14.3 热机 教学设计 2026-2027学年沪科版物理九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机的能量转化及内燃机四冲程工作原理，从工业革命热机推动世界切入，衔接前备内能知识，通过“迷你实验室”酒精燃烧推动橡皮塞实验，搭建内能转化为机械能的直观认知支架。 特色在于融合科学探究与跨学科实践，利用动态视频展示四冲程过程，分组讨论冲程细节培养科学思维，对比表格归纳汽油机柴油机异同落实模型建构，拓展走马灯制作与火箭发动机案例渗透科学态度与责任。实验与视频降低抽象难度，帮助学生建立物理观念，为教师提供丰富教学资源，提升课堂效率。

《14.3 热机》教学设计 课题 3.热机 单元 14 学科 物理 年级 九 教材分析 本课时选自沪科版九年级物理第十四章《内能与热机》的第三节“热机”,教材从生活中常见的交通工具引入,提出发动机的概念,并明确指出热机是将燃料燃烧释放的内能转化为机械能的装置。重点介绍了汽油机和柴油机这两种最常见的内燃机,通过图示与文字结合的方式详细展示了四冲程工作原理:吸气、压缩、做功、排气。教材还设置了“迷你实验室”实验引导学生理解内能向机械能的转化过程,并通过对比汽油机与柴油机在结构、点火方式、使用范围等方面的差异,帮助学生建立科学的认知模型。此外,“学科综合”与“科学书屋”栏目拓展了走马灯与火箭发动机的应用实例,体现了物理知识与工程实践、传统文化及现代科技的深度融合,符合新课标倡导的跨学科理念。 2022新课标要求 1.了 解热机的工作原理,知道四冲程内燃机工作时的能量转化;能领会内能的利用在人类社会发展中的重要意义。 2.能了解能量转化的意义,体会热机对人类文明进程的推动作用。 学习 目标与核心素养 1.物理观念:了解内燃机的分类,掌握四冲程内燃机的工作顺序及每个冲程的核心特点,明确热机的能量转化; 2.科学思维:通过对比汽油机与柴油机的结构、工作冲程,归纳两者的异同点,培养 “对比分析 归纳总结” 的科学思维。 3.科学探究:通过观察四冲程汽油机 / 柴油机的示意图或动画,分组讨论每个冲程的工作细节。 4.科学态度与责任:体会热机对人类社会发展的推动作用,增强民族自豪感,培养 “科技强国” 的责任意识。 学情分析 九年级学生已具备一定的观察、分析和逻辑推理能力,前期学习了分子热运动、内能、热量、比热容等基础知识,对能量及其转化已有初步认知,为本节课的学习奠定了理论基础。但“热机”作为抽象的工程设备,其内部工作过程不可见,学生缺乏直观体验,容易产生理解障碍。尤其对于四个冲程中活塞运动方向、阀门开闭状态、能量转化形式的变化,极易混淆。同时,学生对“压燃式”与“点燃式”的区别、“曲轴惯性”作用、“喷油嘴”与“火花塞”的功能区分等细节掌握不牢。尽管部分学生可能在生活中接触过汽车或摩托车,但对发动机内部结构几乎无感性认识。因此,教学中需借助清晰的动态图示、模拟动画和类比实验降低认知门槛。此外,学生正处于形象思维向抽象思维过渡的关键期,教师应设计层层递进的问题链,引导学生主动探究、合作讨论,在情境中建构知识体系,提升科学思维水平。 重点 四冲程汽油机的工作原理与能量转化;汽油机与柴油机的核心差异。 难点 四冲程的循环性;压缩冲程与做功冲程的区分。 材料准备 金属圆筒、橡皮塞、酒精、电火花点火器、支架 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 导入新课 几百年前,人们靠人力、畜力干活,又累又慢。后来人们发明了一种机器:烧燃料,产生热,用热来做功,这就是热机。它直接推动了工业革命,改变了世界。 今天我们就来认识:热机到底是什么,它是怎样工作的。 学生观看图片,了解人类发明热机改变了世界 引出热机,引起学生学习兴趣 讲授新课 一、热机 1.定义:将燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的发动机则称为热机 2.内燃机:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机,叫作内燃机, 汽油机 柴油机 内燃机中最常见的是汽油机和柴油机。 3.应用:内燃机具有运转速度快、质量轻、功率大的特点。其应用范围越来越广,极大地改善了陆地、海洋,乃至空中的交通运输方式。 以汽油作燃料的小汽车和飞机 火箭喷气发动机 火车(内燃机车) 汽轮机 二、汽油机 1.实验探究:燃气内能的转化 (1)实验器材 金属圆筒、橡皮塞、酒精、电火花点火器、支架 (2)实验步骤 ①在金属圆筒内滴入2~3滴酒精,摇晃圆筒,让酒精充分挥发成酒精蒸汽。 ②用橡皮塞将圆筒口轻轻塞紧,不要塞太紧。 ③将圆筒放在平稳处,按下电火花点火器点火。 ④观察橡皮塞的运动情况。 (3)实验现象 点火后,圆筒内混合气体迅速燃烧,产生高温高压燃气,橡皮塞被猛地弹出。 (4)实验结论 混合气体燃烧产生高温高压的燃气对橡胶塞做功,将燃气的内能转变为橡胶塞的机械能。 思考讨论:在实验中应注意哪些问题? 参考答案:①圆筒口不要对着人,防止橡皮塞弹出伤人; ②酒精用量要少,防止燃烧过猛; ③实验环境远离易燃物,保持通风。 2. 汽油机 (1)定义:利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功的内燃机。 (2) 汽油机的构造 汽油机主要由气缸、火花塞、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、连杆和曲轴组成。 (3)工作过程 ①冲程:汽油机工作时,活塞在气缸内做一次单向运动叫作一个冲程 ②四个冲程 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。 多数汽油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。 (a)吸气冲程 旋转的曲轴通过连杆带动活塞,使活塞从气缸上部向下运动,进气阀开启,空气和汽油的混合气体通过进气道进入缸内。 (b)压缩冲程 两个气阀关闭,活塞在曲轴带动下,从气缸下部向上运动,缸内混合气体被压缩,机械能转化为内能,因此,内能增加、温度升高、压强增大。 (c)做功冲程 压缩冲程结束后做功冲程开始时,气缸顶部的火花塞发出电火花,缸内气体爆发性燃烧,高温高压气体迅速膨胀,使活塞向下运动,内能转化为机械能。 (d)排气冲程 曲轴因为惯性继续转动使活塞上升,排气阀打开,将燃烧后的废气排出缸外。 在这四个冲程中,利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。 视频:内燃机的工作原理 交流讨论:汽油机在一个工作循环中,有几个冲程,活塞往复几次,飞轮转动几周,对外做功几次? 参考答案:汽油机在一个工作循环中,有4个冲程,活塞往复2次,飞轮转动2周,对外做功1次。 三、柴油机 1.定义:利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功的内燃机。 2.构造 它与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 3. 工作过程 四冲程柴油机工作原理也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环,从而保证连续工作。 柴油机工作原理示意图 (a)吸气冲程 进气阀打开,排气阀关闭活塞向下运动,吸入空气 (b)压缩冲程 两气阀均关闭,活塞向上运动压缩空气,气体温度升高,超过柴油的燃点。 (c)两气阀均关闭,喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即猛烈燃烧产生高温高压的气体,推动活塞向下运动。 (d)进气阀关闭,排气阀打开,活塞向上运动,将废气排出。 交流讨论:柴油机为什么没有点火装置? 参考答案:这是因为柴油机的压缩比要比汽油机大,即把吸入的空气压缩到1/12~1/20(汽油机为1/6~1/9)。这时压强达到35~45大气压,温度可升高到700~1500 。所以柴油机没有点火装置,在压缩冲程末,由喷油嘴喷入雾状柴油立即点燃。 4.柴油机和汽油机相比较你知道有哪些不同之处吗? 汽油机 柴油机 构造不同 火花塞 喷油嘴 燃料不同 汽油 柴油 吸气冲程 空气和汽油的混合物 空气 点燃方式 点燃式 压燃式 做功冲程 燃气压强小 燃气压强大 效率 效率低 效率高 应用 小汽车、飞机 重型汽车、火车 拓展延伸 调研并制作神奇“走马灯” 走马灯 走马灯是节日常见的一种灯饰,是我国具有悠久历史的民间工艺制品。 1.走马灯原理 走马灯之所以能“自动”旋转,是因为利用了热空气对流产生动力,核心是热浮力原理。 (1)热传递(对流):原理:蜡烛燃烧产生热源,加热周围空气。上升的热气流推动灯笼顶部的叶轮或灯罩叶片,产生旋转力矩。 (2)力与运动(转动平衡):原理:热气流冲击叶片,产生作用力,作用力距中心转轴有距离,形成力矩,使灯笼发生转动。 2.历史溯源与文化背景 (1)历史演变: 起源:相传始于北宋(一说隋唐),原名“马骑灯”,是元宵节的标志性娱乐。 (2)发展:宋代已盛行,明清时期普及民间。其独特之处在于“灯动而影不动”的视觉错觉——灯笼内部人物旋转,外部烛光投影相对静止,体现了古人对相对运动的朴素理解。 视频:制作走马灯 火箭发动机 火箭是我国古代的一项重大发明。当点燃火药筒中火药时,产生的高温高压燃气向后喷出,推动火药筒和箭身向前飞行。 现代火箭发动机的工作原理和古代火箭相同。液体火箭发动机内部的燃料和氧化剂燃烧后产生的高温高压气体高速喷出,由此推动火箭前进。 火箭发动机主要用于发射人造卫星、洲际导弹和进行宇宙航行等。中国载人航天工程、北斗卫星导航系统、中国探月工程等重大工程的成功实施、推进,标志着我国已在现代火箭技术领域跨入世界先进行列。 阅读课文了解热机、内燃机及其应用 学生了解实验器材、实验步骤,说出实验现象和实验结论 学生思考讨论:在实验中应注意哪些问题? 聆听老师讲解了四个冲程,注意这几个冲程的过程以及能量转化 学生观看视频:内燃机的工作原理,交流讨论:汽油机在一个工作循环中,有几个冲程,活塞往复几次,飞轮转动几周,对外做功几次? 学生观察图片,说出柴油机的工作原理 通过对比汽油机与柴油机的结构、工作冲程,归纳两者的异同点, 阅读课文查阅资料了解走马灯的原理、历史溯源与文化背景,并课下制作 锻炼学生的自主学习能力 锻炼学生的观察能力,自主学习能力和归纳总结能力 锻炼学生的逻辑思维能力和观察能力 锻炼学生的记忆能力,理解能力,观察能力 进一步掌握四冲程的工作顺序及每个冲程的核心特点,明确热机的能量转化; 锻炼学生的观察能力和理解能力 培养 “对比分析 归纳总结” 的科学思维。 拓展学生的知识面,锻炼学生的动手能力 课堂练习 1.我国国产品牌汽车实现了当前量产汽油发动机的全球最高热效率46.5%。如图所示汽油机的四个冲程,由内能转化为机械能的是( ) A. B. C. D. 【答案】A 【详解】A.两个气门都关闭,活塞向下运动,火花塞点火,这是做功冲程,内能转化为机械能,故A符合题意; B.一个气门打开,一个气门关闭,活塞向上,这是排气冲程,没有能量转化,故B不符合题意; C.两个气门都关闭,活塞向上运动,这是压缩冲程,机械能转化为内能,故C不符合题意; D.一个气门打开,一个气门关闭,活塞向下,这是吸气冲程,没有能量转化,故D不符合题意。 故选A。 2.2025年12月13日“中国科技城号”小型货运飞船成功发射。它主要用于空间科学实验和货物运输,是首个实现商业化运营的民营货运飞船。下列关于该货运飞船说法正确的是( ) A.货运飞船随火箭加速上升时,其惯性不断增大 B.发射货运飞船的火箭属于热机 C.货运飞船进入太空后会逐渐失去全部内能 D.货运飞船进入轨道后相对于地球运动状态不变 【答案】B 【详解】A. 惯性是物体的属性,只与质量有关,质量越大,惯性越大。货运飞船随火箭加速上升时,货运飞船质量不变,因此惯性不变,故A错误; B. 热机是将内能转化为机械能的装置。火箭通过燃烧燃料产生高温高压气体,推动火箭运动,将内能转化为机械能,因此属于热机,故B正确; C. 内能是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和,不会完全消失,故内能不会减少到零,故C错误; D. 运动状态不变指速度大小和方向均不变。货运飞船进入轨道后绕地球做圆周运动,速度方向不断变化,因此运动状态改变,故D错误。 故选B。 3.小周家里买了一辆小汽车。关于汽车,下列说法正确的是( ) A.发动机缸体的冷却使用水来充当冷却剂,主要是因为水的密度比较大,冷却效果好 B.汽车发动机的做功冲程将内能转化为机械能 C.汽车油箱中的汽油没有燃烧时,汽油不具有内能 D.汽车内燃机的做功冲程是利用飞轮的惯性带动的 【答案】B 【详解】A.发动机缸体用水作冷却剂,是因为水的比热容大,在吸收相同热量时温度上升慢,冷却效果好,故A错误; B.汽车发动机的做功冲程中,高温高压的燃气推动活塞做功,将内能转化为机械能,故B正确; C.内能是物体内部所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和,一切物体在任何温度下都具有内能,故C错误; D.内燃机的吸气、压缩、排气三个冲程是依靠飞轮的惯性来完成的,而做功冲程是动力的来源,不是依靠惯性,故D错误。 故选B。 学生练习 巩固本节的知识 课堂小结 1.热机是能将燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的发动机。 2.内燃机工作的四冲程:吸气、压缩、做功、排气冲程汽。压缩冲程机械能转化为内能,做功冲程内能转化为机械能。 3.利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程,内燃机在一个工作循环中,有4个冲程,活塞往复2次,飞轮转动2周,对外做功1次。 4.柴油机与汽油机的区别 是柴油机吸气冲程进入气缸中的只有空气;压缩冲程中,缸内气体被压缩的程度比汽油机更大; 压缩冲程末,喷油嘴喷出雾状柴油,进行压燃式点火。 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解 板书 一、热机 1.将燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的发动机则称为热机 2.内燃机:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机,叫作内燃机,最常见的是汽油机和柴油机 二、汽油机 1.利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功的内燃机 2.汽油机主要由气缸、火花塞、活塞、进气道、进气阀、排气道、排气阀、连杆和曲轴组成。 3.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。压缩冲程机械能转化为内能,做功冲程内能转化为机械能 4.利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程,汽油机在一个工作循环中,有4个冲程,活塞往复2次,飞轮转动2周,对外做功1次。 三、柴油机 1.定义:利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功的内燃机。 2构造 它与汽油机在结构上的主要不同是气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 3. 工作过程与汽油机类 对照板书回顾 夯实本节基础 课外拓展 /课外阅读内容 《21世纪科学探索丛书 有趣的热现象》 主要是简易蒸汽机、火柴火箭、热机能量转化小实验 适合课后小探究、家庭简易实验。 特色资源分析和技术手段说明 视频资源,可视化强:把抽象冲程、内部运动变成直观画面,降低理解难度。 教学反思 本节课以“动力探秘”为主线,成功激发了学生对热机工作原理的兴趣。通过“迷你实验室”实验,学生亲眼见证了内能向机械能的转化,有效降低了抽象概念的理解难度,课堂气氛活跃,参与度高。采用小组分工探究四冲程的方式,促使每位学生深入研读教材图示与文字,提升了信息提取与合作交流能力。特别是在对比汽油机与柴油机环节,学生能主动提出“为什么柴油机不用火花塞”等高质量问题,反映出思维的深度发展。然而,仍有部分学生在判断冲程阶段时混淆活塞运动方向与阀门状态的对应关系,说明空间想象力仍需加强。今后可增加三维动态模型或VR仿真资源辅助教学。另外,拓展环节虽激发了学生的民族自豪感,但关于新能源动力系统的讨论时间略显不足,可在后续课程中安排专题研讨,进一步深化可持续发展理念的渗透。 www.21cnjy.com 精品试卷 第 2 页 (共 2 页) 学科网(北京)股份有限公司 $