14.3 热机的效率 暑期预习导学案（附同步作业）-2026-2027学年九年级全一册物理人教版

14.3 热机的效率 一、学习目标 1、熟记燃料热值的概念、符号、单位、物理意义，理解热值是燃料的固有特性； 2、熟练运用、计算燃料完全燃烧释放的热量； 3、分析热机工作时所有的能量损耗来源，掌握热机效率的定义与计算公式； 4、规范完成热机效率综合计算题，区分有用功、总放出热量； 5、熟记提高热机效率的方法，明白热机效率永远小于 100% 的原因； 6、分清炉子效率、热机效率两类题型的解题思路，规避概念类易错点。 二、课前自主预习 1、某种燃料 燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值，符号： 。 2、固体、液体燃料热值单位： ；气体燃料热值单位：。 3、燃料完全燃烧放热公式：固液态： ；气态：。 4、热机效率：用来做 功的能量，和燃料完全燃烧放出的总能量的比值，符号。 5、内燃机工作时，绝大部分能量被 带走，是最主要的能量损失。 6、汽油机效率大约 20%～30%，柴油机效率 30%～45%，所有热机效率都 1。 模块一：燃料的热值（计算基础核心知识点） 知识点 1：热值的标准定义 某种燃料完全燃烧所放出的热量，与它的质量的比值，叫做燃料的热值。 关键点：必须强调「完全燃烧」，指燃料充分烧尽，无残留。 知识点 2：单位与物理含义 1、固、液体燃料：单位：焦每千克，； 例：汽油热值 物理意义：1kg 的汽油完全燃烧，能够放出焦耳的热量。 2、天然气等气体燃料：单位：焦每立方米，。 知识点 3：热值的特性（高频选择题考点） 热值是燃料本身的一种特性，只由燃料的种类决定。 和这几个条件全部无关：燃料质量大小、体积多少、有没有完全燃烧、是否用过一半。 举例：一桶汽油用掉一半，剩下汽油的热值、比热容、密度全部保持不变。 知识点 4：燃料放热计算公式 1、固体、液体燃料： 单位必须换算为千克（kg） 2、气体燃料： 易错警示 实际生活中燃料很难做到完全燃烧，实际放出的热量，会小于用公式算出来的理论值。 模块二：热机的能量流向与能量损失分析 知识点 1：燃料燃烧释放的全部能量四个去向 1、废气带走大量的内能（占比 60% 以上，最大的损耗）； 2、气缸缸体向外散热，损失一部分热量； 3、曲轴、齿轮等机械部件摩擦消耗能量； 4、真正用来带动车辆行驶、对外做功的有用能量。 知识点 2：热机效率的定义 热机用来做有用功的那一部分机械能，与燃料完全燃烧总共放出的热量之比，叫做热机效率。 知识点 3：效率计算公式 公式变形： 知识点 4：效率数值特点 任何热机的效率都不可能达到 100%，因为一定会有废气散热、摩擦损耗，能量无法全部转化成机械能。 蒸汽机：6%～15%；汽油机：20%～30%；柴油机：30%～45%。 模块三：综合计算题解题规范（中考必考题型） 两类常考题型解题思路 题型 1：汽车行驶类（热机效率） 1、总能量：燃料燃烧放热 2、有用功：汽车牵引力做的功 （匀速行驶时牵引力等于阻力） 3、效率： 题型 2：烧水类（炉子的效率拓展） 1、总能量：燃料燃烧放出的热量 2、有用能量：水吸收的热量 3、炉效： 标准例题示范 例题：一辆汽车，完全燃烧 2kg 汽油，汽油热值，发动机对外做的有用功为，求汽油机的效率。 解： 已知： 1、燃料完全燃烧放出总热量： 2、计算热机效率： 答：该汽油机的效率为 40%。 计算避坑要点 1、质量单位一定要换成千克，克不能直接代入公式； 2、区分「有用能量」和「总放出热量」，不可分子分母写反； 3、最终结果必须换算成百分数形式。 模块四：提高热机效率的四种方法（简答题背诵） 1、改良燃烧室，把燃料磨成粉末、加大送风量，让燃料充分燃烧； 2、利用尾气废气的余热（尾气回收装置），回收废气中的热量； 3、机件添加润滑油，减小机械摩擦带来的能量损耗； 4、优化发动机结构设计，降低缸体的散热损失。 引申意义：提高热机效率，可以节约化石能源，同时减少尾气污染物排放，保护环境。 模块五：本课时全部易混易错点汇总 1、热值只看燃料种类，和质量、燃烧程度无关，不能说 “燃料烧得越多，热值越大”； 2、效率高，不代表做的有用功一定多，还取决于消耗燃料的总量； 3、热机效率低的核心原因是高温废气带走绝大多数热量，不是摩擦损耗； 4、“完全燃烧” 是公式的前提条件，现实不存在百分之百的完全燃烧； 5、效率是比值，没有单位，最后必须用百分数表示； 6、燃料燃烧：化学能转化为内能；热机做功：内能再转化为机械能。 三、当堂课堂练习题 填空题 1、一罐天然气用去三分之一，剩余天然气的热值 （选填 “变大、变小、不变”）。 2、热机工作过程中，能量损失最大的途径是 。 3、完全燃烧 0.5kg 的酒精（），能够放出 J 的热量。 选择题 1、关于燃料的热值，下列说法正确的是（） A. 燃料燃烧越充分，热值越大 B. 燃料质量越大，热值越大 C. 热值只由燃料本身种类决定 D. 煤的热值大，燃烧放出的热量一定比木材多 2、甲、乙两台汽油机，甲的效率比乙高，则（） A. 甲消耗的燃料更少 B. 消耗相同汽油，甲做的有用功更多 C. 甲做的有用功比乙多 D. 甲把内能转化成机械能的比例更小 计算题 质量为 3kg 的汽油完全燃烧，汽油热值，发动机效率为 30%，求这台汽油机对外能做多少有用功。 简答题 说一说，日常生活中可以采取哪些办法提高内燃机的效率？ 四、课后记忆口诀 燃料热值看种类，完全燃烧才算数； 废气带走大半热，摩擦散热能量输； 有用比上总放热，百分数来算效率； 充分燃烧减摩擦，提高效率能节油。 同步作业 一．选择题（共10小题） 1．搭载我国自主研发的全球首款兆瓦级氢燃料涡桨发动机的无人运输机，于2026年4月完成首飞。选择质量更小、放热更多、零碳排放的液氢作为发动机的燃料，是因为液氢的（　　） A．沸点高 B．热值大 C．比热容大 D．凝固点高 2．如图是某同学自制的简易热机模型，在易拉罐内装适量水，当点燃下方的蜡烛后，可以看到前方的小风扇转动起来．下列说法正确的是（　　） A．蜡烛燃烧化学能转化为内能 B．蜡烛火焰越大，蜡烛的热值越大 C．罐内的水在加热过程中所含的热量增加 D．通过改进热机模型的结构，其效率可达100% 3．关于燃烧的热值，以下说法正确的是（　　） A．燃料的热值与燃料的种类有关系，与燃烧的质量和燃烧状况无关 B．燃烧1千克某种燃料放出的热量就是这种燃料的热值 C．燃料燃烧时，质量越大，热值越大 D．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的大 4．有甲、乙两台汽油机，若在同一时间内甲做的有用功是乙做的有用功的2倍，甲的效率是25%，乙的效率是20%，则在同样时间内，甲、乙两汽油机消耗的汽油之比为（　　） A．2：5 B．8：5 C．5：8 D．5：2 5．如图是某内燃机能量流向图，该内燃机的热机效率是（　　） A．25% B．40% C．75% D．35% 6．如图所示，用甲、乙两种燃料分别对质量和初温相同的水进行加热，两图装置均相同。燃料的质量用m表示，燃料充分燃尽时水升高的温度用Δt表示（水未沸腾）（　　） A．若m相同，Δt越小，燃料的热值越大 B．若Δt相同，m越大，燃料的热值越大 C．若的值越大，燃料的热值越大 D．若的值越大，燃料的热值越大 7．某载重汽车自重12t，车轮与地面的总接触面积为0.5m2，汽车以72km/h的速度在平直公路上匀速行驶时，柴油发动机的功率为210kW，每行驶43s消耗柴油700g，柴油的热值为4.3×107J/kg，g取10N/kg。下列说法中（　　） ①完全燃烧700g柴油放出的热量为3.01×109J ②该柴油发动机效率为30% ③汽车的牵引力为1.05×104N ④若公路所能承受的最大压强为8×105Pa，汽车最多能装载40t的货物 A．只有①②正确 B．只有③④正确 C．只有①③正确 D．只有②③正确 8．关于内燃机，下列说法正确的是（　　） A．四个冲程中只有一个冲程发生内能与机械能相互转化 B．压缩冲程主要是通过做功的方式增大缸内气体的内能 C．汽油机和柴油机都是通过火花塞点火的 D．只要技术进步，内燃机的效率可以达到100% 9．质量为5kg的汽油，用去一半后剩下的汽油（　　） A．密度、比热容、热值都变为原来的一半 B．密度不变、比热容、热值变为原来的一半 C．密度、比热容变为原来的一半，热值不变 D．密度、比热容、热值都不变 10．汽油机工作时的热损失情况是：汽缸散热损失30%，废气带走35%．机械摩擦损耗10%，则完全燃烧2g汽油（热值为4.6×107J/kg）获得的机械能是（　　） A．2.76×104J B．3.22×104J C．0.92×104J D．2.3×104 J 二．填空题（共5小题） 11．已知汽油热值为4.6×107J/kg，则小汽车牵引力做了1.38×106J机械功的过程中消耗了0.1kg的汽油，则该汽油机的效率为　 　 。 12．行驶中的汽车在紧急刹车时，刹车片会发烫，这是通过　 　 的方式增加物体内能的。若汽车行驶过程中消耗汽油2kg，则这些汽油完全燃烧能放出　 　 J的热量。（汽油热值4.6×107J/kg） 13．“可燃冰”作为新型能源，有着巨大的开发使用潜力。同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的　 　 很大。以10倍的关系粗略计算，1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量为　 　 J，这些热量可以使　 　 kg的水从20℃加热至100℃[c＝4.2×103J/（kg•℃）•q煤气＝4.2×107J/kg]。 14．某种国产汽车，当它在某平直公路上以20m/s速度匀速行驶时，每百公里的油耗为6L．当汽车行驶500s，则汽车消耗的汽油是　 　 L．假设汽车在运动过程中受到的平均阻力是495N．则汽油机的效率是　 　 %（已知汽油的热值是3.3×107J/L）。 15．如图所示，将活塞迅速下压，玻璃筒底的棉花被点燃。此过程是通过　 　 的方式增加了筒内空气的内能，能量转化方式与汽油机的　 　 冲程相同。某汽油机在一次工作中消耗了2kg汽油，对外做功为2.3×107J，则汽油机的效率是　 　 （汽油热值为4.6×107J/kg）。 三．实验探究题（共2小题） 16．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量也相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择　 　 两图进行实验，实验时要观察　 　 比较两种燃料的热值大小；比较不同物质的比热容，应选择　 　 两图进行实验，实验通过　 　 反映物体吸热的多少。 （2）比较不同物质的比热容，选用上图合适装置加热相同一段时间后，液体a升温多，由此可知：质量相同的液体a与b，升高相同的温度时，液体a吸收的热量　 　 （选填“大于”或“小于”）液体b吸收的热量。 （3）若甲图烧杯中为50mL的水，10g酒精完全燃烧温度计示数升高了20℃，求： ①水吸收的热量？ ②若酒精燃烧放出的热量全部被水吸收，算一算酒精的热值是多少？ ③算出的热值比标准值　 　 （选填“偏大”、“偏小”或“一样”） 17．在“比较酒精和碎纸片燃烧时放出的热量”实验中。 （1）由于燃料充分燃烧放出热量的多少不仅与燃料种类这一个因素有关，因此实验时必须控制酒精和碎纸片的 　 　 相等；实验中还需控制被加热的水的质量和初温均相同，以便于 　 　 。 （2）如图是小明安装好的实验装置，其中存在的错误是 　 　 。 （3）小华纠正了小明的错误，又组装了一套相同的实验装置，备好秒表。在两燃烧皿中分别加入准备好的酒精和碎纸片，读出水的初温后，进行如下操作： ①先点燃酒精，再点燃碎纸片。 ②保证酒精和碎纸片燃烧时间相同，读取温度计的示数。 ③待酒精和碎纸片充分燃烧结束，分别读取温度计的示数。 小红认为上述操作中，操作 　 　 是错误的。小明根据正确操作获得的数据，算出了燃料的热值，发现结果小于该燃料的实际热值，原因是 　 　 。 四．计算题（共2小题） 18．2026年世界超级摩托车锦标赛中，张雪机车创造了中国品牌夺冠的历史。如图所示，这款张雪机车，机车质量约为180kg，某次测试中，该车开足马力以最大功率100kW行驶9min，消耗了4kg汽油。已知q汽油＝4.5×107J/kg。求： （1）汽油完全燃烧放出的热量； （2）本次测试中该车发动机的效率。 19．某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为5×10﹣3m2，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为8×105Pa，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦，汽油的热值为4.6×107J/kg），求： （1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力； （2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功； （3）汽油机的功率。 （4）若1min内消耗汽油22.5g，该汽油机的效率。 参考答案与试题解析 一．选择题（共10小题） 1．【解答】解：液氢满足“质量更小、放热更多”的特点，刚好符合热值大的特性，因此选择液氢作为发动机的燃料是利用了液氢热值大的特点，故B符合题意、ACD不符合题意。 故选：B。 2．【解答】解：A．蜡烛燃烧时，其内部储存的化学能通过化学反应释放出来，转化为周围环境的内能，故A正确； B．热值是燃料本身的固有属性，只与燃料的种类有关，与火焰大小、燃烧是否充分等无关，故B错误； C．热量是热传递过程中传递能量的多少，是过程量，只能说“吸收或放出热量”，不能说“含有热量”。水在加热过程中，是内能增加，故C错误； D．热机在工作时不可避免的有能量损失，而且要克服机械部件间的摩擦做额外功，效率一定小于100%，故D错误。 故选：A。 3．【解答】解： A、燃料的热值与燃料的种类有关系，与燃料的质量和燃烧状况无关，故A正确； B、燃烧1千克某种燃料放出的热量叫这种燃料的热值，必须是完全燃烧放出的热量，才是燃料的热值，故B错误； C、热值与质量无关，只与燃料种类有关，故C错误； D、燃料不完全燃烧时放出的热量不能称之为热值，故D错误。 故选：A。 4．【解答】解： 由热机效率公式η可得：Q总甲，Q总乙， 所以Q甲总：Q乙总：：8：5； 又因为Q＝mq，即甲、乙两机消耗的汽油质量之比是8：5。 故选：B。 5．【解答】解： 热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比。即做有用功的能量在燃料完全燃烧产生的能量中所占的百分比，所以内燃机的热机效率η＝1﹣25%﹣40%＝35%。 故选：D。 6．【解答】解：燃料的热值大小不能直接测量，需要通过水吸收热量的多少来体现燃料燃烧放出热量的多少，而水吸收热量的多少跟水的质量和升高的温度有关，因此为了比较热值大小可以利用Q吸＝Q放，而Q吸＝c水m水Δt，Q放＝mq，即c水m水Δt＝mq，解得：q； A、若m相同，Δt越小，由q可知，燃料的热值越小，故A错误； B、若Δt相同，m越大，由q可知，燃料的热值越小，故B错误； C、若的值越大，即的值越小，由q可知，燃料的热值越小，故C错误； D、若的值越大，由q可知，燃料的热值越大，故D正确。 故选：D。 7．【解答】解： ①完全燃烧700g柴油放出的热量：Q放＝m柴油q＝0.7kg×4.3×107J/kg＝3.01×107J，故①错误； ②柴油发动机做功：W＝Pt＝210×103W×43s＝9.03×106J，柴油发动机的效率：η100%100%＝30%，故②正确； ③汽车速度：v＝72km/h＝72m/s＝20m/s，由PFv得，汽车的牵引力：F1.05×104N，故③正确； ④由p得，公路所能承受的最大压力：F＝pS＝8×105Pa×0.5m2＝4×105N，汽车与货物的质量之和：m总4×104kg＝40t，汽车最多能装载货物质量：m＝m总﹣m车＝40t﹣12t＝28t，故④错误。 综上，①④错误，②③正确。 故选：D。 8．【解答】解： AB、内燃机的四个冲程是吸气、压缩、做功、排气冲程，压缩冲程活塞向上运动，压缩气体对气体做功，将机械能转化为内能；做功冲程高温高压燃气推动活塞向下运动，将内能转化为机械能。吸气和排气冲程不发生能量转化。故A错误、B正确； C、在做功冲程初，柴油机是靠喷油嘴喷出雾状柴油而燃烧，所以C错误； D、不管技术怎么进步，内燃机的效率都不能达到100%，故D错误； 故选：B。 9．【解答】解：密度、比热、热值都是物质的属性，不随物质的质量变化而变化。5kg汽油用去一半后，剩下汽油的密度、比热、热值不变。 故选：D。 10．【解答】解： （1）汽油机的效率：η＝100%﹣35%﹣30%﹣10%＝25%； （2）2g汽油完全燃烧产生的热量： Q＝mq＝2×10﹣3kg×4.6×107J/kg＝9.2×104J； （3）根据η可知获得的机械能： W＝ηQ＝25%×9.2×104J＝2.3×104J。 故选：D。 二．填空题（共5小题） 11．【解答】解：0.1kg汽油完全燃烧放出的热量为：； 小汽车牵引力做的机械功为有用功，W有用＝1.38×106J； 汽油机的效率为：。 故答案为：30%。 12．【解答】解：①刹车片发热，是刹车片克服摩擦做功，使刹车片的内能增加、温度升高，是通过做功途径改变物体内能； ②2kg汽油完全燃烧产生的热量： Q放＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J。 故答案为：做功，9.2×107。 13．【解答】解：（1）在同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的热值很大； （2）1kg煤气完全燃烧放出的热量： Q放＝mq＝1kg×4.2×107J/kg＝4.2×107J， 1kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量： Q放′＝10Q放＝10×4.2×107J＝4.2×108J； （3）由题知，Q吸＝Q放′＝4.2×108J， ∵Q吸＝cmΔt， ∴水的质量： m1250kg。 故答案为：热值；4.2×108；1250。 14．【解答】解： （1）由v得汽车行驶距离： s＝vt＝20m/s×500s＝10000m＝10km， 因为每百公里的油耗为6L， 所以行驶10km（公里）消耗汽油： V6L＝0.6L； （2）汽油完全燃烧放出的热量： Q放＝Vq＝0.6L×3.3×107J/L＝1.98×107J， 因为汽车匀速行驶， 所以汽车牵引力： F＝f＝495N， 牵引力做功： W＝Fs＝495N×10000m＝4.95×106J， 汽油机的效率： η100%＝25%。 故答案为：0.6；25。 15．【解答】解： （1）在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小撮干燥的棉絮，用力将活塞迅速向下压，棉絮燃烧起来；说明将活塞迅速下压，活塞对桶内空气做功，使筒内空气的内能增加，温度升高；压缩过程中，活塞的机械能转化为空气的内能，故该过程中，与内燃机的压缩冲程相同； （2）汽油完全燃烧放出的热量：Q放＝mq＝2kg×4.6×107J/kg＝9.2×107J； 汽油机的效率η100%100%＝25%。 故答案为：做功；压缩；25%。 三．实验探究题（共2小题） 16．【解答】解： （1）为了比较热值大小要用不同的燃料，加热同一种液体，让液体的质量相同，通过液体升高的温度得出吸热多少，进而判断热值大小，应选择甲和乙两图进行实验； 为了比较两种液体的比热容，需要燃烧相同的燃料，加热不同的液体，让液体的质量和温度的变化相同，通过比较加热时间（即比较吸收热量的多少），进而判断两种比热容的大小关系，应选择甲和丙两图进行实验； （2）比较不同物质的比热容，选用甲、丙两实验，加热相同一段时间，两种液体吸收的热量相等；液体a升温多，由c可知，a的比热容小； a的比热容小，质量相同的液体a与b，在升高相同的温度时，由Q吸＝cmΔt可知，液体a吸收的热量小于液体b吸收的热量。 （3）①50mL水的质量为：m＝ρ水V＝1×103kg/m3×50×10﹣6m3＝0.05kg； 水吸收的热量：Q吸＝cmΔt＝4.2×103J/（kg•℃）×0.05kg×20℃＝4.2×103J； ②根据题意可知，Q吸＝Q放，由Q放＝qm可知， 酒精的热值为：q4.2×105J/kg； ③酒精完全放出的热量并没有全部被水吸收，所以算出的热值比标准值偏小。 故答案为：（1）甲乙；液体升高的温度；甲丙；加热时间的长短；（2）小于； （3）①水吸收的热量为4.2×103J；②酒精的热值为4.2×105J/kg；③偏小。 17．【解答】解：（1）由Q放＝mq可知，燃料充分燃烧放出热量的多少与燃料的种类和燃料的质量有关，因此实验时必须控制酒精和碎纸片的质量相同；控制被加热的水的质量和初温均相同，便于通过水升高的温度来反映燃料完全燃烧放出的热量； （2）用温度计测量液体的温度时，应该让温度计的玻璃泡与被测液体充分接触，不能碰到容器的底部和侧壁，由图可知，温度计的玻璃泡没有充分浸入到烧杯的水中； （3）实验过程中要控制完全燃烧燃料的质量相同，燃烧时间相同并不能保证燃烧燃料的质量相同，所以保证酒精和碎纸片燃烧时间相同，读取温度计的示数的操作是错误； 由于燃料不完全燃烧且燃料燃烧放出的热量有一部分会散失到空气中，又或被烧杯等实验装置吸收的部分热量，使Q放大于Q吸，依此计算出燃料的热值比实际要偏小些。 故答案为：（1）质量；通过水升高的温度来反映燃料完全燃烧放出的热量；（2）温度计的玻璃泡没有充分浸入到烧杯的水中；（3）②；燃料不完全燃烧且燃料燃烧放出的热量有一部分会散失到空气中。 四．计算题（共2小题） 18．【解答】解：（1）4kg汽油完全燃烧放出的热量： Q放＝q汽油m＝4.5×107J/kg×4kg＝1.8×108J； （2）牵引力做的功： W＝Pt＝100×103W×9×60s＝5.4×107J， 发动机的效率是： η30%。 答：（1）汽油完全燃烧放出的热量为1.8×108J； （2）本次测试中该车发动机的效率为30%。 19．【解答】解： （1）根据p可知燃气对活塞的平均压力为： F＝pS＝8×105Pa×5×10﹣3m2＝4000N； （2）因为s＝50mm＝0.05m， 所以一个做功冲程中燃气对活塞做的功：W＝Fs＝4000N×0.05m＝200J； （3）飞轮每转两圈对外做功一次，所以飞轮转动1800周，要对外做功900次， 所以燃气对活塞做的总功为： W总＝W×900＝200J×900＝180000J， 汽油机的功率为： P3000W； （4）这些汽油完全燃烧放出的热量： Q放＝mq＝0.0225kg×4.6×107J/kg＝1035000J， 汽油机的效率： η100%≈17.4%。 答：（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力为4000N； （2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功为200J； （3）汽油机的功率为3000W； （4）该汽油机的效率为17.4% 学科网（北京）股份有限公司 $