14.3 热机的效率 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“热机的效率”，核心知识点涵盖燃料的热值（定义、公式、特性）、热机能量流向及效率（定义、公式、提高途径）。通过拖拉机、飞机、火箭使用不同燃料的情境导入，衔接14.1能量转化、14.2热机知识，构建“燃料能量释放—利用效率”的学习脉络。 该资料以生活情境法、对比分析法为主，如用烧开一壶水不同燃料用量对比建立热值概念，通过思维导图分析热机能量流向，结合热电站“梯级利用”实例渗透科学态度与责任。注重物理观念建构、科学思维培养，帮助学生深化概念理解与应用，为教师提供清晰教学流程及重难点突破策略。

14.3 热机的效率 教案 课题 学科 年级 教材版本 课型 课时 14.3 热机的效率 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：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；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。 科学思维：从能量转化的角度认识燃料的热值，能进行燃料燃烧放出热量的简单计算；运用能量守恒与转化的思想分析热机中的能量流动，培养系统思维。 科学态度与责任：了解提高热机效率的方法与意义，关注能源利用与环境保护，形成节约资源、可持续发展的意识。 二、教学重点与难点 教学重点： 热值的概念、单位及物理意义 利用热值公式进行燃料燃烧放热的计算 热机效率的概念及提高热机效率的途径 教学难点： 热值与比热容的辨析 热机中能量流向的分析 热机效率公式的理解与应用 三、教学方法与教学用具 教学方法：生活情境法、对比分析法、问题驱动法、讲授法 教学用具：多媒体课件、燃料实物图片/样本、热机能量流向示意图 四、教学过程 环节一：情境导入——不同的"饭量"（约5分钟） 图14.3-1 不同发动机使用的燃料：柴油、航空煤油、液氢 【教师活动】同学们，大屏幕上有三幅图——拖拉机的发动机烧柴油，飞机发动机烧航空煤油，火箭助推器烧液氢液氧。三种"大机器"用的燃料完全不同！ 【教师活动】追问：为什么火箭不能用柴油？为什么拖拉机不烧液氢？不同的燃料，"本事"一样大吗？——同样质量的不同燃料，燃烧时放出的热量能一样多吗？ 【教师活动】上节课我们学了热机——把内能转化为机械能的装置。但热机"吃进去"的燃料，到底释放了多少能量？这股能量又有多少真正用来做了有用功？这就是本节课要回答的两个核心问题：燃料的"营养价值"（热值）和热机的"工作效率"（效率）。 【学生活动】观察三种发动机燃料图片，思考：为什么不同的发动机需要不同的燃料？ 【过渡语】要比较燃料的"本事"，先看生活中一组对比——烧开同样一壶水，用的燃料种类不同，需要的量也不同。 【知识点】不同燃料燃烧释放热量的本领不同，这是引入"热值"概念的根本原因。 ★ 前后衔接：14.1讲了能量转化→14.2讲了热机（转化内能为机械能的具体装置）→14.3就是问：这转化的"原料"（燃料）释放多少能量？这能量中有多少真正被利用了？——三节课逻辑一脉相承。 环节二：热值第一层次——定性感知（约6分钟） 图14.3-2 各种燃料：木柴、煤、酒精、汽油、煤气、天然气 【教师活动】燃料的种类很多，按形态分为固体（木柴、煤等）、液体（汽油、酒精等）、气体（煤气、天然气等）。人类从原始社会就知道燃烧柴薪取暖做饭，现代社会依然很大程度依赖燃料燃烧获取能量。 【教师活动】生活经验告诉我们——同样烧开一壶水：用干木柴，得加好多；用煤，少一些就够了；用天然气，一点点就行。相同质量的干木柴、煤和天然气燃烧，天然气放出的热量比煤和干木柴都多。这说明——燃料燃烧放出热量的多少，与燃料的种类有关！ 【教师活动】定量比较：燃烧1kg煤放出的热量，大约是燃烧1kg干木柴放出热量的两倍多。这说明什么？——不同燃料的"放热本领"有定量差异，我们需要一个物理量来衡量它。这就是热值。 【学生活动】回顾生活经历：家里用什么燃料做饭？如果是天然气，换用柴火需要多少量？ 【学生活动】阅读课件表14.3-1中各种燃料的热值数据，初步感知不同燃料热值的数量级差异。 【过渡语】定性地知道了不同燃料放热本领不同，我们要想精确比较和计算，就得把热值定义清楚。 【知识点】燃料分类：固体燃料（木柴、煤）、液体燃料（汽油、酒精、柴油）、气体燃料（煤气、天然气、氢气） 【知识点】实验事实：相同质量的不同燃料，完全燃烧放出的热量不同——说明燃料放热本领与燃料的种类有关。 ★ 生活链接：烧开一壶水，干木柴最多→煤次之→天然气最少。为什么？因为天然气的热值最大（同样质量释放热量最多），干木柴热值最小。这就是"燃料有好有差"的物理含义。 环节三：热值第二层次——定义与公式（约8分钟） 【教师活动】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。用字母q表示。 【教师活动】热值的物理意义：在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。比如干木柴的热值约1.2×10⁷ J/kg，意味着完全燃烧1kg干木柴能放出1.2×10⁷ J的热量。 【教师活动】热值公式：q=Q/m，变形得Q=mq（固体、液体燃料）；气体燃料的热值单位是J/m³，此时Q=Vq。国际单位制中热值的单位是焦每千克，符号J/kg。 【教师活动】实例计算：课件上有一道热值计算的示范——汽油热值4.6×10⁷ J/kg，给汽车加30kg汽油完全燃烧放出的热量：Q=mq=4.6×10⁷ J/kg×30 kg=1.38×10⁹ J。那么如果完全燃烧质量相等的柴油，放出多少热量？——请同学们查表14.3-1，柴油热值4.3×10⁷ J/kg，Q=4.3×10⁷×30=1.29×10⁹ J，比汽油略少。 【教师活动】强调：热值定义中有一个关键词——"完全燃烧"。热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、形态、体积、是否完全燃烧及实际放出热量的多少均无关。 【学生活动】写出热值公式q=Q/m，并推导Q=mq。 【学生活动】查阅课件表14.3-1，计算：完全燃烧5kg酒精放出多少热量？（Q=3.0×10⁷×5=1.5×10⁸ J） 【学生活动】辨析：热值与比热容——表格对比填表。 【过渡语】说完了热值——燃料的"含金量"，回到热机本身。燃料燃烧放出的热量，有多少真正被用来做有用功了？中间跑掉了多少？ 【知识点】热值定义：q=Q/m，某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。 【知识点】公式：Q=mq（固体/液体燃料，m质量，q热值，单位J/kg）；Q=Vq（气体燃料，单位J/m³）。 【知识点】热值是燃料本身的特性，只与燃料种类有关，与质量、是否完全燃烧等无关。 ★ 易错警示：①热值必须强调"完全燃烧"——实际燃烧中很难完全燃烧，实际放出的热量小于按热值计算的值。②"热值是特性"类似比热容——都是物质的特性，不随质量改变。③气体燃料热值单位是J/m³而不是J/kg！ ★ 热值vs比热容：热值对象是"燃料"（只有燃料才有热值），比热容对象是"所有物质"；热值单位J/kg，比热容单位J/(kg·℃)；热值定义用热量与质量之比，比热容定义用热量与质量·温度变化之比。这是两个完全不同但都带"比"字的物理量，考试常考辨析！ 环节四：热机中的能量流向——热量都去哪儿了？（约7分钟） 图14.3-3 烧水时热量的去向分析 图14.3-4 改善燃烧条件：将煤磨成煤粉吹入炉膛 图14.3-5 热机中能量的流向：废气带走最多，做有用功只是一部分 【教师活动】热值定义要求"完全燃烧"，实际上燃料很难完全燃烧。以烧水为例——燃料不能完全燃烧损失了一部分能量；高温烟气带走相当一部分热量；一部分热量直接散失到空气中；真正被水吸收的热量只是一部分。 【教师活动】如何减少损失？两条途径——（1）改善燃烧条件，使燃料尽可能充分燃烧（如将煤磨成煤粉用空气吹进炉膛，增大与空气的接触面积）；（2）减少各种热量损失（加大受热面积减少烟气带走的热量，使用较好的保温材料）。 【教师活动】对于热机而言，燃料燃烧释放的热量去向更复杂——废气排出带走能量（这一项最多）、机械传动克服摩擦做功损失、机械传热损失能量、冷却系统带走热量、最终转化为对外做有用功的能量——只是其中一小部分！ 【教师活动】这就是引入热机效率的原因：燃料"放出来"的热量中，有多少"干了正事"。 【学生活动】画出热机能量流向的思维导图：燃料完全燃烧放热→（去路）废气带走/冷却损失/摩擦消耗/有用功。 【学生活动】分析：能量损失中"废气带走"最大，为什么？——因为热机排气温度仍然很高，大量内能随废气排出。 【过渡语】热机是个"浪费大户"——吃进去的多，干活的少。怎么衡量它"干活"的比例？——热机效率。 【知识点】热机能量损失途径：燃料不完全燃烧、废气带走热量（最多）、冷却系统散热、机械摩擦、机体散热。 【知识点】减少能量损失的方法：改善燃烧（充分燃烧）、减少散热（保温）、减少摩擦（润滑）。 ★ 考试重点："废气带走的热量最多"——这句话在选择题中反复出现。记准了：热机效率低，最根本的原因是废气带走大量热量，而不是摩擦！ 环节五：热机效率的定义与公式（约5分钟） 【教师活动】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，叫作热机的效率。用符号η（读作"伊塔"）表示。 【教师活动】公式：η=W有用/Q总×100%，其中W有用表示有效利用的能量（通常为机械功或有用功），Q总表示燃料完全燃烧放出的总能量。效率总小于100%，因为任何热机都有能量损失。 【教师活动】不同热机的效率：蒸汽机仅6%~15%，汽油机20%~40%，柴油机30%~45%。为什么柴油机效率比汽油机高？——压缩程度更大，燃料燃烧更充分。 【教师活动】热机效率是热机性能的重要指标。效率高的热机在做同样多有用功时消耗燃料少，节约能源、减少污染。 【学生活动】写出热机效率公式：η=W有用/Q总×100%。 【学生活动】思考：为什么热机效率不可能达到100%？——因为有废气带走热量、摩擦损失等，这是热机工作不可避免的。 【过渡语】既然效率那么低，人类有没有办法提高它？有的——课件里总结了几条提高效率的途径，也是节能减排的切入点。 【知识点】热机效率：η=W有用/Q总×100%，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出总能量之比。 【知识点】各种热机效率范围：蒸汽机6%~15%、汽油机20%~40%、柴油机30%~45%。 【知识点】热机效率总小于100%，能量损失不可避免。 ★ 效率与功率辨析：效率是比值（有用功/总能量），没有单位，是百分数；功率是做功快慢的物理量，单位是瓦（W）。两者完全不同——"效率高"不一定"功率大"。不要混淆。 环节六：提高热机效率的途径及热电站（约6分钟） 【教师活动】提高热机效率的途径：①使燃料尽可能充分燃烧（如汽油机用电子喷射精确控制油气混合比）；②改进设计，减少各种能量损失；③保证良好的润滑，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 【教师活动】废气带走的能量最多，有没有办法利用它？——有，热电站！普通火电站燃料利用率仅30%~40%，大量热能随废气、冷却水流失。热电站实现了能量的"梯级利用"——先用高温高压蒸汽推动汽轮发电，再用排出的余热供暖或供工业用蒸汽，燃料利用率大幅提升至60%~80%。 【教师活动】我国北方地区大型热电站，冬季既能供电又能供暖，一箭双雕，极大提高了能源利用效率——这就是"节能"的物理思维！ 【学生活动】归纳提升热机效率的三条途径，并思考生活中还有哪些"能量梯级利用"的例子。 【学生活动】阅读课件中"热电站"资料，体会科学技术在节能减排中的作用。 【过渡语】讲完效率，再看课件最后一道"大餐"——从火车到火箭，热机效率的追求驱动着技术的持续进步。 【知识点】提高热机效率三途径：充分燃烧→减少损失→良好润滑。 【知识点】热电站原理：梯级利用——先发电、再供热，燃料利用率从30%~40%提升到60%~80%。 ★ 科学态度与责任：热机效率从蒸汽机的6%到现代柴油机的45%，再到热电站的80%，背后是两百多年科学技术的持续进步。效率每提高一个百分点，全球每年就节约数亿吨燃料——节能减排从提高效率开始。 环节七：从火车到火箭——热机技术的演进（约4分钟） 图14.3-6 从火车到火箭：热机技术的演进历程 【教师活动】热机技术的演进：蒸汽机→内燃机（汽油机、柴油机，20世纪初）→空气喷气发动机（20世纪40年代）→火箭喷气发动机（自带燃料和氧化剂，可在大气层外工作）。这条进化路线背后就是对更高效率、更大推力的追求。 【教师活动】火箭喷气发动机的独特之处：自带氧化剂！大气层外没有空气助燃，火箭必须自己有"气"可烧。燃气的反冲推动火箭前进——这又用到了力与运动的知识。 【教师活动】热机效率低有低的原因，但追求高效率是人类不变的方向。14.3讲完了，接下来做三道练习巩固。 【学生活动】了解热机技术的演进历程，感受科技发展的脉络。 【过渡语】热值、效率两大概念学完了，课件给大家准备了三道练习题，分别考察热值概念辨析、效率图表读数和效率比较应用。 【知识点】热机技术演进历程：蒸汽机→内燃机→喷气发动机→火箭发动机，不断追求更高效率。 ★ 技术史视野：从1782年瓦特蒸汽机效率不足1%，到今天燃气轮机效率超过60%，热机效率的进步是人类工业文明的缩影。 环节八：课堂练习（约6分钟） 练习1 关于热值，下列说法正确的是（　　） A. 某种燃料燃烧时放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值 B. 1kg的某种燃料燃烧一半后，其热值减少一半 C. 热值大的燃料燃烧时放出的热量多 D. 1kg不同的燃料完全燃烧时放出热量多的热值大 【答案】D 【解析】某种燃料完全燃烧时放出的热量与所用该燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值，故A错误；热值是燃料本身的一种特性，与燃料的种类有关，与燃料燃烧多少无关，故B错误；相同质量的不同燃料，热值大的燃料完全燃烧放出的热量多，故C错误，D正确。 练习2 图14.3-7 练习2：发动机能量流向扇形统计图 在一次车辆保养中，维修师通过电脑检测并生成了一份当前发动机的能量流向分析报告，报告以扇形统计图的形式呈现，如图所示。可知其热机效率是（　　） A. 8% B. 29% C. 30% D. 33% 【答案】C 【解析】结合图可知热机效率为30%。故选C。 练习3 甲、乙两台柴油机做同样多的有用功，甲柴油机消耗柴油3kg，乙柴油机消耗柴油4kg，则两台柴油机热机效率较大的是__________（选填"甲"或"乙"）。 【答案】甲 【解析】在有用功相同的情况下，消耗的总能量越少，效率就越高。甲消耗3kg柴油，乙消耗4kg，甲消耗更少，故甲的效率高。 五、板书设计 主板书 14.3 热机的效率 一、燃料的热值（q） 定义：某种燃料完全燃烧放出热量与质量之比 q=Q/m 物理意义：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量 单位：J/kg（气体燃料：J/m³，Q=Vq） 热值是燃料的特性，只与种类有关 公式：Q=mq（固体、液体）；Q=Vq（气体） 二、热机能量流向 燃料燃烧放热→废气带走（最多）、冷却损失、摩擦损失、有用功 提高利用率：改善燃烧、减少散热、良好润滑 三、热机效率η η=W有用/Q总×100% η总小于100%（有能量损失） 蒸汽机6%~15%、汽油机20%~40%、柴油机30%~45% 四、热电站：能量梯级利用 先发电→废气余热供暖/供蒸汽 燃料利用率30%~40%→60%~80% 副板书 1. 热值≠比热容：前者对象为燃料，单位J/kg；后者对象为所有物质，单位J/(kg·℃) 2. "完全燃烧"——定义关键词，实际放热小于理论计算值 3. 废气带走能量最多——热机效率低的根本原因 4. 效率=有用功/总能量×100%<100% 六、教学反思 本课以"三种发动机三种燃料"的对比导入，形象直观地引出核心问题——不同燃料释放热量的能力不同，自然过渡到"热值"概念。整体教学设计遵循"感知差异→定量定义→能量流动分析→效率概念→提高途径"的认知递进。 热值概念的教学采用"定性感知（生活烧水类比）→定量定义（q=Q/m）→计算应用（Q=mq）→特性辨析（与比热容对比）"的四步策略。其中热值与比热容的辨析是本节课难点，也是考试常考点——通过课件中的对比表格强化差异记忆。 热机能量流向分析是建立"效率"概念的基础。教学中用能量流向图帮助学生可视化——燃料释放的热量分为四大去向：有用功（我们想要的）、废气带走（最多的）、冷却损失、摩擦损失——自然过渡到效率=有用功/总能量。 热电站"能量梯级利用"的实例是本课的亮点，它不仅体现了"提高效率"的技术路径，更传递了科学为节约资源和保护环境服务的价值观。要求学生认识到：效率每提高一点，全球能源消耗就减少亿万吨。 课堂练习3道题全部来自课件原题（PPT slide 28-33）：练习1考查热值概念辨析（四个选项覆盖定义、特性、比较三个考点），练习2考查扇形统计图读数和效率识别，练习3考查效率比较的逆向思维（有用功相同，比较消耗量）。题目覆盖了本课的核心考点。 学生常见错误：①漏掉热值定义中的"完全燃烧"，选A（缺少"完全"二字就是错的）；②混淆热值与比热容的概念和单位；③认为热机效率可以等于或超过100%；④在有用功相同比较效率时，误判为消耗多的效率高。 学科网（北京）股份有限公司 $