第4节 热机（导学案）物理新教材北师大版（北京）九年级全一册

第4节 热机（导学案） 【学习目标】 1. 知道热机的概念，能列举常见热机类型（蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机）。 2. 掌握内燃机（汽油机、柴油机）的基本构造和工作原理，重点理解四冲程工作循环（吸气、压缩、做功、排气）。明确各冲程中的能量转化。 3.知道热值的概念和单位,会查热值表。 4.能简单计算燃料完全燃烧所释放的热量。 5.能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向,知道什么是热机的效率,了解提高热机效率的方法。 【学习重点】 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。 1. 燃料的热值和热机的效率。 【学习难点】 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。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1. 热机概述与能量转化 （1）定义：利用燃料燃烧释放的内能来做功，从而将 内能 转化为 机械能 的机器。 （2）能量转化核心：燃料 化学 能 → 内 能 → 机械 能。 （3）常见类型：蒸汽机、内燃机（燃料在汽缸内燃烧）、汽油机、柴油机（最常见）、汽轮机、喷气发动机。 2. 四冲程内燃机工作原理 （1）冲程：活塞从汽缸一端运动到另一端的过程。 （2） 一个工作循环：包含四个冲程，活塞往复运动 2 次，曲轴（飞轮）转动 2 周，对外做功 1 次。 （3） 四冲程详解（以汽油机为例）： 冲程名称 进气门 排气门 活塞运动方向 能量转化 作用依赖 吸气 开 关 向下 无 飞轮惯性 压缩 关 关 向上 机械能 → 内能 飞轮惯性 做功 关 关 向下 内能 → 机械能 (唯一动力来源) 燃气推力 排气 关 开 向上 无 飞轮惯性 （4）柴油机与汽油机主要区别： 特征 汽油机 柴油机 构造顶部 火花塞 喷油嘴 吸气物质 汽油和空气的混合物 空气 压缩程度 较小 较大（压强更大，温度更高） 点火方式 点燃式（火花塞点火） 压燃式（空气温度超柴油燃点） 效率 较低 ( 20%~30% ) 较高 ( 30%~45% ) 3．燃料燃烧过程中，燃料储存的化学能转化为内能。 4. 我们把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。计算公式：q=，单位是焦/千克，符号是J/kg。它是燃料的一种特性，与燃料的种类有关。 5．对于气体燃料，热值的计算公式为q=，单位是 焦/米3。 6．对于热机而言，燃料燃烧释放的热量只有一部分用来做有用功，还有相当一部分能量散失了。用来做有用功的这部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比叫做热机的效率，计算公式为η= 或 η=。 7. 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，就消耗更少（选填“多”或“少”）的燃料，从而节约能源，减少污染。 【课堂探究】 探究一、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。 探究二、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 【详解】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】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的煤气，这是通过 的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）［水的比热容c水=4.2×103J/（kg·℃），煤气的热值q煤气=4.8×107J/kg］ 【答案】 6.72×105 1.6×10-2 热传递 不变 【详解】将2kg水从20℃加热到100℃，水吸收的热量为 Q吸=c水m(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃-20℃)=6.72×105J 由题意可知，若不计热量损失，则Q放=Q吸=6.72×105J 由Q放=mq可得，需要完全燃烧的煤气质量为 水变热，水吸收热量、内能增大，是通过热传递改变物体的内能。 燃料的热值是燃料自身的一种性质，与它是否完全燃烧没有关系，若煤气燃烧不充分，其热值不变。 探究三、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 【答案】 C 【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。 【例题5】用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少? （4）分析热效率不高的两种原因。 【答案】（1）3.36×106J；（2）4.2×107J；（3）8%；（4）见解析。 【详解】（1）Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg・℃）×10kg×（100-20）℃=3.36×106J （2）Q放＝mq＝1.4kg×3×107J/kg＝4.2×107J （3）η=== 8% （4）热效率不高的原因有：烟煤没有完全燃烧，热传递的过程中有热量损失等。 【归纳整理】 第4节 热 机 【课堂练习】 1．（2024秋•北京西城区期中）如图所示的是汽油机工作时四个冲程的示意图。其中内能转化为机械能的冲程是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】内能转化成机械能的冲程是做功冲程； A、气门都关闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是做功冲程，内能转化为机械能，故A正确； B、气门都关闭，活塞向上运行，气缸容积减小，是压缩冲程，机械能转化为内能，故B错误； C、进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程，故C错误； D、进气门打开，排气门关闭，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程，故D错误。故选：A。 2．（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。 3．（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。 4．（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。 5．（2024春•北京平谷区期末）如图所示的是内燃机工作循环中的一个冲程，关于该冲程的下列说法中正确的是（　　） A．压缩冲程，将化学能转化为内能 B．压缩冲程，将机械能转化为内能 C．做功冲程，将内能转化为机械能 D．做功冲程，将机械能转化为内能 【答案】C 【详解】由图可知，汽油机的两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，所以是做功冲程，该冲程中燃料燃烧产生高温高压的燃气，推动活塞做功，将内能转化为机械能，故C正确，ABD错误。 故选：C。 6．（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。 7．（2025秋•北京西城区月考）关于内能、热量和热值，下列说法中正确的是（　　） A．物体的内能增加，它的温度一定升高 B．物体温度越高，所含的热量越多 C．热值越大的燃料，燃烧时放出的热量就越多 D．内能少的物体也可能将能量传给内能多的物体 【答案】D 【详解】A．物体吸收热量，内能一定增加，但温度不一定升高，如晶体熔化时，吸热热量，内能增加，但温度不变，故A不符合题意； B．热量是热传递过程中吸收或放出热量的多少，是一个过程量，不能说物体含有热量，故B不符合题意； C．由Q＝mq可知，热值越大的燃料，质量未知，燃烧时放出的热量不一定越多，故C不符合题意； D．内能的多少与物体的质量、温度、状态有关，内能少的物体有可能比内能大的物体温度高，所以有可能将热量传递给内能多的物体，故D符合题意。 故选：D。 8．（2024秋•北京朝阳区期末）干木柴、焦炭和无烟煤的热值如图所示的柱状图，下列说法正确的是（　　） A．在完全燃烧的条件下，无烟煤放出的热量最多 B．在质量相同的条件下，干木柴燃烧放出的热量最少 C．0.5kg焦炭的热值等于1kg焦炭的热值 D．燃烧0.5kg焦炭放出的热量小于燃烧1kg焦炭放出的热量 【答案】C 【详解】A、燃料燃烧放出热量的多少与燃料的热值、燃料的质量有关，只根据热值无法判定放出热量的多少，故A错误； B、在质量相同的条件下，燃料燃烧放出的热量除了与热值有关外，还与是否完全燃烧有关，所以干木柴燃烧放出的热量不一定最少，故B错误； C、热值的大小与质量无关，0.5kg焦炭与1kg焦炭的热值相等，故C正确； D、燃料燃烧放出的热量与是否完全燃烧有关，所以0.5kg焦炭放出的热量不一定小于燃烧1kg焦炭放出的热量，故D错误。 故选：C。 9．（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。 10．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。 11．（2024秋•北京西城区月考）2023年5月30日，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功发射，火箭中装载了大量的燃料和助燃剂。火箭上升时的情境如图所示，下列说法正确的是（　　） A．火箭发动机不是热机 B．火箭燃料的热值保持不变 C．燃料燃烧时将内能转化为机械能 D．火箭与周围空气摩擦生热，内能减小 【答案】B 【详解】A、火箭发动机是把内能转化为机械能，是热机，故A错误； B、燃料的热值是燃料的一种性质，与燃料的质量多少无关，火箭燃料的热值保持不变，故B正确； C、燃料燃烧时将化学能转化为内能，故C错误； D、火箭与周围空气摩擦生热，内能增加，故D错误。故选：B。 12．（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。 13．（2025•湖南中考真题）2025年2月11日，长征八号甲运载火箭成功发射，如图所示。该火箭的芯二级以液氢为燃料，这主要是因为液氢的 　 　 大，它燃烧过程中将 　 　 能转化为内能。 【答案】热值；化学。 【详解】该火箭的芯二级以液氢为燃料，这主要是因为液氢的热值大，完全燃烧相同质量的液氢时，可以释放出更多的热量。它燃烧过程中将化学能转化为内能。 14．（2025•山东烟台中考真题）汽油机是燃油汽车的动力来源之一。如图所示是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：①　 　 ②　 　 。若汽油的热值为4.6×107J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为 　 kg。 【答案】1.61×105；机械；0.0035。 【详解】（1）汽油机工作时，首先把燃料中的化学能转化为内能，然后部分内能转化为机械能； （2）由图知，损失的能量为：Q损失＝1.2×105J， 获得的有用的机械能是W＝4.1×104J， 则燃料完全燃烧释放的能量Q放＝Q损失+W＝1.2×105J+4.1×104J＝1.61×105J， 根据Q放＝mq可得该工作过程中消耗的汽油质量为： m0.0035kg。 15．（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%。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 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 $ 第4节 热机（导学案）（原卷版） 【学习目标】 1. 知道热机的概念，能列举常见热机类型（蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机）。 2. 掌握内燃机（汽油机、柴油机）的基本构造和工作原理，重点理解四冲程工作循环（吸气、压缩、做功、排气）。明确各冲程中的能量转化。 3.知道热值的概念和单位,会查热值表。 4.能简单计算燃料完全燃烧所释放的热量。 5.能说出热机工作时燃料释放的能量的主要流向,知道什么是热机的效率,了解提高热机效率的方法。 【学习重点】 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。 1. 燃料的热值和热机的效率。 【学习难点】 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。 【自主预习】阅读教材，完成以下问题： 1. 热机概述与能量转化 （1）定义：利用燃料燃烧释放的内能来做功，从而将 转化为 的机器。 （2）能量转化核心：燃料 能 → 能 → 能。 （3）常见类型：蒸汽机、内燃机（燃料在汽缸内燃烧）、汽油机、柴油机（最常见）、汽轮机、喷气发动机。 2. 四冲程内燃机工作原理 （1）冲程：活塞从汽缸一端运动到另一端的过程。 （2） 一个工作循环：包含四个冲程，活塞往复运动 次，曲轴（飞轮）转动 周，对外做功 次。 （3） 四冲程详解（以汽油机为例）： 冲程名称 进气门 排气门 活塞运动方向 能量转化 作用依赖 吸气 开 关 向下 无 飞轮惯性 压缩 关 关 向上 机械能 → 内能 飞轮惯性 做功 关 关 向下 内能 → 机械能 (唯一动力来源) 燃气推力 排气 关 开 向上 无 飞轮惯性 （4）柴油机与汽油机主要区别： 特征 汽油机 柴油机 构造顶部 火花塞 喷油嘴 吸气物质 汽油和空气的混合物 空气 压缩程度 较小 较大（压强更大，温度更高） 点火方式 点燃式（火花塞点火） 压燃式（空气温度超柴油燃点） 效率 较低 ( ) 较高 ( ) 3．燃料燃烧过程中，燃料储存的 能转化为 。 4. 我们把某种燃料 放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值。计算公式：q=，单位是 ，符号是J/kg。它是燃料的一种特性，与燃料的种类有关。 5．对于气体燃料，热值的计算公式为q=，单位是 。 6．对于热机而言，燃料燃烧释放的热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 的这部分能量与燃料完全燃烧放出的热量之比叫做热机的效率，计算公式为η= 或 η=。 7. 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。 【课堂探究】 探究一、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 。因为酒精燃烧产生的内能使空气温度 ，空气膨胀对活塞做功，将 能转化为活塞的 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 ，将 能转化为 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 探究二、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、 等；液体燃料有 、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、 等。 （2）燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的 能转化为 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 （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 ，比较它们质量的多少。同理，把所有燃料都取 ，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 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 。 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 ，不同种燃料的热值一般 （均选填“相同”或“不同”）。 ④燃料燃烧放出热量的计算： Q放= 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 。 （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 ，热值 ，热值最小的是 ，热值 。 ②火箭上用液态氢作燃料是因为 。 ③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有 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 【例题3】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的煤气，这是通过 的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）［水的比热容c水=4.2×103J/（kg·℃），煤气的热值q煤气=4.8×107J/kg］ 探究三、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 吸收了一部分能量； 本身也会吸收一部分能量；高温的 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 ，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 。 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 （能/不能）完全燃烧，损失了一部分能量； 带走了一部分能量；热机自身对外 ，带走了一部分能量；由于机械传动等克服 要消耗一部分能量； 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 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 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 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 【例题5】用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少? （4）分析热效率不高的两种原因。 【归纳整理】 第4节 热 机 【课堂练习】 1．（2024秋•北京西城区期中）如图所示的是汽油机工作时四个冲程的示意图。其中内能转化为机械能的冲程是（　　） A． B． C． D． 2．（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 3．（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 4．（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 5．（2024春•北京平谷区期末）如图所示的是内燃机工作循环中的一个冲程，关于该冲程的下列说法中正确的是（　　） A．压缩冲程，将化学能转化为内能 B．压缩冲程，将机械能转化为内能 C．做功冲程，将内能转化为机械能 D．做功冲程，将机械能转化为内能 6．（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 7．（2025秋•北京西城区月考）关于内能、热量和热值，下列说法中正确的是（　　） A．物体的内能增加，它的温度一定升高 B．物体温度越高，所含的热量越多 C．热值越大的燃料，燃烧时放出的热量就越多 D．内能少的物体也可能将能量传给内能多的物体 8．（2024秋•北京朝阳区期末）干木柴、焦炭和无烟煤的热值如图所示的柱状图，下列说法正确的是（　　） A．在完全燃烧的条件下，无烟煤放出的热量最多 B．在质量相同的条件下，干木柴燃烧放出的热量最少 C．0.5kg焦炭的热值等于1kg焦炭的热值 D．燃烧0.5kg焦炭放出的热量小于燃烧1kg焦炭放出的热量 9．（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 10．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 11．（2024秋•北京西城区月考）2023年5月30日，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功发射，火箭中装载了大量的燃料和助燃剂。火箭上升时的情境如图所示，下列说法正确的是（　　） A．火箭发动机不是热机 B．火箭燃料的热值保持不变 C．燃料燃烧时将内能转化为机械能 D．火箭与周围空气摩擦生热，内能减小 12．（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。 13．（2025•湖南中考真题）2025年2月11日，长征八号甲运载火箭成功发射，如图所示。该火箭的芯二级以液氢为燃料，这主要是因为液氢的 　 　 大，它燃烧过程中将 　 　 能转化为内能。 14．（2025•山东烟台中考真题）汽油机是燃油汽车的动力来源之一。如图所示是某台汽油机工作时的能量数据，图中横线处应填写的内容是：①　 　 ②　 　 。若汽油的热值为4.6×107J/kg，则该工作过程中消耗的汽油质量为 　 kg。 15．（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。 【课后反思】 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 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 $