10.4 热机 结构化解析（学历案）- 2025-2026学年北师大版九年级物理全一册

北师大版九年级物理 第十章 机械能、内能及其转化 第4节 热机 本课思维导图 一、引入：热机工作原理铺垫 1.1. 实验实例（热机雏形） · 实例1：试管加热水→水蒸气膨胀顶出橡胶塞（呼应图10.2-11） · 实例2：塑料盒喷酒精→点燃混合物→盒盖被顶出（图10.4-1） 1.2. 热机定义：将燃料燃烧产生的高温高压气体的内能转化为机械能的机器 二、热机的种类（图10.4-2） 1.3. 常见类型：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 1.4. 重点分类：内燃机（核心）、喷气发动机（特殊应用） · 喷气发动机细分 · 空气喷气发动机：仅带燃料，需外界空气助燃→飞行高度受限（高空空气稀薄） · 火箭喷气发动机（简称火箭）：带燃料+氧化剂，无需外界空气→飞行高度无限制 三、内燃机（燃料在机器内部燃烧，分汽油机、柴油机） （一）汽油机 1.5. 构造（图10.4-3）：气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞 1.6. 工作过程：四冲程循环（图10.4-4），1个冲程=活塞从气缸一端到另一端 ① 吸气冲程 · 活塞运动方向：最上端→最下端 · 气门状态：进气门打开，排气门关闭 · 核心过程：吸入汽油和空气的混合物，活塞到最下端时进气门关闭 · 能量转化：无（依赖飞轮惯性） ② 压缩冲程 · 活塞运动方向：最下端→最上端 · 气门状态：进气门、排气门均关闭 · 核心过程：压缩燃料混合物，气缸内温度升高、气压增大 · 能量转化：机械能→内能 ③ 做功冲程 · 活塞运动方向：最上端→最下端 · 气门状态：进气门、排气门均关闭 · 核心过程：火花塞产生电火花（点燃式），混合物剧烈 燃烧产生高压气体，推动活塞运动并带动曲轴转动 · 能量转化：内能→机械能（唯一对外做功的冲程） ④ 排气冲程 · 活塞运动方向：最下端→最上端 · 气门状态：进气门关闭，排气门打开 · 核心过程：活塞在曲轴带动下将废气排出气缸， 为下一个循环做准备 · 能量转化：无（依赖飞轮惯性） 1.7. 关键特点：仅做功冲程对外做功，吸气、压缩、 排气为辅助冲程，需靠曲轴上飞轮的惯性完成 1.8. 实际应用：燃油汽车动力核心， 多采用多缸发动机（如四缸） 1.9. 科学窗：气缸数与排量 · 多缸发动机：各气缸做功冲程时间有序错开，保证动力连续平稳、减小振动（图10.4-5，四缸发动机） · 排量：燃烧室容积最大值与最小值之差，单位为升（L）或毫升（mL）；例：单缸排量0.5L的四缸发动机，总排量为2.0L （二）柴油机 1.10. 构造（图10.4-6）：与汽油机的核心区别——气缸顶部是喷油嘴，无火花塞 1.11. 工作过程：同样为四冲程循环，核心差异集中在3个冲程 · 吸气冲程：仅吸入空气（无汽油） · 压缩冲程：压缩空气至温度超过柴油燃点（压缩程度高于汽油机） · 做功冲程：压缩冲程结束时，喷油嘴喷射雾状柴油，在高温空气中自燃（压燃式） 1.12. 实际特点与应用：较笨重，但效率高、功率大，且柴油价格更低；多用于拖拉机、坦克、轮船、内燃机车、载重汽车及小型发电机 四、火箭（喷气发动机的特殊应用） 1.13. 古代火箭（唐末宋初，图10.4-7）：由箭头、箭杆、箭羽、火药筒组成，火药燃烧产生高速气体向后喷射，产生向前反冲推力（现代火箭雏形）🔶4-59 1.14. 现代火箭（液体燃料喷气发动机，图10.4-8） · 构造：燃料箱、氧化剂箱、输送装置、燃烧室、喷口 · 工作过程：输送装置将燃料和氧化剂送入燃烧室，初始用电火花点燃，后续靠高温自行燃烧；高温高压气体从喷口高速喷出，产生反冲推力 · 能量转化：燃料化学能→内能→火箭机械能 · 特点：功率大，可飞出大气层；多级火箭可作为星际航行运载工具 1.15. 我国火箭成就：长征系列运载火箭 · 关键型号：长征五号（2016年11月3日首飞，图10.4-9），是我国目前运载能力最强的火箭，承担空间站（天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱）、天问一号、嫦娥五号/六号等发射任务 · 地位：标志我国运载火箭升级换代，是从航天大国迈向航天强国的关键 五、自我检测 1.16. 四冲程汽油机动力来源：做功冲程，能量转化为内能→机械能 1.17. 汽油机与柴油机的差异 · 构造差异：汽油机有火花塞，柴油机有喷油嘴 · 点火方式：汽油机为点燃式，柴油机为压燃式 1.18. 冲程判断与转速计算（图10.4-10） · 冲程判断：根据气门状态和活塞运动方向（如两气门关闭、活塞下行→做功冲程，能量转化为内能→机械能） · 转速计算：飞轮转速3600r/min=60r/s，四冲程每2转对外做功1次→每秒做功30次 1.19. 六冲程引擎 · 第五冲程：水变水蒸气推动活塞→相当于四冲程汽油机的做功冲程 · 第六冲程：水蒸气进入冷凝器变为水→物态变化为液化 · 优点：提高能量利用率（回收废气热量）、节约燃料 六、拓展阅读：长征系列运载火箭 1.20. 发展起点：1956年开启现代火箭研制，1970年4月24日长征一号发射东方红一号卫星（钱学森总设计，图10.4-11） 1.21. 五个发展阶段 · 阶段1：基于战略导弹技术（CZ-1、CZ-2） · 阶段2：按运载火箭技术规律研制（CZ-3、CZ-3A系列、CZ-4系列） · 阶段3：满足商业发射服务（CZ-2E） · 阶段4：适配载人航天需求（CZ-2F） · 阶段5：适应环保及快速反应（CZ-5系列、CZ-6系列、CZ-7系列、CZ-8系列、CZ-11系列） 1.22. 四代火箭特点：从模拟控制到数字控制，从有污染推进剂到无毒无污染，运载能力逐步提升 1.23. 主要成就：支撑神舟飞天、嫦娥奔月、北斗组网、高分观测、对外商业发射等国家重大工程 1.24. 实践要求：查阅火箭参数，通过报告会或壁报交流航天发展前景 1 学科网（北京）股份有限公司 $