第4节 热机的效率（表格式教学设计）物理沪科版（五四学制）2024九年级上册

该初中物理教学设计聚焦“热机的效率”，核心知识点涵盖燃料的热值（定义、单位、计算）与热机效率（定义、能量流向、提高方法）。课堂导入结合生活燃料实例提问，衔接能量转化知识，引导学生思考不同燃料放热差异，搭建认知支架。 资料亮点在于融合科学探究与核心素养，通过实验探究比较不同燃料放热本领（控制变量法），结合视频、思维导图辅助教学，渗透能量观念与科学思维。联系环保讨论效率提升，培养科学态度与责任，助力学生深化理解，提升教师教学效率。

第4节 热机的效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第4节 热机的效率 教材 分析 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 燃料的热值和热机的效率 教学 难点 对热机效率的理解 教学 器材 多媒体课件，视频，教学笔记，教案 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课： 【提出问题】 在人类历史上，发现内能可以做功并制造出热机，是一件了不起的大事情。可以说，工业化社会的出现与发展，在科学技术上有赖于热机的发明及改进。 无论是烧菜做饭，还是奔驰的汽车与火车，乃至直入苍穹的火箭等都离不开燃料。即从原始人类学会用火的那天起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃料燃烧获得的，火的利用给人类社会带来了进步。时至今日，我们的日常生活都离不开燃料的帮助。例举一下生活中我们可以使用哪些燃料烧开一壶水？这些燃料可以如何分类？ 下面开启今天的学习。 学习新课 一、热值 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 【深入学习】 燃烧相同质量的不同燃料，放出的热量是不同的。例如，燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg木柴放出的热量的两倍多。 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。 【实验探究】 （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.[归纳总结]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 【类比不同】 在通常情况下，燃料的热值越大，质量相等的燃料完全燃烧时放出的热量越大。 一些燃料的热值 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。 学习新课 二、热机的效率 在内燃机里，燃料释放的能量都到哪里去了呢？图中表明了某汽车汽油机的能量流向，也表明了有用功在汽车运行中的分配。对照此图，请和同学讨论，描述能量的变化情况。 【思考探究】 在内燃机里，燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？ （1）废气带走很大一部分能量 四冲程内燃机的一个工作循环中， 排气冲程将汽缸中的废气排放掉，但此时废气的温度仍很高，内能损失较大。 （2）一部分能量消耗在散热上 热机大部分是由金属制成的，金属是热的良导体，传递了燃料燃烧所释放的部分能量，所以散热也是能量损失的一个方面。 （3）克服摩擦做功 活塞和曲轴在运动时要克服摩擦做功，这部分能量也要靠燃料燃烧产生的内能来提供。 （4）输出有用功 输出的有用功，是指对我们有用的那部分机械能。 【知识总结】 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。 燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。例如用煤烧水，有效利用的热量只是被水吸收的热量。高温的烟气带走了相当一部分热量，还有一部分热量直接散失掉了。 通常的锅炉，利用效率比较低，因此在节约能源上改造的潜力很大。例如，取暖用的小型锅炉，如果把煤磨成煤粉或煤粒，从而加大氧气的接触面积，把空气吹进炉膛，就会比煤块燃烧得更充分，从而提高燃料的利用率。 想想议议 在内燃机中燃料是否完全燃烧？燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？ 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。 定义：用来所做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机效率。 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。 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： 类比已学过的机械效率等,学习新知识——热机效率 　培养学生交流图表合作的能力 通过学习了解热机的利用与人类社会发展的关系,简述热机使用对环境的不良影响,提高学生的环保意识。 并进行交流回答。会运用 异同点 【典型例题】 【例题1】甲汽油机的热机效率比乙汽油机的热机效率高，这表明（  ） A．做同样多的有用功，乙消耗的汽油多 B．甲做功比乙快 C．甲消耗的汽油比乙少 D．消耗同样多的汽油，甲做的额外功多 【答案】A 【详解】A．甲汽油机的热机效率，乙的是，甲汽油机的热机效率比乙汽油机的热机效率高，即 做同样多的有用功，那么，，乙消耗的汽油多，选项A符合题意； B．热机效率高，但是不知道谁的功率大，不知道谁做的功快，B项不合题意； C．由上述 可以知道做的有用功不一样，那么不知道谁消耗的汽油多，C项不合题意； D．消耗同样多的汽油，即，由 可得，，甲的额外功是 乙的额外功是 则，D项不合题意． 【例题2】设干木柴燃烧放出的热量有20%被水吸收，完全燃烧质量1kg，热值为的干木柴，能使质量40kg，初温30℃的水温度升高到（　　） A．15℃ B．30℃ C．45℃ D．60℃ 【答案】C 【详解】干木柴完全燃烧放出的热量 水吸收的热量 由可知水升高的温度 所以水的末温 故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 【例题3】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。 【例题4】甲、乙两台汽油机，P甲>P乙，η甲≤η乙，则（　　） A．甲比乙做功快 B．甲比乙做功多 C．甲比乙消耗燃油质量多 D．甲和乙消耗燃油质量一样多 【答案】A 【详解】A．由题意可知，甲汽油机的功率大于乙汽油机的功率，功率是表示做功快慢的物理量，故甲比乙做功快，故A正确； B．做功的多少与功率和做功时间均有关，虽然甲的功率大于乙的功率，但不知道做功时间，故无法比较甲和乙做功的多少，故B错误； CD．乙的效率大于等于甲的效率，在做相同的有用功的情况下，甲消耗的燃油质量大于等于乙消耗的燃油质量，故CD错误。 故选A。 【例题5】如图所示是汽油机的能量流向，对照此图，下列说法正确的是（　　） A．由于能量守恒，热机的效率可以达到100% B．排放的废气不会造成环境的污染 C．该汽油机的热机效率为70% D．废气的排放所占比例最大，减少该部分能量损失是提高热机效率的有效手段 【答案】D 【详解】A．热机工作时由于要克服机械间的摩擦做额外功、同时也存在热散失、并且废气带走大部分能量，所以热机的效率较低，不能达到100%，故A错误； B．汽车排放的废气是空气污染的主要原因之一，故B错误； C．该汽油机的热机效率为 η＝100%﹣33%﹣30%﹣7%＝30% 故C错误； D．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，叫热机的效率。由图示知，废气带走了大部分的能量，所以减少该部分的能量损失是提高热机效率的有效手段，故D正确。 故选D。 【例题6】有甲、乙两台柴油机，在相同的时间内，它们所做的有用功之比是 ，消耗柴油的质量之比是 ，那么它们的效率之比是   A. B. C. D. 【答案】 B 【解析】根据 求出燃料完全燃烧放出的热量。它们的效率之比： 故答案为：B。 【例题7】下列提高炉子效率的措施中，不正确的是   A. 把煤磨成粉，用空气吹进炉膛 B. 把煤粒在炉膛里吹起来燃烧 C. 把炉子密封起来不与空气接触，尽量减小热量损失 D. 用各种方法加大受热面 【答案】 C 【解析】要提高炉子的效率，需要使燃料充分燃烧，并且减减少能量的损失。 A和B都炉子鼓风，增加空气供给量可以增大可燃物与氧气的接触面积，可以促进可燃物的燃烧，使煤充分燃烧，所以A、B方法是正确的。 把炉子密封起来不与空气接触，尽量减小热量损失，不一定能提高提高炉子的效率，所以C说法不正确。增大受热面可以减少能量的损失，以提高燃料的利用率，所以D说法正确 【例题8】汽油机的效率是 ，柴油机的效率是 ，如果它们的功率相同，则在相同时间内燃烧的汽油和柴油产生的内能之比为   A. B. C. D. 【答案】B 【解析】如果它们的功率相同，则在相同时间内所做有用功相同即：。 又 ，，所以由 得： 故答案为：B 【例题9】关于燃料及其热值，下列说法中正确的是   A. 没有燃烧的燃料，热值等于零 B. 燃料完全燃烧时，它的热值最大 C. 燃料的热值与质量和燃烧状态无关 D. 燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 【答案】C 【解析】（）热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量无关，与燃料是否完全燃烧无关，与产生的热量无关，故AB错误、C正确； （）由 可知，燃料燃烧放出的热量，与燃料的质量、热值和是否完全燃烧有关，与燃烧的温度无关，故D错误。 故选：C。 通过例题的形式帮助学生更好的理解。 热机效率的利用的重要意义。 训练学生的问题及解决问题的能力,问题要当堂识记 理解掌握热机效率，激发学生兴趣 加深热值理解。 通过习题的练习，提高了教学效率。 分析教学难点(效率计算）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 【素养提升】 提高热机效率的方法有哪些？ 1.使燃料充分燃烧； 2.尽量减少各种热量损失，设法利用废气； 3.在热机的设计和制造上采用先进的技术； 4.注意保养，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量 【课堂练习】 1.下列说法不正确的是（　B　） A．燃料的热值越大，完全燃烧1千克的这种燃料放出的热量就越多 B．某物质的比热容越大，由该物质组成的物体温度升高时吸收的热量就越多 C．使热机的燃料燃烧更充分，可以提高热机效率 D．用水作为汽车发动机散热器的冷却剂，其主要原因是水的比热容较大 2．关于热机效率的说法中，正确的是（　D　） A．热机所用燃料的热值越大，效率越高 B．热机所做的有用功与燃料完全燃烧放出热量之比为热机效率，且功率越大，热机效率越高 C．不断创新和改进热机结构，可以提高热机效率，使热机效率等于1 D．蒸汽机、汽油机和柴油机的热机效率分别是η1、η2、η3，则有η1<η1<η3 3．2022年11月29日，长征二号F遥十五运载火箭搭载神舟十五号载人飞船成功发射升空，顺利到达空间站。关于运载火箭发射升空时涉及物理知识，下列说法正确的是（ A   ） A．周围的空气内能增大主要通过热传递方式 B．火箭燃料燃烧时的利用率可以达到100% C．大量“白气”涌向四周是扩散现象 D．运载火箭使用的燃料热值较小 4.如图所示，甲、乙、丙三图中装置完全相同，燃料的质量都是10g，烧杯内的液体初温相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验；在比较不同物质的比热容时，得到液体a、b温度随时间变化如图丁所示，则液体 的比热容较大； （2）若在研究不同燃料热值实验时，记录数据如表： 燃料 加热前液体温度/℃ 燃料燃尽时液体温度/℃ 燃料的热值/（J/kg） 1 15 35 2.4×106 2 15 25 根据表中数据计算，燃料2的热值为 J/kg； （3） 通过实验得到的燃料热值与实际值相比偏 （选填“大”或“小”），你认为出现这种情况的主要原因是 。 【答案】甲乙 b 1.2×106 小 有热散失，燃料燃烧放出的热量没有全部被水吸收 【详解】（1）[1]燃料放出热量与燃料的质量和热值有关，比较不同燃料的热值，应控制燃料质量相等，通过被加热的同质量的同种液体升高的温度的多少反应燃料放出热量的多少。由图甲、乙所示实验，燃料不同而被加热的液体相同，应用图甲、乙所示实验可以比较不同燃料的热值大小。 [2]由图丁所示图像可知，加热相同时间，即吸收相等热量时，b升高的温度低，因此b的比热容大。 （2）[3]由表中数据可知，燃料1完全燃烧释放的热量为 ① 燃料2完全燃烧释放的热量为 ② 联立①②，解得燃料2的热值为 （3）[4][5]因为存在热散失，燃料燃烧放出的热量没有全部被水吸收，有一部分散失在了空气中，还有一部分被烧杯等吸收，测得的热量比放出的热量偏小，所以测得的热值会偏小。 5．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量也相同。 （1）①比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验； ②比较不同物质的比热容，应选择 两图进行实验，该实验通过 反映物体吸热的多少； （2）比较不同物质的比热容，选用如图合适装置加热相同一段时间后，液体a升温多，由此可知： ①液体a的比热容 （选填“大于”或“小于”）液体b的比热容； ②质量相同的液体a与b，升高相同的温度时，液体a吸收的热量 （选填“大于”或“小于”）液体b吸收的热量； （3）若甲图烧杯中为50mL的水，10g酒精完全燃烧温度计示数升高了20℃，则： ①若酒精完全燃烧放出的热量全部被水吸收，酒精的热值为 J/kg；[水的比热容为4.2×103J/(kg•℃）] ②算出的热值比标准值 （选填“偏大”、“偏小”或“一样”） 【答案】甲、乙 甲、丙 加热时间的长短 小于 小于 4.2×105 偏小 【详解】（1）①[1]比较不同燃料的热值，应选择不同的燃料加热相同的物质，即用甲、乙两图进行实验。 ②[2][3]比较不同物质的比热容，应使用相同的热源，控制不同液体在相同时间内吸收的热量相同，通过温度的变化来判断不同液体的吸热能力，应选择甲、丙两图进行实验，根据转换法，实验通过加热时间的长短反映物体吸热的多少。 （2）①[4]加热相同时间，a升温高，根据比较吸热能力的方法，液体a的比热容小于液体b的比热容。 ②[5]用相同的加热器，加热相同一段时间，液体a升温多，由此可知，质量相同的液体a、b吸收相同的热量，液体a升高的温度多，说明液体a的比热容小，所以当质量相同的液体a与b，升高相同的温度时，加热液体a吸收的热量少。 （3）①[6]50mL水的质量为 m＝ρ水V＝1×103kg/m3×50×10-6m3＝0.05kg 水吸收的热量 Q吸＝cmΔt＝4.2×103J/(kg•℃)×0.05kg×20℃＝4.2×103J 根据题意可知，Q吸＝Q放，由Q放＝qm可知，酒精的热值为 ②[7]酒精完全放出的热量并没有全部被水吸收，所以算出的热值比标准值偏小。 帮助学生更好理解。 通过课堂训练 练习题目提高教学效率。 板 书 设 计 第4节 热机的效率 1.热机效率。 2.提高热机效率的方法 3.热值的定义，计算 4.热值燃料运用 课 堂 小 结 第4节 热机的效率 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 $