14.2 热机（预习讲义）2025-2026学年人教版物理九年级全一册

2025-2026学年物理九年级全册人教版 第十四章 内能的利用 第2节 热机（预习讲义） 姓名： 班级： 学习目标 1. 知识与技能： (1) 知道热机的定义和工作原理，能说出热机中能量的转化。 (2) 知道内燃机是热机的一种，了解内燃机的基本构造和工作过程。 (3) 知道汽油机和柴油机的主要区别。 (4) 了解燃料的热值，知道热值是燃料的一种特性，能说出热值的单位及物理意义。 (5) 知道热机效率的定义，了解提高热机效率的途径和意义。 2. 过程与方法： (1) 通过阅读和观察，能简单描述内燃机的四个冲程。 (2) 能从能量转化的角度分析热机的工作过程。 3. 情感态度与价值观： (1) 了解热机在生产和生活中的应用，认识到科学技术对社会发展的作用。 (2) 初步认识热机效率，了解节约能源和环境保护的重要性。 知识梳理 1. 热机： (1) 定义： 利用内能做功的机械。 (2) 原理： 将燃料燃烧产生的高温高压燃气的内能转化为机械能。 (3) 种类： 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 2. 内燃机： (1) 定义： 燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。 (2) 最常见类型： 汽油机和柴油机。 (3) 基本构造（以汽油机为例）： 汽缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞等。 (4) 工作过程： 一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成，对外做功一次，曲轴飞轮转动两周。 · 吸气冲程： 吸入汽油和空气的混合物（汽油机）或空气（柴油机）。 · 压缩冲程： 机械能转化为内能，气体温度升高、压强增大。 · 做功冲程： 内能转化为机械能，是唯一对外做功的冲程。 · 排气冲程： 排出废气。 3. 燃料的热值： (1) 定义： 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。 (2) 符号： q (3) 单位： 焦耳每千克（J/kg），气体燃料有时用焦耳每立方米（J/m³）。 (4) 物理意义： 表示单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时放出热量的多少。 (5) 公式： Q放 = mq （或 Q放 = Vq ，对于气体燃料） · 其中 Q放 表示燃料完全燃烧放出的热量，m 表示燃料的质量，V 表示气体燃料的体积，q 表示燃料的热值。 4. 热机的效率： (1) 定义： 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，叫做热机的效率。 (2) 公式： η = (W有用 / Q放) × 100% · 其中 η 表示热机效率，W有用 表示热机做的有用功，Q放 表示燃料完全燃烧放出的总能量。 (3) 提高效率的主要途径： 减少热机工作过程中的各种能量损失（如减少废气带走的能量、减少机械摩擦损失等）。 知识讲解 1. 热机的基本原理： 热机是将内能转化为机械能的机器。燃料燃烧时，化学能转化为内能，这些内能传递给工作物质（通常是气体），工作物质受热膨胀对外做功，将一部分内能转化为机械能，驱动机器运转。例如，汽车发动机就是通过燃烧汽油，让燃气推动活塞运动，进而带动车轮转动。 2. 内燃机的工作过程详解（以汽油机为例）： 内燃机的核心部件是汽缸和活塞。活塞在汽缸内做往复运动，通过连杆带动曲轴转动。一个完整的工作循环包括四个冲程： (1) 吸气冲程： · 进气门打开，排气门关闭。 · 活塞由汽缸顶部向下运动。 · 汽缸内体积增大，气压减小，外界的汽油和空气的混合物被吸入汽缸。 (2) 压缩冲程： · 进气门和排气门都关闭。 · 活塞向上运动。 · 汽缸内的混合气体被压缩，体积变小，压强增大，温度升高（机械能转化为内能）。 · 这个冲程类似于给自行车打气时，气筒壁会发热。 (3) 做功冲程： · 进气门和排气门都关闭。 · 在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，点燃汽缸内的混合气体。 · 混合气体剧烈燃烧（爆炸），产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动。 · 活塞通过连杆带动曲轴转动，对外做功（内能转化为机械能）。 · 这是内燃机中唯一对外输出动力的冲程。 (4) 排气冲程： · 进气门关闭，排气门打开。 · 活塞向上运动。 · 汽缸内燃烧后的废气被活塞推挤，排出汽缸。 (5) 小结： 四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其他三个冲程（吸气、压缩、排气）要靠飞轮的惯性来完成。每完成一个工作循环，活塞往复两次，曲轴转动两周，对外做功一次。 (6) 汽油机与柴油机的主要区别： · 吸入物质： 汽油机吸入汽油和空气的混合物；柴油机只吸入空气。 · 点火方式： 汽油机是点燃式（火花塞点火）；柴油机是压燃式（压缩冲程末，空气温度升高到柴油燃点，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇热空气自动燃烧）。 · 结构上： 汽油机有火花塞，柴油机有喷油嘴。 · 一般特点： 汽油机比较轻巧，常用于汽车、摩托车等；柴油机效率较高，比较笨重，常用于载重汽车、拖拉机、轮船等。 3. 燃料的热值： (1) 理解： “完全燃烧”是指燃料烧尽，没有剩余，这是一种理想情况。热值是燃料本身的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否完全燃烧等均无关。例如，无论1千克还是2千克的汽油，其热值都是固定的。 (2) 公式应用： 如果知道某种燃料的热值q和它的质量m（或体积V），就可以用公式Q放 = mq （或Q放 = Vq）计算出它完全燃烧时放出的热量Q放。例如，酒精的热值是3.0×10⁷ J/kg，表示1千克酒精完全燃烧放出的热量是3.0×10⁷焦耳。 4. 热机的效率： (1) 能量流向： 热机工作时，燃料完全燃烧放出的能量Q放，并不是全部都能转化为有用功W有用。相当一部分能量会损失掉，例如： · 废气会带走大量的能量。 · 热机部件散热会损失能量。 · 克服热机各部件之间的摩擦会消耗能量。 (2) 效率意义： 热机效率η总是小于100%。效率越高，表示热机将燃料燃烧放出的能量转化为有用功的比例越大，能源利用得越充分。 (3) 提高效率的方法： 主要从减少能量损失入手，如：让燃料尽可能充分燃烧；减少废气带走的热量；减小机械部件间的摩擦；保证热机良好的润滑等。 知识总结 · 核心概念： 热机是将内能转化为机械能的机器。内燃机是最常见的热机，分为汽油机和柴油机。 · 工作循环： 内燃机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，其中只有做功冲程对外做功，将内能转化为机械能，其他冲程靠飞轮惯性完成。 · 燃料特性： 热值是描述燃料燃烧放热本领的物理量，不同燃料热值一般不同。 · 能量利用： 热机效率反映了热机对能量的利用率，提高热机效率具有重要的经济和环保意义。 巩固练习 一、单项选择题 1．如图所示，是中国国家博物馆原始社会厅中展示的一种取火器，它以牛角作外套筒，木制推杆，杆前端粘附艾绒，取火时，一手握住套筒，一手猛推杆入筒，属用将杆拔出，艾绒即燃，它的尺寸如图，下列说法中正确的是（　　） A．这种取火器的体积太大，不便于携带 B．取火时是通过做功增加筒内空气的内能 C．取火时是通过热传递增加简内空气的内能 D．取火的原理与汽油机的做功冲程相同 2．如图所示，迅速压下活塞的过程相当于柴油机的（　　） A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程 3．如图所示，烧开水时壶盖可能被顶开，这个过程与内燃机的某个冲程类似。下列说法正确的是（　　） A．该过程是机械能转化为内能 B．该过程与内燃机的做功冲程类似 C．内燃机处于与该过程类似的冲程时进气门是打开的 D．内燃机与该过程类似的冲程是依靠飞轮惯性完成工作的 4． 小勇在厨房煮鸡蛋时，由观察到的现象联想到的物理知识，正确的是（　　） A．鸡蛋浸入水中的体积越大，所受浮力越大 B．鸡蛋沉入水底静止时，所受浮力大于重力 C．给水加热，主要是通过做功的方式增大水的内能 D．锅盖被水蒸气顶起的过程与内燃机的压缩冲程，发生的能量转化相同 5．如图所示，这是四冲程汽油机处于某冲程时的示意图。该冲程中，汽缸内的混合物质（ ） A．温度降低，内能减小 B．温度降低，内能增大 C．温度升高，内能增大 D．温度升高，内能减小 6．下图是四冲程汽油机的工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．丁冲程中主要是通过热传递的方式改变汽缸内物质的内能 B．乙冲程中吸入的物质只有空气 C．甲冲程中存在化学能转化为内能的过程，汽缸内气体分子运动剧烈程度增强 D．这四个冲程的正确顺序是乙→甲→丁→丙 二、填空题 7．如图甲为一种经常在喜庆场合使用的手持礼炮，其结构简化图如图乙所示。使用时，气罐内的高压气体推动纸简内的彩条沿纸简方向快速喷出，这说明力可以改变物体的　 　，此过程中的能量转化与内燃机的　 　冲程相同。 8．在吹气球时，吹大了的气球没握住，它叫啸着飞跑了！ 图甲情景中的能量转化过程与图　 　（选填“乙”或“丙”）所示热机工作冲程相同。若该热机的飞轮转速是1800r/min，则热机每秒对外做功　 　次。 9．如图甲所示是四冲程汽油机的　 　冲程示意图，它将　 　能转化为机械能，与它原理相同的是　 　(选填“乙”或“丙”)图所示的演示实验. 10．寒冷的冬季，小丽和小军冻得伸不出手，于是分别采取了图甲和图乙所示的不同取暖方式。从物理学的角度来看，小军是通过　 　的方式增加手的内能：两种增加内能的方式是　 　(选填“等效””或“不等效”)。小军看到一台单缸四冲程汽油机工作原理图，上面标记了飞轮转速1200r/min， 则它的气缸内燃气每秒钟对外做功　 　次。 11．图甲是我国古代发明的取火器的模型图，把木制推杆迅速推入牛角套筒时，杆前端的艾绒燃烧起来，这是通过　 　的方式，使筒内空气的内能增加，温度升高。这一过程与图乙所示的内燃机工作冲程的能量转化方式　 　（选填“相同”或“不同”），如果这台内燃机工作时飞轮转速为，则它每秒钟可以完成　 　个工作循环。 12．塑料瓶是一种常见的生活物品，空塑料瓶可以做许多物理小实验。在安全情况下，小明用高压打气筒往封闭空塑料瓶内打入空气，如图所示。随着瓶内气压增加，气体内能增大，这是通过　 　方式改变瓶内气体内能。当气压达到一定程度时，瓶盖飞出，这一过程与内燃机　 　冲程的能量转化情况相同。 三、实验探究题 13．物理兴趣小组为了探究水火箭射程与瓶内液体质量的关系，设计了两种改变瓶内液体质量的方案：方案一，相同体积只改变液体的密度；方案二，同种液体只改变液体的体积。 经查阅资料得知：水火箭射程还与瓶内液体占总体积的比例、瓶内气压和发射角度等因素有关。他们决定采用方案一，并用图甲装置和有关测量工具进行如下实验。 实验步骤： ①取一可乐瓶作为水火箭内胆，瓶内装入体积为 V 的水，将其放置在已固定角度的发射架上； ②用打气筒给水火箭打气，直至瓶内气压为p； ③打开开关，可乐瓶内的高压气体推动水向后喷出，水火箭向前飞出； ④测出水火箭的射程，多次实验取平均值； ⑤用食盐和水配制A、B、C三种密度不同的溶液，均量取体积为V的溶液替换水，重复上述步骤①②③。 实验结果如图乙所示。 （1）实验中用于测量水火箭射程的工具是　 　； （2）下图汽油机冲程中与步骤③能量转化相同的是________； A． B． C． D． （3）本实验可得出的结论是　 　； （4）请分析方案二是否合理并说明理由　 　。 14．如图所示是三个热学实验。请根据实验现象回答相关问题： 甲图 A 瓶中装有无色的空气、B瓶中装有红棕色的二氧化氮气体； 乙图用弹簧测力计拉玻璃板，玻璃板的下表面与水面接触未分开，发现弹簧测力计的示数大于玻璃板的重力； 丙图加热使水沸腾，水蒸气冲起软木塞； （1）甲实验中两个瓶口上下相对，然后抽掉玻璃板。上面放置　 　（选填“A”或“B”）瓶，说明气体扩散现象； （2）其中乙实验现象表明分子间存在　 　力； （3）丙实验展示了内燃机的工作原理。燃料燃烧时产生的热量传给水和水蒸气；塞子受到水蒸气的压力而冲出去，水蒸气的　 　能转化为塞子的动能。 15．老师用如图（a）所示实验装置，加热试管使水沸腾，发现试管上方的小风车开始不停地转动。由此引出以下问题，请利用所学的知识回答。 （1）图（a）实验中能量转化方式与图（b）中汽油机的哪个冲程相同？　 　（选填序号）。 （2）图（b）中四个冲程的工作顺序是　 　，其中不需要靠飞轮的惯性来完成的冲程有：　 　。（均选填序号） （3）图（c）是柴油机的能流图，带“？”的是　 　带走的能量，这台柴油机的效率η＝　 　。 （4）若某单缸四冲程汽油机的功率为36kW，做功冲程每次对外做800J，则在1s内该汽油机能完成　 　个做功冲程，此汽油机飞轮的转速为　 　r/min。 16．发动机是汽车的动力源。汽油机以汽油为燃料，使活塞在气缸中往复运动，一个工作循环经历吸气、压缩、做功和排气四个冲程，汽油机的性能和汽缸排量有关。汽缸排量指活塞一个冲程中活塞在气缸内通过的容积，它取决于活塞的面积和活塞上下运动的距离（冲程长度）。如果发动机有若干个气缸，所有气缸“工作容积”之和称为发动机排量，实际汽车往往采用多缸发动机。如图所示发动机有4个汽缸（图中标注1、2、3、4），通过连杆把4个汽缸的活塞连在一根曲轴上。各个汽缸的做功过程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个汽缸在做功，其他三个汽缸分别在吸气、压缩和排气冲程。 （1）汽油机工作时将燃料燃烧的内能转化为　 　能； （2）已知汽油的热值为4×107J/kg，如果汽车油箱装有40kg的汽油，这些汽油充分燃烧2kg；放出的热量为　 　J，剩余汽油的热值为　 　J/kg； （3）四缸发动机中3号汽缸在压缩冲程中，则2号汽缸所处的冲程是　 　； A．吸气 B．压缩 C．做功 D．排气 （4）设该发动机做功冲程燃气对活塞的平均压强是p0，发动机排量为V排，则发动机转速为2400r/min时，每个工作循环所需耍的时间为　 　秒，该轿车的输出功率P与发动机排量V排的关系式为P=　 　。 参考答案 1．B 2．B 3．B 4．A 5．C 6．D 7．运动状态；做功 8．乙；15 9．做功；内能；丙 10．做功；等效；10 11．做功；不同；10 12．做功；做功 13．（1）卷尺 （2）B （3）瓶内液体质量越大，水火箭射程越远 （4）水火箭射程还与瓶内液体占总体积的比例有关。方案二，变量有液体的体积，瓶内液体占总体积的比例，不符合控制变量法思想，所以不合理。 14．（1）A （2）引 （3）内 15．丙；丁乙丙甲；丙；废气；30%；45；5400 16．机械；8×107J；4×107；D；0.05s；20p0V排 学科网（北京）股份有限公司 $