14.3 热机的效率 教案 2026-2027学年物理人教版九年级全一册

该教案聚焦“热机的效率”核心知识，涵盖燃料热值概念、热机效率定义及计算。通过火箭用液氢、不同燃料加热水等生活情境导入，连接热机能量转化与燃料放热本领比较，搭建从特性认知到效率分析的学习支架。 该资料以核心素养为导向，科学思维上用控制变量法设计燃料放热实验，科学探究中引导自主阅读热值表并调研本地燃料，科学态度上对比煤炉与天然气灶效率培养环保意识。任务驱动结合实验视频和分层练习，助学生理解概念，提升教师教学效率。

第十四章 内能的利用 第3节 热机的效率 课题 热机的效率 课型 新授课 课时 1课时（45分钟） 教材版本 人教版九年级全一册 授课对象 九年级学生 授课时间 年 月 日 教学方法 任务驱动法、自主阅读法、小组讨论法、实验探究法、讲授法、多媒体演示法 教学用具 多媒体课件、热值表、实验视频（不同燃料加热水对比）、煤、木柴、汽油、天然气等燃料样品或图片 一、核心素养目标 1. 物理观念 理解热值的概念——某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。知道热值单位J/kg（固液体）和J/m³（气体）。能查阅热值表，知道不同燃料热值不同，氢的热值最大。理解热值是燃料的一种特性，只与种类有关。掌握Q放=mq和Q放=Vq。 知道热机效率的定义——用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。了解热机工作中的能量损失（废气、散热、摩擦、不完全燃烧），能用能量流向图描述能量去向。 了解提高热机效率的途径——充分燃烧、减少热损失、利用废气、良好润滑。知道热机效率总小于1。掌握η=Q吸/Q放×100%。 2. 科学思维 通过不同燃料加热相同质量水的实验设计（控制变量法+转化法），体会用可测物理量间接衡量燃料放热本领的科学方法。 通过构建热机能量流向图，建立系统能量分析思维——输入总能量=有用功+各项损失之和，培养能量守恒视角。 通过热机效率总小于1的讨论，理解能量守恒与能量转化方向性的关系。 3. 科学探究 设计实验探究不同燃料放热本领：控制变量法（等质量燃料+等质量水），转化法（比较水温升高或燃料消耗）。预测结果并分析误差来源。 自主阅读教材P30-31热值表，归纳规律，交流对热值特性的理解。 调研本地燃料种类、热效率及环保影响，撰写简短调查报告。 4. 科学态度与责任 通过对比煤炉效率16.8%和天然气灶52.5%，认识技术进步对能源利用效率的提升，培养节能减排意识。 通过了解热机效率与国家能源战略、碳达峰碳中和的关系，培养可持续发展观。 二、教学重点与难点 教学重点：1. 热值的概念与计算——热值是燃料完全燃烧放热与质量之比，是燃料特性（只与种类有关），Q放=mq（固液）或Q放=Vq（气体）。 2. 热机效率的定义与能量流向——η=W有用/Q放×100%，五路能量支出（废气/散热/摩擦/不完全燃烧/有用功），效率总小于1。 3. 提高热机效率的方法——充分燃烧·减少散热·利用废气（主要措施）·良好润滑。 教学难点：1. 热值的概念误区——热值是燃料固有特性（类似密度、比热容），与质量、是否燃烧、是否完全燃烧无关。Q放=mq中q是常量。 2. 热效率公式的灵活运用——η=Q吸/Q放，需区分Q吸=cmΔt和Q放=mq/Vq，学生易将两者混淆。 3. 能量流向图的分析——各部分占比之和=100%，能判断各项损失可否减少及如何减少。 三、教学过程 环节一：情境导入（3-5分钟） 【教师活动】同学们，热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料。热机对外做功，目的是将燃料中的化学能转化为机械能。但一个关键问题来了——热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？换句话说，烧掉的油、燃掉的煤，有多少真正变成了推动汽车前进的动力，有多少被白白浪费了？今天我们就通过三个任务来揭开这个秘密。 本节课学习目标：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。；能简单计算燃料燃烧放出的热量。；知道热机效率，能说出提高机械效率采取的措施。 【学生活动】观察教材/屏幕展示的三种燃料图片（煤、汽油、天然气），思考三个问题：①为什么火箭用液氢而不用煤？②为什么不同燃料加热同一壶水效果不同？③用什么科学方法定量比较不同燃料的放热能力？完成学案KWL预习栏。 【过渡语】要定量比较不同燃料的放热本领，物理学家引入了一个重要概念——热值。这就好比每种燃料都有一个"能量身份证"，告诉我们1kg这种燃料完全燃烧能放出多少热量。下面进入任务一。 热机中的燃料燃烧——热量能被完全利用吗？ 环节二：新知探究（15-20分钟） 任务一：燃料的热值 【教师活动】教师展示六种燃料图片——固体燃料（木柴、煤）、液体燃料（汽油、酒精）和气体燃料（煤气、天然气）。提出问题：相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？找出事实来支持你的观点。 【参考答案】相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不相同的。例如：相同质量的木柴和煤加热相同质量的水，水温度上升的不同；或者加热相同质量的水至沸腾，使用的木柴和煤的质量不相同。 【教师活动】分小组设计一个实验方案来探究不同燃料燃烧时的放热本领。 方案1：水的质量一定，燃料的质量一定，通过比较水的温度升高多少来确定燃料放热本领。 方案2：水的质量一定，水的温度升高多少一定，通过比较消耗燃料质量多少来确定燃料的放热本领。 实验方法：控制变量法和转化法。实验装置如图甲乙。 【思考】①两种方案分别用了什么实验方法？②方案1和方案2各有什么优缺点？③实验中有哪些误差来源？ 【教师活动】自主阅读教材P30-31的相关内容，再观察下面的热值表，小组交流回答以下问题。 1.发现：①热值的大小只与燃料种类有关；②不同燃料的热值一般不同（差异巨大：干木柴1.2×10⁷J/kg，氢1.4×10⁸J/kg，相差10倍以上）；③氢的热值最大。 2.热值的理解：热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量或体积、是否燃烧、是否完全燃烧无关。 3.根据热值的定义，写出热值的公式，并思考——在定义热值时，为什么要强调"完全燃烧"？ 【热值公式】q=Q放/m（固体和液体燃料）；q=Q放/V（气体燃料）。单位：J/kg或J/m³。强调"完全燃烧"的原因是：不完全燃烧时实际放热小于理论值，但热值q是燃料本身属性，不随燃烧情况改变——就像密度是物质属性，物体切掉一半密度不变一样。 【教师引导】燃料的热值——①定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量（体积）之比；②公式：q=Q放/m（固液，J/kg）或q=Q放/V（气体，J/m³）；③特性：只与燃料种类有关，与质量、体积、是否燃烧、是否完全燃烧无关；④氢的热值最大（1.4×10⁸J/kg）→火箭燃料。 ⚠️ 易错提示：热值是不变的特性——同一燃料的热值不会因燃烧是否充分而改变。烧煤球没烧完不代表煤的热值变小了，只是这次实际放热比理论少。 💡 判断技巧：判断一个量是不是"特性"：看它是否随着物体的质量/体积/形状/位置改变。不变→特性（热值、密度、比热容都是）。变→不是特性（热量、质量、温度都不是）。 【过渡语】知道了热值，我们就可以算出燃料理论上能释放多少热量。但实际用燃料烧水或驱动热机时，有多少热量真正被利用？剩下的热量去了哪里？这就引出了第二个核心概念——热机效率。进入任务二。 任务二：热机的效率 【教师活动】在生活中我们经常用煤气烧水，而煤气放出的热量往往比按热值计算出的要小，而且有效利用的热量又比放出的热量要小。请相互交流讨论利用煤气烧水时，有哪些能量损失？ 【参考答案】（1）煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量；（2）装水的容器吸收了一部分能量、煤气灶本身吸收一部分热量、高温的烟气带走了一部分能量、还有一部分能量散失掉了，只有水吸收的热量才是有效利用的。 【教师活动】请讨论完成下面热机工作时的能量流向图，并思考——热机的效率能否达到100%？为什么？ 不能。在热机的工作过程中，热损失是不可避免的，即有效利用的热量总比燃料完全燃烧放出的热量少，所以热机效率总小于100%。 【定义】热机效率：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，即η=W有用/Q放×100%。 【教师活动】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，就消耗更少的燃料，从而节约资源，减少污染。那么如何提高热机的效率呢？ ①使燃料充分燃烧；②尽量减少各种热量损失；③利用废气的能量（主要措施）；④注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 【教师引导】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放出的能量之比；②公式：η=W有用/Q放×100%；③效率总小于1（热损失不可避免）；④提高方法：充分燃烧、减少散热、利用废气（主要）、良好润滑。 ⚠️ 易错提示：效率≠功率！热机效率是能量利用率（百分比），功率是做功快慢（瓦特）。高效率的热机可能功率很小，低效率的热机可能功率很大。 📕 理解要点：热机效率<100%不是技术不好，是物理上不可避免。即使未来技术再先进，只要存在热传递→摩擦生热→散失，效率就不可能达到100%。这与能量守恒不矛盾——总能量不变，只是从集中的有用能变成了分散的低温热。不违反能量守恒！很多学生误以为效率<100%是违反了能量守恒定律。 【过渡语】理解了热机效率的概念和能量流向，我们还需要掌握定量的计算方法——如何用公式算出热效率？从定性分析走向定量计算。进入任务三。 任务三：热机效率的计算 【教师活动】热效率计算的核心公式：η=Q吸/Q放×100%。其中：Q吸=cmΔt（水等物体吸收的热量）；Q放=mq（固液体燃料）或Q放=Vq（气体燃料）。 计算四步法：①先算有用的Q吸（或W有用）；②再算燃料完全燃烧放出的Q放；③两者之比就是效率（×100%化为百分数）；④判断答案合理性（效率必须在0%~100%之间，且实际效率通常远低于100%）。 注意：计算前统一单位！质量用kg、热值用J/kg、比热容用J/(kg·℃)。 ⚠️ 易错提示：区分两个m！Q吸=cmΔt中的m是被加热物体的质量（水），Q放=mq中的m是燃料的质量。两者通常不同——煤炉例题中水30kg但煤2kg。学生常把两个m混淆。 环节三：例题精讲（10-15分钟） 例题1：王萌同学学习了有关的热学知识后，知道了水的比热容是4.2×10³ J/(kg·℃)，她想估算一下家中每天烧水、煮饭需要的热量。于是她仔细记录了烧水、煮饭所需的时间，并折算成烧水问题，相当于每天将质量为30kg、初温为20℃的水烧开。（在1标准大气压下）（1）王萌同学家每天烧水、做饭需要多少热量？（2）普通煤的热值为3.0×10⁷ J/kg，按每块蜂窝煤含煤0.5kg计算，她家每天实际用煤2kg，推算她家供热系统的热效率。（3）说明家用煤炉效率低的原因。（4）家用煤炉除了热效率低以外，还有一个重大的问题是什么？ 【思路分析】（1）Q吸=cm(t-t₀)=4.2×10³×30×80=1.008×10⁷J。（2）Q放=mq=2×3.0×10⁷=6×10⁷J；η=1.008×10⁷/6×10⁷×100%=16.8%。家用煤炉效率极低——大部分热量从烟囱跑掉了！（3）①煤不能完全燃烧；②热量通过烟气大量散失；③煤炉散热严重。（4）除效率低外，燃煤还产生SO₂、CO、粉尘等大气污染物。 答案：（1）1.008×10⁷J （2）16.8% （3）煤炭没有完全燃烧、热量散失到空气中 （4）污染环境 例题2：小明家使用天然气灶烧水，将质量为5kg、初温为20℃的水加热到70℃，共消耗天然气0.05m³。已知水的比热容为4.2×10³ J/(kg·℃)，天然气的热值为4.0×10⁷ J/m³。求：（1）水吸收的热量；（2）天然气完全燃烧放出的热量；（3）该天然气灶烧水的热效率。 【思路分析】（1）Q吸=cm(t-t₀)=4.2×10³×5×(70-20)=4.2×10³×5×50=1.05×10⁶J。（2）Q放=Vq=0.05×4.0×10⁷=2×10⁶J——天然气是气体燃料，用体积公式！（3）η=Q吸/Q放×100%=1.05×10⁶/2×10⁶×100%=52.5%。对比PPT例题煤炉16.8%——天然气灶效率远高于煤炉：气体燃料燃烧更充分、烟气热损失更少。 答案：（1）1.05×10⁶J （2）2×10⁶J （3）52.5% 【变式训练】如果将上述5kg水换成10kg水，其他条件不变，热效率会改变吗？为什么？ 解析：热效率不变。因为η=(cmΔt)/(Vq)×100%，在理想情况下m翻倍时Q吸和需要的Q放同比增大。但实际生活中烧更多水需更长时间→散热损失增大→效率反而可能略降。 环节四：课堂练习（5-10分钟） A组·基础巩固 练习1：对于燃料的热值，下列说法中属于正确理解的是（ ） A. 燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比 B. 燃料没燃烧时就没有热值 C. 就某种确定的燃料而言，它的热值是一个确定的值，跟燃料的质量及燃料燃烧放出的热量无关 D. 容易燃烧的燃料热值一定大 练习2：（多选）关于热机效率，下列说法正确的是（ ） A. 热机效率越高，即热机做的有用功多 B. 热机效率越高，即热机的功率越大 C. 要提高热机效率，就要尽量减少各种能量损失，并且要保证良好的润滑 D. 提高热机效率，有利于环保减排 练习3：一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25%，废气带走的能量占30%，摩擦等机械损耗占10%，则内燃机的热机效率为________。 练习4：已知干木柴的热值是1.2×10⁷ J/kg，完全燃烧0.7kg干木柴能放出多少热量？假设这些热量全部被水吸收，能使多少千克水的温度由20℃升高到70℃？已知水的比热容为4.2×10³ J/(kg·℃)。 B组·能力提高 练习5：下列关于热值的说法正确的是（ ） A. 质量越大的燃料，热值越大 B. 燃料燃烧越充分，热值越大 C. 燃料的热值是燃料的一种特性，只与燃料种类有关 D. 热值大的燃料，燃烧时放出的热量一定多 课堂练习答案 A组·基础巩固 练习1答案：C；解析：热值是燃料特性，只与种类有关。 练习2答案：CD；解析：效率不等于有用功多少也不等于功率大小。减少损失+环保减排。 练习3答案：35%；解析：100%-25%-30%-10%=35%。 练习4答案：8.4×10⁶J；40kg；解析：Q放=mq=8.4×10⁶J；m水=8.4×10⁶/(4.2×10³×50)=40kg。 B组·能力提高 练习5答案：C；解析：热值是燃料特性，只与种类有关，与质量、燃烧情况无关。Q放=mq，放热多不一定热值大（还看质量）。 环节五：课堂小结（2-3分钟） 【教师引导】本节以任务驱动展开——任务一（热值）：燃料理论的放热能力=q=Q放/m或Q放/V，是燃料固有特性（类比密度）；任务二（热机效率）：实际利用率η=W有用/Q放×100%，总小于100%，能量流向图为废气30%+散热25%+摩擦10%+不完全燃烧5%→有用功约35%；任务三（热效率计算）：四步法，η=Q吸/Q放×100%，需区分两个m（被加热物体质量和燃料质量）。 【课堂互动】快速口算比赛——判断正误：①Q放=mq，q随m变化？（错！q不变）②热机效率=100%可能吗？（不可能，热损失不可避免）③η=Q吸/Q放=4×10⁶/(2×10⁷)×100%=？（=20%）④煤炉效率16.8%意味着83.2%的能量去哪里了？（烟气+散热+未完全燃烧） 四、板书设计 第3节 热机的效率 一、燃料的热值（任务一） ①定义：燃料完全燃烧放热与质量（体积）之比——q=Q放/m（J/kg）或q=Q放/V（J/m³） ②特性：只与燃料种类有关，与m、V、是否燃烧/完全燃烧无关 ③氢热值最大（1.4×10⁸J/kg）→火箭燃料 二、热机的效率（任务二） ①定义：η=W有用/Q放×100% ②五路能量支出：废气·散热·摩擦·不完全燃烧→有用机械能 ③效率总＜1（热损失不可避免） ④提高方法：充分燃烧·减少散热·利用废气（主要）·良好润滑 三、热效率的计算（任务三） ①Q吸=cmΔt；Q放=mq（固液）或Q放=Vq（气体） ②η=Q吸/Q放×100% ③煤炉≈16.8%·天然气灶≈52.5% 知识结构（思维导图） 一、燃料的热值 → 定义：完全燃烧放热与质量（体积）之比 → 物理意义：热值是燃料本身的一种特性（只与种类有关） → 公式：q=Q放/m（J/kg）或q=Q放/V（J/m³） → 氢热值最大（1.4×10⁸J/kg） 二、热机的效率 → 定义：η=W有用/Q放×100% → 能量流向：废气+散热+摩擦+不完全燃烧→有用机械能 → 提高方法：充分燃烧·减少散热·利用废气·良好润滑 第3节 热机的效率 一、燃料的热值（任务一） ①定义：燃料完全燃烧放热与质量（体积）之比——q=Q放/m（J/kg）或q=Q放/V（J/m³） ②特性：只与燃料种类有关，与m、V、是否燃烧/完全燃烧无关 ③氢热值最大（1.4×10⁸J/kg）→火箭燃料 二、热机的效率（任务二） ①定义：η=W有用/Q放×100% ②五路能量支出：废气·散热·摩擦·不完全燃烧→有用机械能 ③效率总＜1（热损失不可避免） ④提高方法：充分燃烧·减少散热·利用废气（主要）·良好润滑 三、热效率的计算（任务三） ①Q吸=cmΔt；Q放=mq（固液）或Q放=Vq（气体） ②η=Q吸/Q放×100% ③煤炉≈16.8%·天然气灶≈52.5% 五、教学反思 1. 任务驱动+活动探究的结构是否有有效调动了学生的主动学习意识？自主阅读环节（活动3·教材P30-31）学生的阅读效率如何？ 2. 活动2（实验方案设计）——学生对控制变量法+转化法的双重嵌套是否理解到位？两种方案的优缺点讨论是否充分？有学生提出第三种方案吗（比如测燃料完全燃烧后的水温再换热量）？ 3. 能量流向图的填空引导——学生是否能独立完成五路能量支出的分配？"效率不能达到100%"的讨论能否与能量守恒联系起来（总能量不变只是形式变了）？ 4. Q吸=cmΔt和Q放=mq两个公式在同一道题中的切换——学生在计算时是否混淆两个不同的m（一个是水质量一个是燃料质量）？板书是否需要更明确标注？ 5. 热值=特性这一抽象概念——与密度、比热容的类比是否帮助学生跨越了"与质量无关"的认知障碍？学生能否自己提出其他"特性"的例子？ 6. 从煤炉16.8%到天然气灶52.5%的对比——学生是否将效率→节能→减排→环保这条逻辑链条内化为行动意识？课外调研作业布置后学生反馈如何？ 学科网（北京）股份有限公司 $