14.2 热机 教学设计 2026-2027学年物理人教版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机的概念、原理及内燃机（汽油机、柴油机）的构造与工作过程，通过“寻血猎犬”汽车导入，衔接14.1能量转化知识，构建“内能转化为机械能”的学习支架，梳理热机原理及发展脉络。 资料以实验演示（试管塞子实验）、模型动画辅助（汽油机四冲程示意图）和对比分析（汽油机柴油机异同表）为特色，通过归纳四冲程能量转化培养科学思维，结合热机发展史渗透科学态度与责任，助力学生直观理解重难点，为教师提供清晰教学路径，提升课堂效率。

14.2 热机 教案 课题 学科 年级 教材版本 课型 课时 14.2 热机 物理 九年级全一册 人教版（2024） 新授课 1课时 一、核心素养目标 物理观念：知道热机的概念，初步了解热机的工作原理；了解汽油机和柴油机的构造及工作过程。 科学思维：通过对汽油机四个冲程的分析，归纳冲程中的能量转化规律，培养归纳推理能力。 科学态度与责任：了解内能的利用在人类社会发展史中的重要意义，培养将科学知识与技术进步相联系的观念。 二、教学重点与难点 教学重点： 汽油机的四个冲程及其工作过程 四个冲程中的能量转化 汽油机与柴油机的主要区别 教学难点： 汽油机四个冲程的判断及能量转化 汽油机与柴油机工作过程的异同辨析 一个工作循环中曲轴转数、活塞往复次数与做功次数的关系 三、教学方法与教学用具 教学方法：实验演示法、问题驱动法、对比分析法、讲授法 教学用具：多媒体课件、试管塞子实验装置（或视频演示）、汽油机模型/动画 四、教学过程 环节一：情境导入——速度与能量（约5分钟） 图14.2-1 飞驰的汽车 【教师活动】同学们，大屏幕上是号称世界最快汽车之一的"寻血猎犬"，最高设计时速超过1600公里。这么快的速度从哪来？燃料——汽油或柴油在发动机里燃烧，产生巨大的能量推动汽车前进。这种把内能转化成机械能的机器就是——热机。 【教师活动】我们在14.1刚学了能量转化，今天14.2就讲它的具体应用——热机。热机和我们每天坐的汽车、拖拉机、甚至飞机火箭都密切相关。 【教师活动】那么，热机最早是怎样诞生的？它经历了怎样的演化？最先回答这个问题的是——试管实验。 【学生活动】观看课件展示的世界最快汽车图片，感受热机带来的力量。 【学生活动】回顾14.1所学：能量转化的实例——机械能↔内能，思考热机涉及的能量转化。 【过渡语】蒸汽机是热机的"老祖宗"。它的原理其实很简单，一个试管就能演示。 【知识点】热机：利用内能做功的机械，将内能转化为机械能 ★ 新课定位：14.2"热机"是14.1"能量的转化与守恒"的具体应用。上节课讲能量可以转化，这节课讲怎么把内能转化成机械能，是能量守恒定律的实例体现。 环节二：实验探究——试管塞子实验（约7分钟） 图14.2-2 试管塞子实验装置 图14.2-3 实验现象：塞子冲出、管口出现白雾 【教师活动】实验演示：在试管中装入适量水，用橡胶塞塞住管口，用酒精灯加热。注意观察两个现象。 【教师活动】现象一：加热一段时间后，橡胶塞"砰"的一声被冲了出去。为什么会冲出去？水被加热→水沸腾→产生大量水蒸气→试管内气压增大→水蒸气推着塞子冲出去。 【教师活动】能量转化分析：酒精燃烧→化学能转化为内能（水的内能增大）→水蒸气的内能转化为塞子的机械能。 【教师活动】现象二：管口附近出现"白雾"。这白雾是什么？不是水蒸气——水蒸气是无色看不见的。白雾是水蒸气遇冷液化成的小水滴。产生原因：塞子冲出时，水蒸气对外做功，内能减小，温度降低，液化成小水滴。 【教师活动】这个实验虽然简单，却基本展示了蒸汽机的工作原理——利用内能做功，将内能转化为机械能。 【学生活动】观看实验演示（或视频），记录两个关键现象。 【学生活动】分析能量转化过程：酒精燃烧（化学能→内能）→水蒸汽对塞子做功（内能→机械能）。 【学生活动】辨析：白雾不是水蒸气，是液化的小水滴——水蒸气对外做功、内能减小、温度降低。 【过渡语】这个试管就是蒸汽机的"微缩版"。真正的蒸汽机是什么样子的？它又是怎样推动了人类历史？ 【知识点】试管塞子实验：酒精燃烧（化学能→内能）→水蒸汽对塞子做功（内能→机械能） 【知识点】管口"白雾"：水蒸气对外做功，内能减小，温度降低，液化成小水滴 【知识点】热机原理：利用内能做功，将内能转化为机械能 ★ 易错警示："白雾"不是水蒸气！水蒸气是无色透明的气体，白雾是液态小水滴，是水蒸气遇冷液化形成的。强调：对外做功→内能减小→温度降低→液化。 ★ 记忆要点：这个实验包含了两次能量转化：①化学能→内能（燃烧）；内能→机械能（做功）。所有热机都是"内能→机械能"的转化装置。 环节三：热机的定义与发展史（约5分钟） 图14.2-4 蒸汽机原理示意图 图14.2-5 各种热机（蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机） 图14.2-6 瓦特与蒸汽机 【教师活动】从试管实验推广开来——人们发现内能可以做功，由此制造了各种利用内能做功的机械，统称为热机。热机的发明使人类迈入了工业化社会。 【教师活动】常见热机有哪些？蒸汽机（最古老）、内燃机（汽油机/柴油机，应用最广）、汽轮机（火力发电厂）、喷气发动机（飞机、火箭）。 【教师活动】蒸汽机发展史：1782年瓦特研制出双向蒸汽机；1788年获专利；19世纪30年代推向全世界，人类社会进入"蒸汽时代"。热机从蒸汽机到内燃机再到喷气发动机，效率不断提高、体积不断缩小。 【学生活动】列举常见的热机类型，了解其应用领域。 【学生活动】了解蒸汽机发展史中的关键节点（瓦特、1782-1830、蒸汽时代）。 【过渡语】蒸汽机需要锅炉烧水产生蒸汽，体积庞大。有没有更高效、更小巧的热机？当然有——内燃机。 【知识点】热机定义：各种利用内能做功的机械，将内能转化为机械能 【知识点】常见热机：蒸汽机、内燃机（汽油机/柴油机）、汽轮机、喷气发动机 【知识点】热机发展史：1782年瓦特蒸汽机→19世纪蒸汽时代→内燃机→喷气发动机 ★ 历史视野：热机的发明是工业革命的核心驱动力之一。从瓦特的蒸汽机到今天的高效内燃机，背后是"将热能转化为机械能"这一永恒追求。 环节四：内燃机的定义与分类（约4分钟） 图14.2-7 汽油机与柴油机分类及能量转化示意 【教师活动】内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机。它在现代社会中最常见——汽车的动力机械之一就是内燃机。 【教师活动】内燃机分两类：使用汽油的——汽油机；使用柴油的——柴油机。 【教师活动】能量转化总结：热机工作时，燃料的化学能→燃气的内能→活塞的机械能。这三步转化是所有热机的共同特征。 【学生活动】理解内燃机定义，并区别于蒸汽机（蒸汽机燃料在外部锅炉燃烧）。 【学生活动】识别汽油机与柴油机的外观区别。 【过渡语】两种内燃机中，汽油机应用最广，小汽车、摩托车都用它。我们先解剖一台汽油机。 【知识点】内燃机：燃料直接在气缸内燃烧产生动力的热机 【知识点】内燃机分类：汽油机（燃料为汽油）和柴油机（燃料为柴油） 【知识点】热机能量转化路径：化学能（燃料）→内能（燃气）→机械能（活塞） ★ 区分要点：蒸汽机：燃料在外部锅炉中燃烧加热水→产生蒸汽→推动活塞。内燃机：燃料直接在汽缸内燃烧→直接推动活塞。“内”就“内”在燃烧位置。 环节五：汽油机的构造（约5分钟） 图14.2-8 四冲程汽油机剖面图 【教师活动】课件展示汽油机剖面图。请同学们对照标注，识别各部件名称。 【教师活动】从上到下：进气门、排气门（两个"门"）；火花塞（气缸顶部）；气缸（燃烧室，活塞上下运动的空间）；活塞（在气缸内往复运动）；连杆（连接活塞和曲轴）；曲轴（把活塞的往复运动变成转动）。 【教师活动】记忆窍门：两个门（进气和排气）、一个火花塞、一个气缸、一个活塞、一根连杆、一根曲轴。活塞在气缸内从一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。 【学生活动】对照剖面图画出汽油机构造简图，标注各部件名称。 【学生活动】用手势模拟活塞往复运动与曲轴转动的关系。 【过渡语】构造清楚了，接下来看它怎样工作。汽油机完成一次做功需要经历四个"动作"——四个冲程。 【知识点】汽油机构造：进气门、排气门、火花塞、气缸、活塞、连杆、曲轴 【知识点】冲程定义：活塞在气缸内从一端运动到另一端的过程 ★ 记忆技巧：气缸顶部有"火花塞"是汽油机区别于柴油机的最显著标志；柴油机气缸顶部是"喷油嘴"——两个名字只差一个字但功能完全不同。 环节六：汽油机的四个冲程（约10分钟） 图14.2-9 汽油机四个冲程示意图 吸气冲程 图14.2-10 吸气冲程 【教师活动】第一个冲程——吸气冲程。看大屏幕：进气门打开，排气门关闭，活塞自上而下运动。此时气缸内气压降低，外界空气和汽油的混合物被吸入气缸。 【教师活动】关键信息：进气门——打开，排气门——关闭，活塞——向下运动，吸入——汽油和空气的混合物。此冲程没有能量转化。 压缩冲程 图14.2-11 压缩冲程 【教师活动】第二个冲程——压缩冲程。进气门关闭，排气门关闭，活塞自下而上运动。活塞压缩燃料混合物，使混合气体体积减小、温度升高、内能增大。 【教师活动】能量转化：活塞的机械能转化为混合气体的内能——这是"机械能→内能"的过程。 做功冲程 图14.2-12 做功冲程 【教师活动】第三个冲程——做功冲程。进气门关闭，排气门关闭，火花塞点火，燃料猛烈燃烧产生高温高压气体，推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴转动，对外做功。 【教师活动】能量转化：燃料的化学能→燃气的内能→活塞的机械能。这个冲程是四个冲程中唯一对外做功的冲程，也是汽车获得动力的冲程！ 排气冲程 图14.2-13 排气冲程 【教师活动】第四个冲程——排气冲程。进气门关闭，排气门打开，活塞自下而上运动，将燃烧后的废气排出气缸。此冲程无能量转化，或者说飞轮的机械能用于排气。 【教师活动】四个冲程总结：汽油机的一个工作循环由吸气→压缩→做功→排气四个冲程组成。四个冲程中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。只有做功冲程对外做功，其他三个冲程靠飞轮的惯性完成。 图14.2-14 汽油机工作循环总结 【教师活动】追问两个关键问题：①哪个冲程使汽车获得动力？做功冲程；②哪个冲程排出废气？排气冲程。压缩冲程和做功冲程中有能量转化——压缩：机械能→内能；做功：内能→机械能。 【学生活动】跟随教师讲解，逐一分析四个冲程中气门开闭状态和活塞运动方向。 【学生活动】跟随教师讲解，逐一分析四个冲程中气门开闭状态和活塞运动方向。 【学生活动】跟随教师讲解，逐一分析四个冲程中气门开闭状态和活塞运动方向。 【学生活动】跟随教师讲解，逐一分析四个冲程中气门开闭状态和活塞运动方向。 【学生活动】在笔记本上绘制四冲程对比表。 【学生活动】动手模拟：用手势表示活塞运动和气门开闭。 【学生活动】回答关键问题：哪个冲程对外做功？能量如何转化？ 【过渡语】汽油机小巧高效，但为什么重型卡车不用汽油而用柴油？这就引出了柴油机。 【知识点】四冲程汽油机一个工作循环：吸气→压缩→做功→排气 【知识点】活塞往复两次，曲轴转动两周，对外做功一次 【知识点】压缩冲程：机械能→内能；做功冲程：内能→机械能 【知识点】吸气冲程：吸进汽油和空气的混合物，排气冲程：排出废气 ★ 高频考点：①压缩冲程：机械能→内能（活塞压缩气体）；做功冲程：内能→机械能（燃气推动活塞）。这是必＂混淆。②"做功冲程是获得动力的唯一冲程"——其他三个冲程靠惯性完成。 ★ 循环规律：记住"2圈1次"：曲轴转2圈→对外做功1次→活塞往复2次。这是计算题的核心关系。 环节七：柴油机（约6分钟） 图14.2-15 柴油机构造图 【教师活动】柴油机工作原理与汽油机大致相同：利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压燃气推动活塞做功。 【教师活动】构造差异：柴油机气缸顶部没有火花塞，而是喷油嘴——这是最显著的构造区别。 【教师活动】工作过程差异：柴油机吸入的是纯空气（不是汽油和空气的混合物）。压缩冲程中，空气被高度压缩升温，温度超过柴油燃点。此时喷油嘴喷出雾状柴油，遇到高温空气立即燃烧。 【教师活动】点火方式不同：汽油机是"点燃式"（火花塞点火），柴油机是"压燃式"（高温空气使柴油自燃）。 【教师活动】应用差异：柴油机较笨重但效率高，主要用于载重汽车、拖拉机、坦克、轮船等重型设备。 【学生活动】对比柴油机与汽油机构造图，找出喷油嘴与火花塞的位置差异。 【学生活动】理解"压燃式"的含义：压缩空气升温→超过燃点→喷油即燃。 【学生活动】记忆：汽油机——小汽车/摩托车（轻巧、效率低）；柴油机——卡车/拖拉机（笨重、效率高）。 【过渡语】两种内燃机各有千秋，接下来通过一张对比表把它们吃透。 【知识点】柴油机特点：吸入纯空气（不是混合物），点火方式为压燃式，构造上有喷油嘴无火花塞 【知识点】柴油机应用：载重汽车、拖拉机、坦克、轮船等重型设备 ★ 对比记忆：汽油机 vs 柴油机：燃料不同（汽油/柴油）、构造不同（火花塞/喷油嘴）、吸入物质不同（混合物/纯空气）、点火方式不同（点燃/压燃）、特点不同（轻巧低效/笨重高效）。 环节八：汽油机与柴油机的异同点（约4分钟） 【教师活动】课件中的表格分"不同点"和"相同点"两大部分。我们先填不同点。 【教师活动】不同点——燃料：汽油/柴油。构造：火花塞/喷油嘴。吸气冲程：汽油与空气混合物/纯空气。压缩程度：较小/较大。点火方式：点燃式/压燃式。特点：轻巧效率低/笨重效率高。应用：小汽车摩托车等小型/载重汽车拖拉机坦克等重型。 【教师活动】相同点——都是将内能转化为机械能；都由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个循环；曲轴转两周对外做功一次；启动时都靠外力先使曲轴转动。 【学生活动】在笔记上完成汽油机与柴油机对比表。 【学生活动】归纳：相同点体现在"原理相同"（内能→机械能）、"循环相同"（四冲程），不同点体现在"燃料+点火方式+用途"。 【过渡语】热机知识学完了，最后通过课件里的三道练习题巩固一下。 【知识点】汽油机与柴油机相同点：原理相同（内能→机械能）、四冲程相同、"2圈1次"相同、启动靠外力相同 【知识点】汽油机与柴油机不同点：燃料、构造、吸气物质、压缩程度、点火方式、特点、应用七大差异 ★ 对比表速记：记"七不同三相同"。七不同——燃、构、吸、压、点、点、应（燃料、构造、吸气、压缩、点火、特点、应用）。三相同——原理、循环、启动。 环节九：课堂练习（约8分钟） 练习1 图14.2-16 练习1：试管塞子实验情境 如图所示，用酒精灯给试管中的水加热，水温上升，直至沸腾一段时间后，会看到试管口的橡皮塞被冲出。下列描述正确的是（　　）。 A. 试管中的水在升温过程中是通过做功的方式增加内能的 B. 试管中的水沸腾时吸收热量，温度升高 C. 水蒸气对橡皮塞做功，水蒸气的内能增加 D. 水蒸气对橡皮塞做功，其能量转化与汽油机做功冲程的能量转化相同 【答案】D 【解析】A．试管中的水在升温过程中是通过热传递的方式增加内能的，故A错误；B．试管中的水沸腾时吸收热量，温度不变，故B错误；C．水蒸汽对橡皮塞做功，水蒸汽的内能减小，故C错误；D．水蒸汽对橡皮塞做功，将内能转化为机械能，其能量转化与汽油机做功冲程的能量转化相同，故D正确。 练习2 图14.2-17 练习2：内燃机工作冲程判断 如图所示是内燃机工作循环中的一个冲程，它是（　　） A. 压缩冲程，将化学能转化成内能 B. 做功冲程，将机械能转化成内能 C. 压缩冲程，将机械能转化成内能 D. 做功冲程，将内能转化成机械能 【答案】C 【解析】压缩冲程的过程中，活塞的机械能转化为汽缸内气体的内能；做功冲程的过程中，燃料燃烧，燃料的化学能转化为燃气的内能，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，燃气的内能转化为机械能。故选C。 练习3 某同学看到爸爸启动汽车时，转速表如图所示。转速表中的示数反映了发动机曲轴每分钟的转动次数。如果汽车用的是四冲程汽油机，请根据图中信息计算此时发动机一个气缸每分钟完成做功冲程的次数。 【答案】375次 【解析】在四冲程汽油机中，完成一个工作循环，飞轮转2圈，对外做功1次。已知转速表显示0.75×1000r/min=750r/min，即1分钟曲轴转动750圈。因为每2圈对外做功1次，所以1分钟内对外做功的次数为750÷2=375次。故答案为375次。 五、板书设计 主板书 14.2 热机 一、热机 定义：利用内能做功的机械（内能→机械能） 原理：燃料燃烧（化学能→内能）→对活塞做功（内能→机械能） 常见热机：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 二、内燃机 定义：燃料直接在气缸内燃烧 分类：汽油机、柴油机 三、汽油机的四个冲程 ①吸气冲程：进开、排关、活塞↓，吸入汽油+空气混合物 ②压缩冲程：进关、排关、活塞↑，机械能→内能 ③做功冲程：进关、排关、点火、活塞↓，内能→机械能 ④排气冲程：进关、排开、活塞↑，排出废气 规律：转2圈→做功1次→往复2次 四、柴油机 构造：喷油嘴（无火花塞） 吸入：纯空气（非混合物） 点火：压燃式 五、汽油机 vs 柴油机 同：原理+四冲程+2圈1次+启动靠外力 异：燃料/构造/吸气/压缩/点火/特点/应用 副板书 1. "白雾"不是水蒸气→小水滴（液化） 2. 四个冲程→只有做功冲程对外做功 3. 压缩→机械能→内能　　做功→内能→机械能 4. 汽油机≠柴油机：点燃 vs 压燃 六、教学反思 本节课以"寻血猎犬"超级汽车导入，迅速吸引学生注意力并引出核心问题——热机如何将内能转化为机械能。教学设计遵循"实验感知→概念建立→构造认知→工作原理分析→对比总结"的认知路径，逻辑清晰、层层递进。 汽油机四个冲程是本节课的核心与难点。采用"一冲程一图一表"的教学策略：对每个冲程分别展示独立图片、分析气门/活塞状态、明确能量转化。同时配合手势模拟和动画视频，降低抽象理解难度。建议课堂上请学生上台模拟四个冲程的动作，加深印象。 "压缩冲程→机械能→内能"和"做功冲程→内能→机械能"两个能量转化是学生最易混淆的考点。教学中反复用"谁推谁"来帮助学生判断：压缩冲程是活塞推气体，活塞消耗机械能；做功冲程是气体推活塞，气体消耗内能。 汽油机与柴油机的对比采用表格归纳法，分"七不同三相同"，学生一目了然。重点强调柴油机"压燃式"原理和"吸入纯空气"的区别，这是考试中的常考易错点。 课堂练习3道题全部来自课件原题（PPT slide 35-40）：练习1考查热机原理与能量转化，练习2考查冲程识别与能量转化方向，练习3考查"2圈1次"的计算应用。三道题覆盖了本节课的核心知识维度，与新授课难度匹配。 学生常见错误：①将"白雾"当成水蒸气（实际是液化的小水滴）；②混淆压缩冲程和做功冲程的能量转化方向；③算错"2圈1次"关系（把1圈当作1次做功）；④认为四个冲程中每个冲程都有一个能量转化（实际只有压缩和做功有）。 学科网（北京）股份有限公司 $