14.3 热机的效率 教学设计 2026-2027学年物理人教版（2024）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦“热机的效率”，涵盖燃料的热值及热机效率两大核心知识点。课堂以“热机燃料燃烧热量能否完全利用”的问题导入，承接上节内燃机知识，帮助学生构建内能利用的完整认知。 此资料特色在于运用能流图分析能量损耗（科学思维），结合柴火、燃气灶具等生活实例（科学探究），引导学生自主推导热值公式（物理观念）。预习清单与实验设计助力学生理解，为教师提供结构化教学支持，提升课堂效率与学生科学素养。

第三节 热机的效率 一、教学基本信息 项目 内容 课题 初中物理人教版（2024）九年级全一册 第十四章第三节 热机的效率 课时 1 课时（45 分钟） 授课年级 九年级 课型 新授课 授课教师 授课时间 二、学情分析及教学分析 本节承接上一节内燃机知识，是本章核心内容。学习本课能让学生明白：燃料燃烧释放的热量无法被内燃机完全利用，从而形成对内能利用完整、客观的认知。 本课包含燃料的热值、热机的效率两大板块，核心学习目标为：理解热值与热机效率定义，掌握相关计算公式并简单运算，知晓提升热机效率的途径。本节完善了内能改变与利用的相关知识，和生活实际联系紧密。 教材编排循序渐进：从生活常见燃料切入，引出不同燃料放热能力存在差异，即热值这一物质特性。课标要求从能量转化视角认识热值，侧重理解化学能向内能的转化，不安排复杂计算。教材仅提供热值数据表，学生可结合定义自主推导放热公式Q=mq、Q=Vq，重在理解公式物理含义。对于热机效率，教材借助能流图引导学生分析燃料能量损耗途径：燃料无法完全燃烧、部分热量未做功、大量能量随尾气流失，由此归纳热机效率概念，并结合实例总结提高效率的措施。本节课重点为热值、热机效率；难点是理解热机效率的内涵。 学生已掌握观察、归纳、对比等探究方法，此前学过热机与机械效率，为本课铺垫基础，也为后续热学学习积累经验。学生熟悉各类热机，但难以理解能量损耗与热机效率。教学可结合柴火、燃气灶具等生活实例，直观解释能量浪费的原因，让学生体会科学、技术与生活生产的紧密关联。 三、教学目标 1.从生活中体会不同燃料燃烧释放热量的本领不同，建立热值的概念。 2.从能量转化的角度认识燃料的热值，知道热值的单位和定义，能简单计算燃料燃烧放出的热量。 3.了解热机中能量走向及热散失的途径，知道什么是热机效率，了解提高热机效率的方法。 四、教学重难点 重点 热值的物理意义及热机效率的计算。 难点 热值的概念和热机效率的理解。 五、教学准备 教师准备：制作多媒体课件，准备酒精灯、铁架台、烧杯、温度计等。 学生准备：预习本节课的内容，完成预习清单。 预习清单 1.热值 （1）人类使用燃料的历程：柴薪——煤炭——石油。固体燃料有_______、_______等，液体燃料有_______、_______等，气体燃料有_______、_______等。 （2）质量相同的不同的燃料燃烧后放出的热量相同吗？试举例说明。 答案_______________________________________________________________________________________________________________________。 （3）燃料的热值 ①概念：某种燃料______________放出的_______与其质量_______，叫作这种燃料的热值。用符号q表示。 ②单位：_____________，符号是_______，气体燃料的热值单位也可以用焦每立方米（J/m3）。 ③酒精的热值q = 3.0×107 J/kg的物理意义：________________________________________________________________。 ④燃料完全燃烧放出热量的计算公式_______，q表示燃料的_______；m表示燃料的_______，单位是_______。 2.热机效率 （1）热机的效率 ①概念：热机用来做______________的那部分能量，与燃料______________的能量之比，叫作热机的效率。 ②计算公式：______________。 （2）提高燃料利用率的方法： ①让燃料尽可能_______燃烧，如：将煤粒磨成煤粉、加大送风量等； ②利用_______的能量； ③机件间保持良好的润滑、减小_______等。 答案 1.（1）木柴；煤炭；汽油；酒精；煤气；天然气 （2）不相同。比如烧开同样的一壶水，消耗的木柴比煤气要多。（其他说法合理即可） （3）①完全燃烧；热量；之比 ②焦煤千克；J/kg ③1kg酒精完全燃烧所放出的热量是3.0×107 J ④Q = qm；热值；质量；千克 2.（1）①有用功；完全燃烧放出 ② （2）①充分；②废气；③摩擦 六、教学过程 课程导入 【思考问题】 热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗? 这节课我们就来一起探究《14.3 热机的效率》 （设计意图：通过创设情境，从学生熟悉的现象入手，符合学生的认知特点，让学生产生亲切感、乐于探究，从而自然引出本节课的课题。） 新课讲解 一、燃料的热值 活动一：列举常见燃料并分类 人类在原始社会时就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭。在现代社会，人类所用能量的很大一部分依然是从燃料的燃烧中获得的。 甲烷 柴草 石油 煤油 蜂窝煤 核燃料 【思考交流】你能列举并总结常用的燃料种类吗？燃料燃烧时能量会发生怎样的转化？ 【总结】 （1）燃料的种类：固体燃料包括木柴、煤炭等；液体燃料包括汽油、柴油、酒精等；气体燃料包括煤气、天然气等。 ( （2）燃料的燃烧是一种化学变化，燃烧过程中，燃料的化学能会转化为内能。 活动二：探究燃料燃烧放出的热量与哪些因素有关 【想想议议】根据生活经验，相同质量的不同燃料燃烧时，放出的热量是否相同？请结合相关事实交流并列举，以支持你的观点。 生活中我们会发现：将同一壶水烧开，所需干木柴、煤和天然气的质量不同（干木柴用量最多，天然气最少）。由此可推知：相同质量的干木柴、煤和天然气燃烧时，天然气放出的热量多于煤和干木柴。可见，燃料燃烧放出热量的多少与燃料的种类有关。 【思考问题】燃料燃烧时放出的热量与哪些因素有关呢？请结合生活实例，分析影响燃料燃烧放热多少的因素。 （1）1千克和2千克的干木柴，若燃烧情况相同，哪种放出的热量更多？ 【交流归纳】同种燃料完全燃烧时，质量越大，放出的热量越多。 （2）两份质量均为1千克的干木柴，一份完全燃烧，另一份燃烧不充分，哪种情况放热更多？ 【交流归纳】质量相等的同种燃料，放出的热量与燃烧是否充分有关。 （3）完全燃烧1千克煤和1千克木柴（燃烧情况一致），哪种燃料放出的热量更多？ 【实验证明】完全燃烧1千克煤和1千克木柴（燃烧情况一致）时，煤放出的热量是木柴的2倍多。 【归纳总结】 （1）燃料燃烧放出的热量与燃料的质量、种类及燃烧情况有关。 （2）不同燃料燃烧释放热量的能力存在差异。 【思考讨论】如何比较燃料燃烧放热的能力呢？ 提示：可类比比较物体密度的方法——取体积均为1m³的物体，比较其质量大小；同理，取质量均为1kg的燃料，让它们完全燃烧，比较放出热量的多少。 活动三：热值的理解 （1）热值的定义：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。热值用字母q表示。 （2）热值的计算公式： Q表示放出的热量，单位是焦耳（J）； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克（kg）； q表示热值，单位是焦每千克（J/kg）。 （3）热值的物理意义：热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。热值的单位由热量的单位和质量的单位组合而成。在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg。 （4）燃料燃烧放出热量的计算： （5）气体燃料的热值： Q表示放出的热量，单位是焦耳（J）； V表示气体燃料的体积，单位是立方米（m3）； q表示气体燃料的热值，单位是焦每立方米（J/m3）。 【归纳总结】 （1）热值是燃料的一种特性，其大小仅与燃料的种类有关，与燃料的质量或体积、是否燃烧、是否完全燃烧均无关。 （2）对热值的理解需抓住三个关键词：“某种燃料”“完全燃烧”“热量与其质量之比”。 热值是一个理论值，只有当燃料充分燃烧时，实际放出的热量才等于通过公式计算得出的热量。由于燃料无法实现完全燃烧，实际放出的热量会略小于理论值，但燃料的热值本身不会因此改变。 热值与比热容的对比 项目 热值 比热容 定义 某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比 某种物质温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比 单位 J/kg(或J/m3) J/(kg·℃) 对象 燃料 所有物质 （设计意图：创设热值相关的计算情境，帮助学生掌握热值计算的思路与要领，提升其计算能力。） 二、热机的效率 【思考交流】热值定义中要求燃料“完全燃烧”，真的可以实现吗？ 【分析】燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要小。 【提出问题】烧水时，燃料能被完全利用吗？ 【分析讨论】煤气无法完全燃烧，会损失一部分能量；装水的容器、煤气灶本身会吸收一部分能量；高温烟气会带走一部分能量；还有一部分能量直接散失……水吸收的热量仅占煤气完全燃烧放出热量的一部分，而只有这部分被水吸收的热量才是有效利用的能量。如图所示： 【思考交流】提高锅炉效率的措施有哪些？ （1）改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧。 将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之燃烧更充分。 （2）减少各种热量损失。 ①加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量； ②使用较好的保温材料，减少热损失。 【交流归纳】引导学生总结得出热效率的概念：吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。 热效率的公式： 活动四：热机效率 1.内燃机中热量燃烧的能量流向图 汽油在气缸内无法完全燃烧，会损失一部分能量；废气会带走一部分能量；热机自身向外散热，也会带走一部分能量；机械传动过程中克服摩擦要消耗一部分能量；机械装置自身还会吸收一部分能量，等等。 因此，燃料燃烧释放的能量中，真正转化为对外有用功的仅占一部分。只有这部分用于对外做有用功的能量，才是被有效利用的能量。 2.热机效率 （1）定义：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，叫作热机的效率（）。 （2）计算公式： 特别提醒 公式中的指的是燃料完全燃烧释放的能量，用或计算。不要与比热容中的放热计算公式混淆。 （3）物理意义：热机的效率是衡量热机性能的重要指标，它反映了热机对燃料能量的利用率高低。效率越高的热机，在完成相同功的情况下，消耗的燃料越少，更有利于节约能源。 3.提高热机效率的主要途径 （1）尽量减少各种热量损失，并设法利用废气的能量。例如，大型发电机常用蒸汽轮机驱动，为提高燃料利用率，人们会利用蒸汽轮机排出的废气进行供热，这种方式构成了热电站。 （2）在热机的设计与制造环节，采用先进技术。 （3）使用过程中注意保养，保证良好润滑，合理调整零件间隙，以减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 （设计意图：通过情境创设与对比分析，引导学生认识热机效率，并掌握利用相关公式提升计算能力的方法，以及热值相关计算的思路。） 总结归纳 板书设计 一、燃料的热值 1.定义：某种燃料完全燃烧所放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值。 2.公式：（固体燃料）；（气体燃料） 3.单位：J/kg（固体燃料）；J/m³（气体燃料） 二、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释放的能量之比，称为热机效率。 2.公式： 课堂练习 1.汽油在发动机气缸中燃烧不充分会产生积碳，影响发动机性能。在发动机维护保养后，汽油燃烧会更加充分，其热值(      ) A.变大 B.变小 C.不变 D.无法确定 答案：C 解析：热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与质量和燃烧情况等无关。故A、B、D错误，C正确。故选：C。 2.古代科技汲水工具筒车《天工开物》是我国古代的科学著作，书中记载着如图所示的筒车。该筒车工作一昼夜，提升水所做的功可达到。若采用效率为50%的柴油发动机代替筒车灌溉百亩良田，需要完全燃烧________g柴油。（柴油的热值） 答案： 解析：已知提升水做的有用功，柴油机的效率为50%，则柴油机做的总功（完全燃烧释放的总热量） 则需要完全燃烧的柴油质量为 3.菜油最适宜的烹饪温度在150℃至180℃之间。用天然气将质量为0.02kg的菜油从室温25℃加热到175℃，若天然气完全燃烧释放出的热量有60%被菜油吸收。此过程中燃烧了________的天然气。[，天然气的热值为] 答案： 解析：菜油吸收的热量 天然气完全燃烧放出的热量 燃烧天然气的体积 4.如图所示是某单缸四冲程汽油机的能量流向图，则该汽油机的效率为______________；完全燃烧0.2kg的汽油，该汽油机能够输出_______J的有用功；请你根据该汽油机的能量流向图，提出一条提高该汽油机效率的方法：______________。（汽油的热值为） 答案：；；加润滑油，减小摩擦 解析：如图为某汽油机工作时的能量流向图，可得汽油机的效率为 2kg汽油完全燃烧放出的热量是该汽油机消耗0.2kg汽油可输出有用功由能量流向图可知，机械各部分之间的摩擦损失部分能量，可以针对此提出提高热机效率的措施为加润滑油，减小摩擦。 七、教学反思（课后及时记录，持续优化教案，提升教学质量） 课堂效果 学生反馈 改进方向 教学特色 本节首次引导学生利用能流图分析问题。教师可借助教科书中热机的能流图启发思考：内燃机中燃料燃烧产生的能量去向如何？学生的回答可能不够完整，教师需进一步引导分析：燃料燃烧释放的所有热量中，仅有部分转化为有用机械能，其余损失的能量具体包括哪些？在此基础上引出热机效率的概念，再结合实际场景，简要分析提高热机效率的方法。 学生对热机效率问题较为陌生，但对日常生活中的热效率现象相对熟悉。因此，教学中可先讨论生活中的热效率实例，再自然过渡到热机效率的学习，使知识衔接更平稳，避免难度骤升带来的学习障碍。 学科网（北京）股份有限公司 $