第4节 热机（表格式教学设计）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机工作原理、四冲程能量转化、燃料热值及热机效率等核心知识点。通过播放汽车、轮船等交通工具行驶视频导入，提问能量来源，引导学生关联内能转化为机械能，衔接已学内能知识，搭建学习支架。 该资料亮点在于融合科学探究与科学思维，通过硝化棉燃烧推动活塞实验、自制四冲程汽油机模型及多媒体动画，直观突破四冲程动态理解难点，类比密度建立热值概念培养科学推理能力，结合热机环境影响渗透科学态度。丰富例题与练习助学生巩固，为教师提供清晰教学路径，提升课堂效率。

第4节 热机（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第1节 分子动理论 教学 目标 物理观念 精准阐述热机的定义，熟知热机是将燃料燃烧释放的内能转化为机械能的装置，清晰列举常见热机类型，如蒸汽机、内燃机、喷气发动机等。 科学思维 通过对热机效率相关问题的分析，如计算不同工况下热机的效率、分析影响热机效率的因素等，熟练运用比值定义法和逻辑推理，提升分析和解决问题的能力。 科学探究 积极参与热机原理的探究实验，如利用简易装置模拟热机工作过程，熟练掌握实验操作技能，规范使用实验器材。 科学态度 与责任 认识热机在现代社会发展中的重要作用，如在交通运输、工业生产等领域的广泛应用，同时清楚了解热机使用对环境造成的负面影响，如废气排放导致空气污染、噪声污染等，增强环保意识和社会责任感，积极关注热机技术的发展趋势，为节能减排和环境保护贡献自己的智慧。 教材 分析 本节内容是探讨热机的工作原理及四冲程的能量转化，以及热机工作过程中能量转化的效率问题。教材通过“燃料燃烧释放热量能否被完全利用”的核心问题，引导学生理解热机效率的定义、影响因素及提升路径。内容涵盖热机四冲程、热值计算、能量损失分析、典型热机效率数据对比，并引入“科学·技术·社会”栏目，将热机发展史与现代科技相联系，热机与社会发展，体现跨学科思维。该节在培养学生科学思维、探究实践和科学态度方面具有重要价值。 学情 分析 九年级学生已掌握基本的功与能、比热容等知识，具备一定的逻辑推理能力。但对“能量利用率”“效率”等抽象概念理解较浅，容易混淆“放热多”与“有用功多”的关系。部分学生缺乏对真实热机工作过程的直观感知，对废气带走能量、散热损失等现象缺乏生活经验。教学中需借助具体实例、图像对比与实验模拟，帮助学生建立“能量转化不完全”的认知模型，突破“理想化”思维定势，培养实事求是的科学态度。 教学 重点 1. 热机的工作原理，四冲程汽油机的工作过程及各冲程的特点。 2. 燃料的热值和热机的效率。 教学 难点 1. 四冲程汽油机工作过程中能量的转化，对热机工作过程的动态理解。 2. 理解热机效率。 教学 器材 多媒体课件（包含热机工作视频、动画等）、自制单缸四冲程汽油机模型、演示用酒精灯、带有活塞的玻璃管、硝化棉等 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 播放一段汽车在公路上行驶、轮船在海上航行、飞机在天空翱翔的视频。 【提问】 同学们，这些交通工具都能快速移动，它们运动的能量来自哪里呢？ 【回答】引导学生思考这些交通工具的动力来源与能量转化的关系。 设计意图：通过熟悉的生活场景视频，激发学生的学习兴趣，引发学生对热机相关问题的思考，自然引出新课 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、热机 1. 探究内能转化为机械能 教师演示：在带有活塞的玻璃管底部放置少量硝化棉，用酒精灯对玻璃管加热。观察现象，提问：当加热一段时间后，大家看到了什么？为什么会出现这种现象？ 学生观察并回答：活塞被推出，硝化棉燃烧。因为酒精燃烧产生的内能使空气温度升高，空气膨胀对活塞做功，将内能转化为活塞的机械能。 设计意图：通过直观的实验，让学生亲身体验内能转化为机械能，为理解热机工作原理奠定基础。 2. 认识热机及工作原理 多媒体展示：展示各种热机的图片，如蒸汽机、汽油机、柴油机等，介绍热机的定义：利用内能做功的机械。引导学生思考热机是如何将内能转化为机械能对外做功的。 小组讨论：组织学生分组讨论热机工作的大致过程，教师巡视各小组，倾听讨论情况并适时引导。 小组代表发言：各小组派代表阐述小组讨论结果，教师总结并讲解热机工作原理：燃料燃烧释放内能，通过工作物质（如气体）膨胀对外做功，将内能转化为机械能。 设计意图：通过图片展示和小组讨论，培养学生的观察能力、合作交流能力和归纳总结能力。 3. 探究四冲程汽油机的工作过程 多媒体动画展示：利用动画详细展示四冲程汽油机的工作过程，依次介绍吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。在展示过程中，暂停动画，提问学生每个冲程的特点，如活塞的运动方向、气门的开闭情况、能量转化等。 模型演示：教师利用自制单缸四冲程汽油机模型，边演示边讲解，加深学生对各冲程的直观印象。 学生模拟：请几位学生上台，分别模拟四冲程汽油机的不同部件，演示汽油机的工作过程，其他学生观察并指出模拟过程中的要点和不足。 设计意图：通过多种方式，让学生深入理解四冲程汽油机的工作过程，培养学生的观察、实践和分析能力。 【例题1】（2024秋•北京丰台区期中）如图为一种蒸汽船玩具，在玻璃瓶内装适量水，将小船放置在水面上，点燃蜡烛加热玻璃瓶一段时间，产生大量水蒸气，并和受热膨胀的空气一起从细窄的吸管冲出，推动小船前进。下列有关该实验的说法不合理的是（　　） A．加热过程中，玻璃瓶内的水通过热传递的方式增大内能 B．吸管处出现白雾，冲出的水蒸气内能减小，温度降低 C．蒸汽推动小船前进，实现了机械能向内能的转化 D．蒸汽推动小船前进，能量的转化方式和内燃机的做功冲程相同 【答案】C 【详解】A、加热过程中，玻璃瓶内的水通过热传递的方式增大内能，故A正确，不符合题意； B、吸管处出现白雾，冲出的水蒸气内能减小，温度降低，故B正确，不符合题意； C、蒸汽推动小船前进，实现了内能向机械能的转化，故C错误，符合题意； D、蒸汽推动小船前进能的转化方式和内燃机的做功冲程相同，都是内能转化为机械能，故D正确，不符合题意。故选：C。 知道热机的概念及四冲程。 观看演示实验并收集数据。 进行交流讨论，知道判断四冲程及能量转化。 做例题1，知道探究热机四冲程的能量转化。 学习新课 二、燃料的热值 1. 燃料 【想一想】你能说出常用的一些燃料吗？燃料燃烧时能量发生怎样的转化？ 【分析总结】 （1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。 （2）燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。 2. 燃料的热值 （1）研究相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？ 【交流讨论】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，进行交流列举。 【分析】日常生活中，常见的燃料有煤、木柴、天然气、液化气、酒精、汽油、柴油，在农村还有农作物的秸秆，有些地区还用牛粪作为燃料。若一个四口之家使用不同的燃料供家庭使用，如烧水、做饭等，经研究得出，一个月如果使用木柴需要200 kg；如果使用煤（蜂窝煤）需要多90kg；使用秸秆需要400kg；如果使用液化气需要30kg。 【想一想】使用不同的燃料，消耗量是不同的，这是什么道理呢？ 【分析】不同的燃料燃烧释放热量的能力是不一样（选填“一样”或“不一样”）的。例如，根据实验发现1kg的煤燃烧释放出的热量是1kg木柴燃烧释放出的热量的两倍多。 【想一想】怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢？ 类比密度概念的建立方法：所有物体都取1m³，比较它们质量的多少。同理，把所有燃料都取1kg，让它们完全燃烧，比较它们放出的热量。 在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 （2）燃料的热值 ①热值的定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，用字母q表示。 ②热值的计算公式：q= Q表示放出的热量，单位是焦（J）； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克（kg）； q表示热值，单位是焦/千克（J/kg）。 ③热值的物理意义：热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同（均选填“相同”或“不同”）。 ④燃料燃烧放出热量的计算： Q放=qm ⑤气体燃料的热值：q= V表示气体燃料的体积，单位是米3（m3）； Q表示放出的热量，单位是焦（J）； q表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3 （J/m3 ）。 （3）观察常见燃料的热值表 【思考】①热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？ ②火箭上为什么用液态氢作燃料？ ③热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？ 【回答】①表中热值最大的是氢，热值1.4×108J/kg，热值最小的是干木柴，热值1.2×107J/kg。 ②火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大。 ③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值（选填“相同”或“不同”）。 【例题2】关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ） A. 热值在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量 B. 10kg木炭比1kg木炭的热值大 C. 热值大的燃料比热值小的燃料燃烧时放出的热量多 D. 燃料燃烧时放出热量的多少与是否完全燃烧有关 【答案】D 【解析】热值是燃料的一种属性，同种燃料的热值相同。燃料燃烧时放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系，因此热值大的燃料燃烧时放出的热量不一定多。 故D正确。 【例题3】（2025•黑龙江）质量为1kg的酒精和1g的酒精的热值是 　 　 （填“相同”或“不同”）的；若完全燃烧420g的酒精放出的热量全部被水吸收，可使 　 　 kg的水温度从30℃升高到90℃。[酒精的热值为3.0×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）] 【答案】相同；50。 【解析】（1）热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的质量以及燃烧条件无关，所以质量为1kg的酒精和1g的酒精的热值相同； （2）酒精完全燃烧放出的热量：Q放＝m1q＝0.42kg×3.0×107J/kg＝1.26×107J； 由题知，Q吸＝Q放＝1.26×107J，由Q吸＝cmΔt得水的质量： m250kg。 思考问题，引出热值的概念。 通过数学知识推导并建立热值的概念。 理解掌握热值的物理意义、定义、单位、数学表达式，知道热值是燃料的特性。 通过讨论回答，会运用比热容知识解释2个典型现象，加深对比热容的理解。 知道水的比热容比较大的应用。可以列举生活中的实例。 做例题2、3并进行展示，会看物质的热值表格，分析解释有关问题。 学习新课 三、热机的效率 1. 日常生活中的热效率 【想一想】用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗? 【分析讨论】煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量；装水的容器吸收了一部分能量；煤气灶本身也会吸收一部分能量；高温的烟气带走了一部分能量；还有一部分能量直接散失掉了，等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是被有效利用的。 （1）热效率（炉子、燃气灶的热效率等） 热效率的概念：吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。 η = = （2）提高锅炉中燃料热效率的方法： 把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；把空气吹进炉膛增大送氧量。 2. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 分析能量的流向：汽油在汽缸内不能（能/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；热机自身吸收一部分能量，等等。 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。只有对外做有用功的能量是被有效利用的。 （2）热机的效率 ①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧释放的热量之比，叫作热机的效率。 ②公式： η= 或 η= ③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。 3. 提高热机效率的主要途径 （1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量。大型发电机常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，热电站常利用蒸汽轮机排出的废气来供热。 （2）在热机的设计和制造上，采用先进的技术。 （3）使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 【例题4】如图是某内燃机的能量流向图。下列有关说法正确的是（　 　） A．①是废气带走的热量 B．该内燃机是在压缩冲程获得动力 C．该内燃机的效率为28% D．改进构造减小摩擦可提高③所占百分比 【详解】A．内燃机的能量流向中，废气带走的能量占比最大，所以③是废气带走的热量，故A错误； B．内燃机是在做功冲程获得动力，内能转化为机械能，故B错误； C．该内燃机的效率为100%-6%-30%-36%=28%，故C正确； D．改进构造减小摩擦可提高机械效率，即提高有用机械能的占比，故D错误。 故选C。 1. 观察图片，结合生活经验发表见解。 2. 理解热值的概念，记住其单位和计算方法。 3. 仔细观看动画，分析能量流动路径，认识三大损失。 4. 理解效率的定义，会计算简单例子。 做例题4并进行交流回答。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．（2025•天津中考真题）我国在柴油机的研制上已将本体热效率突破53%。在柴油机的四个冲程中，内能转化为机械能的是（　　） A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程 【答案】C 【详解】在压缩冲程末，喷油嘴将雾化的柴油喷入，柴油剧烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，对外做功，在这个过程中，燃气推动活塞做功，内能减少，温度降低，燃气的内能转化为活塞的机械能，即做功冲程中内能转化为机械能，故ABD不符合题意、C符合题意。故选：C。 2．（2025•江苏连云港中考真题）运载火箭采用液态氢作为火箭的燃料，原因是液态氢具有（　　） A．较大的热值 B．较低的沸点 C．较大的比热容 D．较高的凝固点 【答案】A 【详解】运载火箭采用液态氢作为火箭的燃料，原因是液态氢具有较大的热值，故A正确，BCD错误。故选：A。 3．（2024•山东淄博中考真题）如图，玻璃瓶内有少量水，用橡胶塞塞住瓶口，向瓶内打气，瓶塞跳起。下列说法正确的是（　　） A．向瓶内打气，通过热传递的方式改变瓶内空气的内能 B．瓶塞跳起时，瓶内空气温度降低，内能减少 C．瓶塞跳起时，瓶内出现“白雾”是汽化现象 D．瓶塞跳起过程与热机压缩冲程的能量转化相同 【答案】B 【详解】A、向瓶内打气，压缩空气做功，通过做功的方式改变瓶内空气的内能，故A错误；BCD、瓶塞跳起时，瓶内气体对瓶塞做功，使气体自身的内能减少，温度降低，瓶口周围的水蒸气遇冷液化成小水滴飘散在空中，从而形成水雾，瓶塞跳起过程与热机做功冲程的能量转化相同，故B正确、CD错误。故选：B。 4．（2025•北京海淀区二模）如图所示，用酒精灯对试管加热。水被加热一段时间后，木塞受到试管内水蒸气的压力而冲出去。下列说法正确的是（　　） A．用酒精灯加热试管，是通过做功的方式改变水的内能 B．木塞冲出去的过程，相当于四冲程汽油机的压缩冲程 C．木塞冲出去的过程中，木塞的机械能是由水蒸气的内能转化的 D．木塞冲出去后，试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气 【答案】C 【详解】A、用酒精灯加热试管，水吸收热量，水的内能增加，是通过热传递的方式实现的，故A错误； B、蒸气把木塞冲出去的过程，相当于汽油机的做功冲程，故B错误； C、蒸气把木塞冲出去，水蒸气的部分内能转化为软木塞的机械能，实现了内能向机械能的转化，故C正确； D、白雾是空气中的水蒸气遇冷液化形成的小水珠，故D错误。故选：C。 5．（2024秋•北京西城区期末）关于热值和热机的效率，下列说法中正确的是（　　） A．热机的效率越高，做功越快 B．热机消耗的燃料越少，效率就越高 C．燃料燃烧时，质量减小，热值不变 D．热值大的燃料，完全燃烧释放的热量多 【答案】C 【详解】A.热机的效率高低与做功快慢没有关系，它们是两个不同的物理量，故A错误； B.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，故B错误； C.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、放出热量的多少以及是否充分燃烧无关，故C正确； D.由Q＝qm可知，热值大的燃料，完全燃烧相同质量的燃料释放的热量多，故D错误。 故选：C。 6．下列关于燃料的热值说法正确的是（　　） A．燃料燃烧越充分，其热值越大 B．燃料的热值越小，完全燃烧放出的热量越少 C．一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的热值将减小 D．焦炭的热值是3.0×107J/kg，完全燃烧1kg焦炭能放出3.0×107J的热量 【答案】D 【详解】AC、热值是燃料的特性，其大小仅与燃料的种类有关，而与燃料的质量和燃烧程度无关，故AC错误； B、根据Q放＝mq知在质量相同时，燃料的热值越小，完全燃烧放出的热量越少，故B错误； D、焦炭放出的热量：Q放＝mq＝1kg×3.0×107J/kg＝3.0×107J，故D正确。故选：D。 7．（2024秋•北京期中）如图所示是四冲程汽油机的某个冲程，由图可以看出它正处于 　 　 冲程，若该汽油机飞轮的转速是3600r/min，则该汽油机每秒钟对外做功 　 　 次。 【答案】压缩；30。 【详解】图中进气门和排气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程；因为该汽油机飞轮的转速是3600r/min＝60r/s，所以飞轮每秒转动60周，则汽油机每秒钟对外做功30次。 8．（2025•苏州）用煤气炉将4kg的水从20℃加热到70℃，消耗煤气0.05kg。已知煤气的热值为4.2×107J/kg，水的比热容为4.2×103J/（kg•℃）。求： （1）水吸收的热量； （2）煤气完全燃烧放出的热量； （3）煤气炉加热的效率。 【答案】（1）水吸收的热量为8.4×105J； （2）煤气完全燃烧放出的热量为2.1×106J； （3）煤气炉加热的效率为40%。 【详解】（1）水吸收的热量： Q吸＝c水m水（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg•℃）×4kg×（70℃﹣20℃）＝8.4×105J； （2）煤气完全燃烧放出的热量：Q放＝mq煤气＝0.05kg×4.2×107J/kg＝2.1×106J； （3）煤气灶的效率： η100%100%＝40%。 答：（1）水吸收的热量为8.4×105J； （2）煤气完全燃烧放出的热量为2.1×106J； （3）煤气炉加热的效率为40%。 板 书 设 计 课 堂 小 结 第4节 热机 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 学科网（北京）股份有限公司 $