10.3 热机及其工作原理 课件-2025-2026学年沪科版（五四学制）物理九年级上册

第3节　热机及其工作原理 义务教育教科书（五·四学制） 物理 九年级 上册 汽车是现代生活中常用的交通工具。发动机是汽车的核心部件（图10-3-1），为汽车提供强劲的动力。这个动力从何而来？ 图10-3-1　汽车发动机 如图10-3-2所示，将适量水注入试管并用橡胶塞塞住试管口。用酒精灯加热试管，直至橡胶塞被“顶出”试管口。讨论并交流橡胶塞被“顶出”试管口的原因。 自主活动 什么是热机？ 图10-3-2　加热封闭的试管 在上述实验中，酒精燃烧放出的热量，使水蒸气受热膨胀对橡胶塞做功，使橡胶塞被“顶出”试管口。上述实验可以用来简单模拟热机产生动力的过程。我们把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机。 图10-3-3为热机工作原理的示意图，热机自高温物体处吸收热量，其中一部分用来对外做功，另一部分流向低温物体。 图10-3-3　热机的工作原理图 热机的种类较多，按照燃料燃烧场所的差异，热机可分为外燃机和内燃机两种。 燃料在发动机外的锅炉内燃烧并产生动力的热机叫做外燃机，蒸汽机就是最早的外燃机，它利用燃料加热锅炉中的水产生高压水蒸气，高压水蒸气推动活塞对外做功。由于老式蒸汽机过于笨重、能耗大、效率低，已逐渐被淘汰。 蒸汽轮机与蒸汽机工作模式相似，由大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，推动巨型汽轮机转动对外做功。蒸汽轮机被广泛应用于发电厂和大型船舶。 燃料直接在发动机内的气缸中燃烧并产生动力的热机叫做内燃机，现代社会中大部分交通工具的发动机都是内燃机。 内燃机如何工作？ 最常见的内燃机是汽油机和柴油机，它们分别用汽油和柴油作为燃料。 如图10-3-4所示，汽油机主要由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴和连杆组成。 图10-3-4　汽油机结构示意图 汽油机工作时，活塞在气缸内做往复运动，图10-3-5是汽油机工作过程示意图。 图10-3-5　四冲程汽油机工作过程示意图 活塞做一次单向运动的过程称为一个冲程，汽油机的一个工作循环过程包括四个冲程，分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。 做功冲程中，燃气对外做功，带动与曲轴相连的飞轮实现持续运转。其余三个冲程是辅助冲程，活塞靠旋转飞轮的惯性带动曲轴连杆运动。 汽油机质量小，转速大，启动方便，运转平稳，主要用于汽车的发动机。 柴油机的结构与汽油机相似，图10-3-6为柴油机的结构示意图，由于柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 图10-3-6　柴油机结构示意图 柴油机的工作循环过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程。吸气冲程中只有空气进入气缸。压缩冲程使气缸内的空气温度升高。压缩结束时，气缸内温度超过柴油燃点，此时，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即燃烧起来。做功冲程中气缸内气体的压强、温度急剧增大，从而有力地推动活塞对外做功。 与汽油机相比，柴油机的零件结构强度更高，也更笨重，但柴油机油耗低、功率大，因此多用于载重汽车、坦克、轮船及小型发电机。近年来，随着柴油机技术的进步，传统柴油机的缺点逐步得到改善，目前许多汽车也采用柴油机作为动力装置。 火箭发动机（图10-3-7）是一种新型的热机。由于要在缺氧的高空中工作，火箭发动机与大多数普通热机不同，必须自带氧化剂（如液氧）。燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，产生高温高压燃气，燃气通过喷口向后喷出推动火箭前进。 STSE 图10-3-7　火箭发动机示意图 “长征”系列运载火箭（图10-3-8）是我国自行研制的航天运载工具，有力支撑了以“中国载人航天工程”“北斗卫星导航系统”和“中国探月工程”为代表的国家重大工程的成功实施，为我国航天事业的发展提供了强有力的保障。 图10-3-8　“长征五号”运载火箭点火升空 1.关于热机的定义，下列说法正确的是（　　） A. 热机是将内能转化为机械能的装置 B. 热机是将电能转化为机械能的装置 C. 热机是将化学能直接转化为动能的装置 D. 热机是利用摩擦生热的装置 课堂练习 答案：A 解析：根据热机工作原理，热机通过燃料燃烧释放内能，再转化为机械能（如蒸汽推动活塞）。选项B、C混淆能量转化类型，D与热机原理无关。 A 2.汽油机工作时，将内能转化为机械能的冲程是（　　） A. 吸气冲程 B. 压缩冲程 C. 做功冲程 D. 排气冲程 课堂练习 答案：C 解析：做功冲程中，高温高压燃气推动活塞运动，内能转化为机械能。其他冲程不涉及能量转化或转化方向相反（如压缩冲程为机械能→内能）。 C 3.四冲程汽油机一个工作循环中，曲轴转动的圈数和对外做功次数分别是（　　） A. 1圈，1次 B. 2圈，1次 C. 2圈，2次 D. 4圈，4次 课堂练习 答案：B 解析：一个工作循环包含四个冲程，曲轴转2圈，但仅做功冲程对外做功1次。选项A、C、D与标准循环不符。 B 4.柴油机与汽油机的主要区别是（　　） A. 柴油机吸入的是空气，汽油机吸入的是油气混合物 B. 柴油机用火花塞点火，汽油机用压燃式点火 C. 柴油机效率低于汽油机 D. 柴油机无排气冲程 课堂练习 答案：A 解析：柴油机在吸气冲程仅吸入空气，压缩后喷油压燃；汽油机吸入油气混合物并由火花塞点燃。选项B混淆点火方式，C错误（柴油机效率通常更高），D违背四冲程原理。 A 5.关于热机效率，下列说法错误的是（　　） A. 热机效率定义为有用功与燃料完全燃烧放出热量的比值 B. 废气带走的能量是效率低的主要原因之一 C. 蒸汽机的效率可达60% D. 减少机械摩擦可提高效率 课堂练习 答案：C 解析：实际蒸汽机效率仅6%-15%，60%远高于现实。选项A、B、D符合热机效率的定义及优化方向。 C 6.汽油机工作循环中，对外做功的冲程是（　　） A. 吸气冲程 B. 压缩冲程 C. 做功冲程 D. 排气冲程 课堂练习 答案：C 解析：汽油机四个冲程中，仅做功冲程通过高温高压燃气推动活塞，将内能转化为机械能并对外输出动力。其他冲程依靠飞轮惯性完成。 C 7.在汽油机的压缩冲程中，能量转化形式为（　　） A. 机械能→内能 B. 内能→机械能 C. 化学能→内能 D. 内能→化学能 课堂练习 答案：A 解析：压缩冲程中，活塞向上运动压缩燃料混合物，机械能转化为内能，使温度升高。做功冲程则相反（内能→机械能）。 A 8.某四冲程汽油机飞轮转速为1200 r/min，则每秒对外做功（　　） A. 10次 B. 20次 C. 40次 D. 60次 课堂练习 答案：A 解析：飞轮转速1200 r/min = 20 r/s。因一个工作循环（4冲程）中飞轮转2周、做功1次，故每秒做功次数为：20 r/s ÷ 2 = 10次。 A 课后思考 1. 热机是将　　　　能转化为　　　　能的机械。 2. 图10-3-9为内燃机工作四个冲程的示意图。 图10-3-9 （a） （b） （c） （d） （1）由图可判断：（a）为　 　   　冲程，（b）为　 　  　冲程，（c）为　 　   　冲程，（d）为　　   　冲程。 （2）这四个冲程中，实现内能转化为机械能的是　　   　　。 3. 比较四冲程汽油机和四冲程柴油机，并完成表10-3-1。 内燃机类型 吸气冲程中吸入气缸的物质 点火方式 优点 缺点 汽油机 柴油机 表10-3-1 4. 如图10-3-10所示，礼花筒利用筒内高压空气的膨胀，将彩带喷向空中，产生喜庆效果。 （1）礼花筒是热机吗？为什么？ （2）礼花筒喷出彩带的过程与汽油机的哪个冲程类似？ 图10-3-10 谢谢观看 Thank you $