2 热机效率 （表格式教学设计）物理教科版2024 九年级上册

2.2 热机效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 2.2 热机效率 教学 目标 物理观念 理解热机效率概念，掌握热机效率的计算公式，知道其是衡量热机能量的有效利用程度的物理量。 科学思维 能用效率公式进行定量计算，并分析提高效率的途径和限制。 科学探究 通过分析内燃机等热机的能量流向图，认识其能量损耗的主要途径，培养信息处理能力。 科学态度 与责任 认识提高热机效率对节约能源、保护环境的重要意义，初步形成可持续发展的社会责任观。 教材 分析 本节是初中物理能量观念从理论认知走向工程实际应用的关键桥梁，实现了从理想能量转化（如机械能守恒）到现实能量损耗分析（如热机）的认知飞跃，是树立能量守恒与耗散观念、培养科学社会责任感的核心章节。 教材通过对比内燃机工作模型与汽车油耗等真实数据，直面“燃料燃烧释放的能量为何不能全部做功”这一核心矛盾，深刻体现了“从物理走向社会”的理念。内容主要围绕热机效率概念的三大核心层次展开系统建构： 一是现象与问题引入（通过分析热机工作时的能量流向，认识到能量损耗的必然性，建构“效率”概念的必要性）； 二是定量定义（明确热机效率的定义式 η=W有/W总×100%，理解其物理意义和定量计算方法）； 三是应用与拓展（分析提高热机效率的途径与技术局限，并探讨热机效率低下对能源消耗和环境保护的影响）。 在教学过程中，需要重点把握“实际矛盾→模型分析→概念量化→应用计算→社会反思”的认知逻辑。其中，热机效率概念的建立、能量流向图的识读与效率公式的简单计算是教学重点；而理解“效率”概念的普适性、认识到提高效率的理论途径与技术极限，以及从能量角度进行跨学科的社会问题思考则是学生需要突破的难点。。 学情分析 1. 知识储备分析： 学生已系统学习了内能、热传递、燃料的热值等概念，并掌握了机械功和功率的计算，这为理解“热机是将内能转化为机械能的机器”及“效率是输出功与输入热量的比值”奠定了核心知识基础。但容易混淆“热值”、“效率”等概念，对能量在转化过程中“方向性”和“耗散”的理解存在困难。 2. 思维能力分析：学生已具备运用公式进行定量计算和利用框图分析能量转化的初步能力。但将实际的、复杂的热机工作过程抽象为理想化的能量流向模型，并从中提取有效信息进行效率分析的抽象概括与模型建构能力，仍是需要重点培养的关键。 3. 学生对汽车、火箭等热机实物有浓厚的兴趣，对“省油”、“续航”等现实问题有强烈的探究欲。通过揭示“大部分能量被浪费”的现实矛盾，能有效激发其认知冲突，进而引导其关注技术优化与可持续发展，培养社会责任感。 教学重点 1. 掌握热机效率的概念及其计算公式；2. 了解提升机械效率的方法。 教学难点 区分“总能量”、“有用功”和“损失能量”，并正确应用于公式计算。 教学 器材 多媒体课件。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】 （1）热机工作时通过燃烧燃料，将其中储存的化学能转化为机械能。在这一过程中，燃料是否完全燃烧？释放的热量能否被完全利用？不同的热机在能量利用方面的性能是否相同？ （2）随着科学的发展，越来越多的人造卫星和宇宙飞船的火箭被发射，它们是如何到达太空的？ 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、热机效率 1. 生活中的热效率 【提出问题】家里用的燃气灶、电热水器，它们在使用过程中能量如何转化？有哪些能量损失？如何比较它们的性能好坏？ 【分析归纳】以燃气灶烧水为例，燃烧煤气获得内能，但燃料的燃烧不可能百分之百完全燃烧；火焰会向四周辐射热量，一部分热量并没有射向锅底，而是直接散失到环境中；大量的热量首先用于给水壶（或锅）本身加热，使其达到高温。这部分能量对于烧水本身是“浪费”的；高温的烟气（废气）从锅底四周升起向周围逸散，它们携带了大量的热能；只有真正被水吸收的热量才是被有效利用的，而这部分热量只是总热量的一部分。 【结论】（1）热效率（锅炉、燃气灶等的燃料利用率）：有效利用的热量与燃料完全燃烧所放出的热量之比，计算公式：η=Q有/Q总×100%。通常这类锅炉的燃料利用率较低，因此在节能方面具有较大的改造潜力。 （2）提高锅炉燃料热效率的方法： ① 尽可能使燃料充分燃烧，例如将煤研磨成煤粉或煤粒，并向炉膛内吹入空气等。 ② 减少热量散失，例如增大受热面积，在炉具中使用保温材料等。 【例题1】用天然气热水器（如图所示）将质量为40kg、温度为15℃的水加热到40℃，完全燃烧了的天然气。已知，。求： (1)水吸收的热量。 (2)天然气完全燃烧放出的热量。 (3)烧水过程中热水器的效率。 【答案】(1) (2) (3)80% 2. 热机效率 【思考】热机也是通过燃料燃烧获取内能并将其转化为机械能的装置，各种各样的热机在能量利用率方面又有什么特点？。 【归纳总结】 （1）汽车内燃机使用时的能量走向： 汽油在汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量；废气带走了一部分能量；热机自身对外散热，带走了一部分能量；由于机械传动等克服摩擦要消耗一部分能量；机体自身吸收一部分能量等。 所以真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外转化的机械能是被有效利用的。 （2）热机效率： 定义：热机所做的有用功与燃料完全燃烧释放的热量的比值； 计算公式：； 热机效率的认识：热机效率是描述热机性能的重要指标，因为有用功只是总能量的一部分，热机效率必然小于1。其值越高，说明热机的能量转换性能越好。 （3） 一部分热机的效率 【例题2】汽油通常从石油中提炼而成，10kg汽油完全燃烧放出的热量是 J。如图为某汽油机工作时的能量流向图，其消耗10kg汽油输出的有用功可以让质量为1000kg、初温为20℃的水升高到 ℃。（汽油的热值， 【答案】 【例题3】有一台汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油，热值为4.6×107J/kg，求： (1)这些汽油完全燃烧产生的热量是多少？ (2)若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能是多少？ 【答案】(1)4.6×105J (2)1.38×105J 3. 提高热机效率的方法 （1）改善燃烧条件，使燃料充分燃烧：让燃油和空气更充分地混合燃烧，把燃料的化学能更多释放出来； （2）减少散热损失，如使用隔热材料：给发动机穿上“隔热外套”，减少热量散失，让能量更多用来做功； （3）利用废气能量，如涡轮增压技术：用高温废气的力量推动涡轮增压器，压缩更多空气进入气缸，提升动力； （4）减小摩擦损失，优化机械结构：使用更好的润滑油和光滑材料，减少零件间摩擦，节省被浪费的动能等。 【总结】总有一部分能量会以各种形式损耗掉，提高效率的核心就在于减少这些不必要的能量损失，需要从燃烧、散热、废气和摩擦等多个方面协同改进。 【例题4】从如图所示的内燃机能流图可以看出，它的能量损失所占的百分比是：废气内能35%，散热损失30%，机械损失10%，则内燃机的热机效率是 。下列措施不能提高热机效率的是 （选填序号） ①尽量使燃料充分燃烧；②尽量选用功率更大的发动机；③尽量减少废气带走的热量；④尽量减少热机部件间的摩擦损耗。 【答案】 25% ② 结合生活实际，引导同学们思考家中燃气灶、热水器等加热工具使用时的能量转化及性能好坏并加油总结归纳。 引出热效率的概念及计算方法。 完成例题1，巩固热效率的概念及计算方法掌握。 提出问题，结合热效率引导同学们思考热机工作的特点。 整理归纳汽车内燃机工作时的能量走向。 总结热机效率概念、计算方法。 表格呈现部分热机的热机效率大小。 完成例题2例题3强化对热机效率的认识及基本计算。 梳理提高热机效率的方法。 完成例题4，进一步强化对提升热机效率的认识。 学习新课 二、改变世界的热机 热机的发明和改进，是推动人类社会生产力飞跃和文明进步的核心动力。从蒸汽机到现代的喷气发动机，热机的每一次革新都深刻地改变了世界的面貌。 （1） 蒸汽机：开启工业革命的钥匙 18世纪60年代瓦特改良的蒸汽机广泛应用，提供强大稳定动力，终结了依赖人畜力、风水的历史，使工厂摆脱河流束缚，推动纺织、采矿、冶金机械化，并催生蒸汽机车与轮船，缩短地域距离，促进世界市场形成，引领人类进入以“火”为动力的“蒸汽机时代”，完成第一次工业革命。 （2）现代热机：多样发展，追求高效与强大 为了满足不同领域对动力更强大、更高效、更便捷的追求，人们在蒸汽机的基础上不断探索，发明了种类繁多、构造各异的现代热机。 轮机：利用高速蒸汽或燃气冲击叶片使叶轮持续旋转，早期用于火车，现代是火电厂、核电站和大型舰船的发电与动力核心； 活塞式内燃机：燃料在气缸内燃烧，结构紧凑效率高，广泛用于汽车、农机、轮船等，是现代交通与农业的主要动力来源； 喷气发动机：通过向后喷出高温高压气体产生反推力，效率极高适于高速飞行，是飞机、火箭的航天主力，缩短全球距离。 总结：从笨重的蒸汽机到轻捷的喷气发动机，热机的发展史就是一部人类追求更高效率和更强大动力的创新史。每一种热机的诞生和应用，都不仅解决了当下的动力问题，更催生了新的产业和生活方式，深刻地改变着世界。 介绍热机在人类历史上的卓越贡献及部分热机的特点。 学习新课 三、飞向太空 从飞天传说到太空家园，热机推动着人类跨越天际的梦想。 （1）古代火箭与原理：中国古人万户利用火药燃气反冲尝试飞天，其火箭原理与现代一致，均为气体膨胀高速喷出产生推力推动前进； （2）现代火箭与应用：现代多级火箭通过逐级脱落减重升空，可发射卫星和载人飞船，如我国长征火箭成功实现载人航天、空间对接和空间站建设； （3）航天成就与意义：从神舟五号到空间站，中国长征火箭系列成功将多批航天员送入太空，标志着我国迈入航天大国和太空文明新时代。 【例题5】2023年5月30日神舟十六号载人飞船成功发射升空，这是中国航天工程实现的又一个历史性突破。下列有关说法正确的是（　　） A．神舟十六号加速上升时，其机械能不变 B．发射火箭与热机压缩冲程的能量转化相同 C．神舟十六号加速上升时，重力势能转化为动能 D．火箭发射时，将燃料燃烧获得的内能转化为机械能 【答案】D 梳理热机在航空事业中的重要性。 完成例题5，整理火箭相关知识 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．甲热机的效率高于乙热机的效率，则（　　） A．甲热机的功率大于乙热机的功率 B．甲热机消耗的燃料质量比乙热机的少 C．甲热机做的有用功比乙热机的多 D．甲热机的燃料利用率比乙热机的高 【答案】D 【详解】A．功率是表示机械做功快慢的物理量，效率高的机械，做功不一定快，故A不符合题意； BC．热机消耗燃料的多少与热机效率、做的有用功等都有关，题中只知热机效率，未知其他，故无法比较消耗燃料的多少、做的有用功的多少，故BC不符合题意； D．甲的效率高，则说明做相同的有用功，甲损失的能量少，即做相同的有用功，甲消耗的燃料比乙消耗的燃料少，甲热机的燃料利用率比乙热机的高，故D符合题意。 故选D。 2．下列关于热机效率的说法中正确的是（　　） A．热机的效率是描述热机性能的重要指标 B．通过技术的改进，热机的效率可以达到100% C．汽车排出的尾气越浓，汽油机的效率越高 D．热机是将燃料燃烧获取的化学能转化为机械能的装置 【答案】A 【详解】A．热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，热机的效率是热机性能的重要指标，故A正确； B．热机工作时由于要克服机械间的摩擦做额外功、同时也存在热损失，并且废气带走大部分能量，所以热机的效率很低，不能达到100%，故B不正确； C．热机工作时，燃料燃烧放出的废气会带走大部分能量，汽车排出的尾气越浓，燃料燃烧越不充分，放出的热量越少，汽油机的效率越低，故C不正确； D．热机是通过燃料的燃烧获取的内能并转化为机械能的装置，故D不正确。 故选A。 3．内燃机的发明是第二次工业革命中应用技术领域的一项重大成就。如图所示为单缸四冲程汽油机的一个冲程示意图，若该汽油机的效率为30%，飞轮每分钟转动1800圈，则下列说法正确的是（　　）(q汽油=4.6ｘ107J/kg) A．图中所示冲程是压缩冲程 B．若该汽油机完全燃烧5kg汽油，则汽油机做的有用功为2.3ｘ108J C．该汽油机在1s内做功30次 D．汽油机消耗的燃料越少，效率一定越高 【答案】A 【详解】A．由图可知，两气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，故A正确； B．汽油机做的有用功为 故B错误； C．该汽油机飞轮每分钟转动1800圈，则每秒转动30圈，该汽油机飞轮转动2圈对外做功一次，则在1s内做功15次，故C错误； D．根据可知，汽油机消耗的燃料越少，燃料完全燃烧释放的热量越少，做的有用功未知，故效率不一定越高，故D错误。 故选A。 4．随着科技发展，人们已经开始将氢能作为一种新能源加以利用。已知氢燃料的热值为1.4×108J/kg，水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)。如果一辆汽车平均每月消耗氢燃料30kg，这些氢燃料完全燃烧释放的热量为 J，若这些热量80%被水吸收，可使 kg水的温度从20℃升高到100℃。 【答案】 4.2×109 10000 【详解】[1]氢燃料的质量为，氢燃料完全燃烧释放的热量为Q放=mq=30kg×1.4×108J/kg=4.2×109J [2]若这些热量80%被水吸收，则水吸收的热量为Q吸=ηQ放=80%×4.2×109J=3.36×109J 由公式得加热水的质量为 5．如图甲是幼苗成熟后使用履带式联合收割机收割的场景，其内部发动机的能量流向如图乙所示。各种形式的内能损失中，损失内能最多的是 的能量；已知该收割机以柴油作为燃料，某次收割过程发动机做的有用功为2.58×108J，则此过程共消耗 kg柴油。（q柴油=4.3×107J/kg） 【答案】 废气带走 15 【详解】[1]由图乙得，废气带走的热量占的比例为 则损失内能最多的是废气带走的能量。 [2]由得，消耗的能量产生的热量为 由得，此过程共消耗的柴油的质量为 6．小明家用天然气做饭时，将一壶质量为1.5kg的水由20℃烧至100℃时，消耗了天然气0.02m³，已知水的比热容为4.2×10³J/（kg·℃），天然气的热值为3.6×10⁷J/m³，求： (1)壶中水吸收的热量； (2)天然气完全燃烧放出的热量； (3)用天然气烧水时的效率。 【答案】(1)5.04×10⁵ J (2)7.2×10⁵ J (3)70% 【详解】（1）质量为1.5kg的水由20℃烧至100℃时吸收的热量为 （2）0.02m³的天然气完全燃烧放出的热量为Q放=Vq=0.02m3×3.6×10⁷J/m³=7.2×105J （3）用天然气烧水时的效率为 板 书 设 计 第2节 热机效率 一、热效率 （1）定义：有效利用的热量与燃料完全燃烧所放出的热量之比。 （2）公式：。 2、 热机效率 （1） 定义：热机所做的有用功与燃料完全燃烧释放的热量的比值。 （2） 公式：。 （3） 提升方法：改善燃烧、减小散热、废气利用、减小摩擦。 课 堂 小 结 2.2 热机效率 作 业 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步分层作业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $