说法正确的是（　　） A．热机做的有用功越多，效率就一定越高 B．热机的功率越大，效率就一定越高 C．热机把燃料燃烧所释放出的内能全部转化为机械能 D．以上说法都不正确 【答案】D 【详解】A．热机效率是有用功与燃料完全燃烧放出热量的比值，热机做的有用功多，但无法确定燃料完全燃烧放出的热量，因此效率不一定高，故A错误； B．功率是反映物体做功快慢的物理量，与效率无关，故B错误； C．有一部分内能通过废气散失掉，还有一部分克服机械摩擦做了功，所以燃料燃烧所释放出的内能没有全部转化为机械能，故C错误； D．综上，以上选项均不正确，故D正确。 故选D。 2．某汽车质量为，车轮与地面总接触面积为，该车以20m/s的速度在一段平直的公路上匀速行驶了时，消耗汽油。假设燃油完全燃烧，汽油机的效率为，汽油的热值为。下列结果正确的是（　　） ①汽车静止时对水平地面的压强Pa ②汽车发动机做的有用功是J ③汽车受到的阻力是2025N ④汽车的输出功率为4.05×104 W A． 只有①②正确 B．只有①④正确 C．只有②③正确 D．只有③④正确 【答案】D 【详解】①汽车静止时对水平地面的压强 故①错误； ②燃油完全燃烧放出的热量 汽车发动机做的有用功 故②错误； ④汽车行驶时间 可知汽车的输出功率 故④正确； ③汽车匀速行驶，处于平衡状态，根据可知汽车受到的阻力 故③正确。 故选D。 3．一桶煤油用去一半，发生变化的物理量是（   ） A．质量 B．密度 C．热值 D．比热容 【答案】A 【详解】A、物体内所含物质的多少叫做质量.一桶煤油用去一半,则剩余的煤油是原来的一半,因此煤油的质量发生了变化,故A符合题意; B、某种物质单位体积的质量叫做密度.由密度定义可以知道,密度是物体的质量与体积的比值,同种物质,质量与体积成正比.所以密度与物体的质量和体积是无关的,即使物体的质量、体积发生了变化,但它们的比值是不变的,故B不符合题意; C、1kg某种燃料完全燃烧放出的热量叫做这种燃料的热值.由热值定义可以知道,热值是燃料的一种特性,与燃料的质量无关,同种燃料热值是一定的,故C不符合题意; D、单位质量的某种物质温度升高1℃所吸收的热量叫做这种物质的比热容.比热容是物质的一种特性,同种物质比热容是一定的,比热容与物体的质量、升高的温度、吸收的热量都无关,故D不符合题意. 4．甲、乙两台热机，甲的效率比乙的低，其含义是（　　） A．甲热机消耗的燃料多 B．甲热机比乙热机做功少 C．做相同的有用功，甲损失的能量比乙损失的多 D．甲热机的功率比乙热机的小 【答案】C 【详解】A．甲热机消耗的燃料多说明做的总功多，但不知道有用功的大小关系，所以不能确定效率高低，故A不符合题意； B．效率高说明有用功占总功的比值大，不能说明做功的多少，故B不符合题意； C．做相同的有用功时，甲损失的能量比乙损失的多，说明甲消耗的油多，甲的效率低，故C符合题意； D．效率高说明有用功占总功的比值大，功率大表示做功的快，效率与功率没有联系，故D不符合题意。 故选C。 5．2023年1月1日起，国内全面推行国六B汽油，相比国六A汽油，国六B汽油烯烃（碳氢元素组成的化合物）含量降低约，因此汽车发动机工作时，能有效减少尾气中污染物的排放。图为汽车发动机某冲程的示意图，下列说法正确的是（　　） A．该冲程为做功冲程，机械能转化为内能 B．若该汽油机飞轮的转速为，则每秒对外做功20次 C．若汽油在汽缸内完全燃烧，则发动机效率可达 D．尾气中有“汽油味”说明汽油在汽缸中燃烧不完全 【答案】D 【详解】A．如图所示，发动机两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，为做功冲程，此冲程中内能转化为机械能，故A错误； B．四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min=20r/s，即汽油机飞轮每秒转20圈，对外做功10次，故B错误； C．汽车在工作时不可避免的有能量损失，而且要克服机械部件间的摩擦做额外功，效率一定小于100%，故C错误； D．尾气中有“汽油味”，这说明汽油在汽缸中没有完全燃烧，部分汽油被直接排出。故D正确。 故选D。 6．下列说法错误的是（　　） A．热机性能好坏的重要标志之一是热机效率 B．在四冲程内燃机中减少废气带走的大量热量可以大大提高热机效率 C．燃料燃料越充分，热值就越大 D．在压缩冲程中内燃机将机械能转化为内能 【答案】C 【详解】A. 热机的效率高，说明消耗相同的燃料，热机做的功越多，则证明其性能越好，所以A说法正确，不符合题意．B. 热机的工作过程中，废气带走了大部分的热量，所以减少废气带走的热量，可以大大提高热机的效率，B说法正确，不符合题意．C. 燃料的热值就是1kg燃料完全燃烧所放出的热量，跟燃料的种类有关，所以C说法错误，符合题意．D. 在压缩冲程中将机械能转化为内能，所以D说法正确，不符合题意．故选C. 7. 蒸饭时利用煤气灶把锅中的水从加热至沸腾，水吸收的热量是 J，水的内能的改变是通过 实现的。若需要消耗煤气，则煤气灶的效率为 。[水的比热容为，煤气的热值为，气压为1个标准大气压] 【答案】 热传递 20% 【详解】[1]1个标准大气压水的沸点是，水吸收的热量 [2]燃气燃烧产的内能传递给水，水的内能的改变是通过热传递实现的。 [3]煤气完全燃烧放出的热量 煤气灶的效率 8. 核电站只需要消耗很少的核燃料就可以产生大量的电能，大亚湾核电站是中国大陆第一座大型商用核电站，年发电能力约450亿千瓦时，该核电站每年需要约50t的核燃料，而同等规模火力发电站每年则约需要5.0×109kg的煤炭。某锅炉完全燃烧0.7kg的煤炭可以放出 J的热量，若这些热量使20kg的水温度升高了50℃，则水需要吸收 J的热量，该锅炉的热效率为 （煤炭的热值为3×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg·℃）） 【答案】 2.1×107 4.2×106 20% 【详解】[1]由知道，某锅炉完全燃烧0.7kg的煤炭可以放出的热量 [2]由知道，若这些热量使20kg的水温度升高了50℃，则水吸收的热量 [3]由知道，该锅炉的热效率 9．许多同学喜欢吃烤肉串，木炭燃烧的过程是将 能转化为 能的过程。但科学表明，经常吃烧烤食品有害健康。 【答案】化学能 内能 【详解】燃料燃烧的过程是把自身的化学能转化为内能的过程。木炭燃烧的过程是将化学能转化为内能的过程。 【知识结构】 【任务设计】 学科网（北京）股份有限公司 $