14.2 热机（培优教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件围绕热机展开，系统讲解热机工作原理、汽油机与柴油机的构造及四冲程工作过程，通过汽车速度发展的问题导入，连接内能与机械能转化，搭建从内能利用到热机应用的学习支架。 其亮点在于结合实验探究（如试管加热水推动瓶塞分析能量转化）、视频演示（汽油机工作过程等）和对比表格（汽油机与柴油机异同），以科学探究培养观察分析能力，用科学思维中的模型建构和对比方法明晰知识，强化物理观念中的能量转化认知。学生能直观理解抽象过程，教师可借助丰富资源提升教学效率。

人教版 九年级全一册 14.2 热机 第十四章 内能与热机 导入新课 汽车是如何获得机械能的呢? 18世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有几千米每小时，而目前最快汽车的速度已经超过了声速。 超声速汽车 学习目标 物理观念 了解热机的工作原理，了解汽油机和柴油机的构造和工作过程，能从能量转化的角度分析四冲程内燃机。 科学思维 经历对汽油机四个冲程的分析过程，体会运用简化模型分析问题的方法。 科学探究 通过阅读、观察，对比分析汽油机和柴油机的工作过程及各自特点，发展应用证据进行解释的能力。 科学态度 与责任 通过了解热机的发展历程，认识科技进步对社会发展的推动作用，体会物理与工程技术之间的联系，增强学习物理的动力。 重点难点 重点 四冲程汽油机的构造和工作过程。 难点 四冲程汽油机的构造和工作过程。 学习内容 1. 热机 2. 汽油机 3. 柴油机 4. 课堂小结 5. 练习与应用 6. 提升训练 一、热机 第2节 热机 一、热机 1. 实验探究：利用内能可以做功 【演示实验】在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察现象。讨论这个过程中不同形式能量之间转化的情况。 【实验现象】 ①瓶塞被冲出来； ②管口附近出现“白雾”。 一、热机 【实验分析】实验中的能量转化过程为： ① 酒精燃烧放出热量，酒精的______能转化为水的____能； ②水吸热沸腾，产生大量水蒸气，水蒸气膨胀对瓶塞做功，水蒸气的_______能转化为塞子的_______能。 化学 内 内 机械 【实验结论】 利用内能可以做功. 这个实验虽然简单，却基本展示了蒸汽机的工作原理。 一、热机 汽轮机 蒸气机 喷气发动机 （1）热机：各种利用内能做功的机械叫作热机。 （2）热机的工作原理：利用内能做功，将内能转化为机械能。 （3）热机的种类：蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 2. 热机 一、热机 柴油机 （4）常见的热机——内燃机 ①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。 ②内燃机分类：汽油机和柴油机。 汽油机 世界上第一辆以汽油为动力的车开始只有三个轮子，这就是德国人卡尔•本茨于1885年制造出的“奔驰一号”。 一、热机 【例题1】如图，物理兴趣小组制作了一个简易汽轮机装置。在易拉罐中装入适量的水，用酒精灯加热，水沸腾后从管口喷出蒸汽使风车转动。简易汽轮机工作过程中（　　） A．酒精燃烧将内能转化为化学能 B．水的内能增加的方式是热传递 C．蒸汽被喷出后内能保持不变 D．蒸汽的内能全部转化为风车的机械能 B 【解析】A．酒精燃烧的过程是将化学能转化为内能的过程，故A不符合题意； B．加热过程中，易拉罐中的水吸收热量，温度升高，是通过热传递的方式增加内能，故B符合题意； C．蒸汽喷出后，对外做功，内能转化为机械能，内能减小，故C不符合题意； D．因为热量损失，所以蒸汽的内能不会全部转化为风车的机械能，故D不符合题意。 故选B。 二、汽油机 第2节 热机 二、汽油机 1. 汽油机的工作原理 气缸 活 塞 连 杆 排气门 曲 轴 火花塞 进气门 2. 汽油机的主要构造 由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。 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。 二、汽油机 （1）冲程 汽油机在工作时，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程，叫作一个冲程。 （2）四个冲程 汽油机的一个工作循环由四个冲程组成。 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。 3. 汽油机的工作过程 四个冲程： 吸气、压缩、做功、排气 二、汽油机 （3）汽油机的工作过程分析 ①吸气冲程 进气门打开，排气门关闭。活塞向下运动，汽油和空气的混合物被吸入气缸。 二、汽油机 ②压缩冲程 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，内能增加，温度升高。 机械能→内能 能量转化：机械能转化为内能。 二、汽油机 ③做功冲程 在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料燃烧，产生高温高压的气体。高温高压的气体推动活塞做功，并通过连杆带动曲轴转动，对外做功。 内能→机械能 能量转化：内能转化为机械能。 二、汽油机 ④排气冲程 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。 二、汽油机 视频演示——《汽油机的工作过程》 二、汽油机 冲程名称 进气门 排气门 活塞 运动 冲程的作用 能量转化 吸气冲程 开 闭 向下 吸入燃料和空气的混合物 压缩冲程 闭 闭 向上 压缩燃料和空气的混合物， 使其内能增大，温度升高 机械能转化为内能 做功冲程 闭 闭 向下 火花塞产生电火花，点燃燃料，高温高压的燃气推动活塞做功，通过连杆、曲轴带动飞轮转动 内能转化为机械能 排气冲程 闭 开 向上 排出废气 （4）汽油机四个冲程工作情况总结 二、汽油机 对外做功1次 飞轮转动2周 活塞往复2次 有4个冲程 1个工作 循环 在这个四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。 （5）汽油机一个工作循环情况总结 二、汽油机 【例题2】如图是汽油机一个工作循环的四个冲程，其中图______是将机械能转化为内能的冲程，图______为不是靠飞轮惯性完成的冲程。现有一台四冲程汽油机，飞轮的转速为1800r/min，这台汽油机每分钟完成______个冲程，对外做了______次功。 乙 丙 3600 900 二、汽油机 【解析】图乙为压缩冲程，把机械能转化为内能。 图丙为做功冲程，靠燃料燃烧做功来完成该冲程，不是靠飞轮惯性完成的冲程。 飞轮转2转完成1个工作循环，有4个冲程；飞轮的转速为1800r/min，即1分钟转1800转，完成900个工作循环，冲程数为 900×4 = 3600个 1个工作循环对外做功1次，900个工作循环做功900次。 三、柴油机 第2节 热机 三、柴油机 2. 柴油机的构造 喷油嘴 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。 1.柴油机的工作原理 与汽油机的大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个喷油嘴。 三、柴油机 3.柴油机的工作过程 柴油机的工作过程与汽油机大致相同，也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，在一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。 柴油机吸入气缸内的物质只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来。 三、柴油机 视频讲解——《柴油机和汽油机的构造对比》 三、柴油机 4. 柴油机和汽油机的异同点 项目 汽油机 柴油机 构造 气缸顶部有一个火花塞 气缸顶部有一个喷油嘴 燃料 汽油 柴油 吸气冲程 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 压缩冲程 压缩程度较小 压缩程度较大 做功冲程 点燃式，内能转化为机械能 压燃式，内能转化为机械能 排气冲程 排出废气 特点与应用 轻巧、功率小；小汽车、摩托车等. 笨重、功率大；载重汽车、轮船等. 相同点 一个工作循环均有四个冲程组成，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，对外做功一次。压缩冲程把机械能转化为内能；做功冲程把内能转化为机械能. 三、柴油机 【例题3】如图所示是一个四冲程柴油机的剖面图，下列关于柴油机和汽油机工作的相关说法正确的是（　　） B A．柴油机和汽油机吸气冲程吸进的都是空气 B．除了做功冲程外，其余冲程都需要依靠曲轴的惯性完成 C．柴油机顶部的喷油嘴可以替换成火花塞 D．柴油机和汽油机气缸内的燃料都是点燃的 三、柴油机 【解析】A．柴油机在吸气冲程吸进的是空气，汽油机在吸气冲程吸进的是汽油和空气的混合物，故A错误； B．四冲程内燃机包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程。做功冲程是将内能转化为机械能，使机器获得动力；而吸气、压缩、排气冲程靠曲轴的惯性来完成，故除了做功冲程外，其余冲程都需要依靠惯性完成，故B正确； C．柴油机顶部是喷油嘴，在压缩冲程结束时，喷油嘴向气缸内喷入雾状柴油，遇到高温高压的空气而燃烧；汽油机顶部是火花塞，在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使汽油和空气的混合物剧烈燃烧。二者结构和点火方式不同，柴油机顶部的喷油嘴不能替换成火花塞，故C错误； D．汽油机气缸内的燃料是通过火花塞产生电火花点燃的，属于点燃式；而柴油机气缸内的燃料是在压缩冲程末，由喷油嘴喷入雾状柴油，遇到高温高压空气自行燃烧的，属于压燃式，故D错误。故选B。 三、柴油机 科学世界——现代汽车 汽车的动力系统 汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分。 1. 燃油汽车的主要构造与原理 汽车由发动机、底盘、车身和电器设备四大部分组成。发动机把燃料燃烧产生的内能变为机械能，再通过底盘上的传动机构，将动力传给车轮，使汽车行驶。 汽车电器设备的作用主要是产生电火花以点燃汽缸中的可燃气体、启动发动机时用电机带动飞轮旋转、提供照明等。 三、柴油机 科学世界——现代汽车 2. 多缸发动机 现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机（图为四缸发动机），每个汽缸都进行这种四冲程循环。由于各个汽缸交替做功，所以发动机转动比较平稳。 汽车四缸发动机示意图 三、柴油机 科学世界——现代汽车 3. 电子燃油喷射系统 随着电子技术的发展，许多汽车已经采用了电子燃油喷射系统。微电脑可以根据内燃机的工作状态和空气的温度等多种因素精确控制喷油的数量和时机，提高燃烧效率。采用电子燃油喷射系统的发动机与过去的发动机相比，可以减少有害气体的排放，降低燃料的消耗，同时提高发动机的功率。 电子技术的应用，使燃油汽车有了更广阔的发展空间。此外，利用电能、氢能等的各种新能源汽车也在快速发展。未来的汽车将更加节能、安全，对环境的影响会更小。 三、柴油机 科学世界——现代汽车 3D动画演示——《四缸四冲程汽油机工作过程》 四、课堂总结 第2节 热机 四、课堂总结 ①把内能转化为机械能的机器叫热机。常见热机有： 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等. ②工作原理：利用内能做功，将内能转化为机械能. ①内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机. ②内燃机工作的四冲程：吸气、压缩、做功、排气冲程. ③能量转化：压缩冲程中，机械能转化为内能； 做功冲程中，内能转化为机械能. ④汽油机与柴油机的区别： 汽油机吸入汽油与空气的混合物，柴油机只吸入空气. 汽油机是点燃式点火，柴油机点火方式为压燃式. 热机 热 机 内燃机 四、课堂总结 五、练习与应用 第2节 热机 五、练习与应用 【解析】点燃底部的蜡烛，蜡烛燃烧将化学能主要转化为内能，空气受热后上升，使纸片小人转动，获得了机械能。 这一过程与四冲程汽油机的做功冲程相似。 1. 图展示的是我国传统的走马灯。点燃底部的蜡烛，上升的热空气驱动扇叶转动，带动纸片小人转动。在这一过程中，不同形式的能量是如何转化的?这一能量转化过程与四冲程汽油机的哪个冲程相似? 五、练习与应用 【解析】 除了飞机、汽车、摩托车外，还有火箭、轮船、拖拉机、收割机、推土机、压路机、坦克等使用了热机，这些热机都是内燃机。 2. 除了飞机、汽车、摩托车，你还知道哪些地方用到了热机？你列举的这些热机中哪些是内燃机？ 五、练习与应用 3. 在图中，图甲为四冲程内燃机吸气冲程的示意图，图中画出了吸气冲程中活塞、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。 请在图乙、丙、丁中，分别画出压缩、做功、排气冲程中活塞、曲轴的位置和进气门、排气门的开闭情况。 五、练习与应用 压缩冲程：进气门、排气门关闭，活塞向上运动，曲轴的位置如图乙所示。 做功冲程：进气门、排气门关闭，活塞向下运动，曲轴的位置如图丙所示。 排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，曲轴的位置如图丁所示。 【解析】 五、练习与应用 4. 从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中： 【解析】 （1）做功冲程中，燃料燃烧，化学能转化为内能。 （2）做功冲程中，内能转化为机械能。 （3）压缩冲程中，机械能转化为内能。 （1）哪个冲程存在着化学能转化为内能的过程？ （2）哪个冲程存在着内能转化为机械能的过程? （3）哪个冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程？ 五、练习与应用 【解析】转速表的示数为750 r/min。四冲程汽油机一个完整循环需要完成一次做功冲程。一个完整的循环曲轴要转2圈，因此750圈共完成了 375个做功冲程。 5. 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。 五、练习与应用 6. 柴油机和汽油机的工作过程有什么相同点，有什么不同点？ 工作过程 异同点 汽油机 柴油机 吸气冲程 不同点 吸入汽油与空气的混合物 只吸入空气 燃料 相同点 进气门打开，排气门关闭. 柴油 压缩冲程 不同点 汽油与空气的混合物被压缩，燃气体积小，压强大，温度高. 空气被压缩的更厉害，空气体积更小，压强更大，温度更高. 压缩冲程 相同点 两个气门都关闭，机械能转化为内能 压缩程度大，机械能转化为内能 做功冲程 不同点 火花塞产生电火花. 使燃料燃烧，点燃式. 喷油嘴喷出雾状柴油， 遇热空气燃烧，压燃式. 相同点 内能转化为机械能，两个气门都关闭 笨重、效率高，用于载重 汽车、轮船、坦克等。 排气冲程 相同点 进气门关闭，排气门打开，排出废气. 六、提升训练 第2节 热机 六、提升训练 1. 如图所示是小明同学自制的能让小风扇转动的装置。他向易拉罐内部注入半罐水，按图示将所有器材安装完成后，点燃易拉罐下面的酒精灯，当有水蒸气喷出时，扇叶就能转动起来。关于该装置，下列说法不正确的是（　　） C A．空气中能闻到酒精的气味，这是扩散现象 B．给水加热是通过热传递的方式改变水的内能 C．水沸腾时，继续吸热温度不变，内能也不变 D．使扇叶转动时发生的能量转化与汽油机的做功冲程相同 六、提升训练 【解析】A．空气中能闻到酒精气味，是酒精的分子永不停息做无规则运动，扩散到空气中，属于扩散现象，故A正确； B．改变内能的方式分为做功和热传递，酒精灯给水加热，是通过热传递改变水的内能，故B正确； C．水沸腾时，持续吸热，温度不变，但水会持续吸收热量，且部分水汽化，整体内能增大，不是内能不变，故C错误； D．该装置中水蒸气喷出推动扇叶转动，将内能转化为机械能，和汽油机做功冲程的能量转化相同，故D正确。 故选C。 六、提升训练 2. 下图为四冲程内燃机的工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．在一个工作循环中的工作冲程依次是丁、丙、甲、乙 B．依靠曲轴的惯性完成的冲程是甲、乙、丁 C．甲冲程能获得动力 D．丁冲程的能量转化是内能转化为机械能 C 六、提升训练 【解析】A．题图甲进气门和排气门都关闭，活塞向下运动，火花塞点火，该冲程是做功冲程。题图乙进气门打开排气门关闭，活塞向下运动，汽缸吸入汽油和空气的混合气，该冲程是吸气冲程。题图丙进气门关闭排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸，该冲程是排气冲程。题图丁进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，该冲程是压缩冲程。故一个工作循环中的工作冲程依次是乙、丁、甲、丙，故A错误； B．在四个冲程中，只有做功冲程是主动进行的，其他三个冲程为辅助冲程，不能主动进行，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成，即乙、丙、丁，故B错误； C．做功冲程中，火花塞点火引燃燃料，高温、高压的燃气推动活塞对外做功，通过连杆和曲轴带动飞轮和机械转动，此时获得动力，故C正确； D．压缩冲程活塞向上运动，压缩汽油和空气的混合气使其压强增大，温度升高，该过程的能量转化是机械能转化为内能，故D错误。 故选C。 六、提升训练 3. 如图甲、乙、丙，为蒸汽机或汽（柴）油机原理图，下列说法是正确的是（　　） A．汽油机有喷油嘴，柴油机有火花塞 B．柴油机在吸气冲程中将柴油和空气的混合气吸入气缸 D C．图甲为汽油机工作原理图，图乙为蒸汽机原理图 D．图丙为汽油机做功冲程，它把内能转化为机械能 六、提升训练 【解析】A．汽油机气缸的顶端有火花塞，工作过程将汽油点燃，柴油机气缸顶端有喷油嘴，工作过程将柴油压燃，故A错误； B．柴油机在吸气冲程中将空气吸入气缸，柴油从喷油嘴喷出，故B错误； C．图甲中，把水烧成水蒸气，推动风车工作，是蒸汽机的工作原理，不是汽油机的工作原理，故C错误； D．图丙中，活塞向下运动，两个气门关闭，是做功冲程，这个过程中，将内能转化为机械能，为汽油机提供动力，故D正确。 故选D。 六、提升训练 4. 一台单缸四冲程柴油机，转速为1200r/min，则关于此柴油机下列说法不正确的是（ ） A．四个冲程中只有两个冲程涉及能量转化 B．在吸气冲程里吸进汽缸的是柴油和空气的混合物 C．只有做功冲程对外做功 D．1s内完成40个冲程，做功10次 【解析】A．四冲程中只有两个冲程涉及能量转化，压缩冲程将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能，故A正确，不符题意；B．柴油机和汽油机吸入汽缸的物质不一样，柴油机吸入汽缸的只有空气，而汽油机吸入汽缸的是空气和汽油的混合物，故B错误，符合题意； C．吸气冲程、压缩冲程、排气冲程是辅助冲程，靠飞轮的惯性来完成，只有在做功冲程中，燃气推动活塞对外做功，内能转化为机械能，故C正确，不符合题意； D．柴油机工作时，曲轴每转两转，做功一次，完成4个冲程，转速为1200r/min，即20r/s，所以它在1s内做功次数为10次，完成40个冲程，故D正确，不符合题意。故选B。 B 六、提升训练 【例题5】热机是将内能转化成______能的机器，如图所示是热机的______冲程。一台四冲程柴油机飞轮转速是 ，则柴油机每秒完成_____个冲程，燃气做功_____次，如果一次做功为1000 J，则柴油机的功率为_____W。 104 做功 机械 40 10 六、提升训练 【解析】热机通过做功的方式利用内能，将内能转化为机械能。 热机一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程组成；由图可知，进气门和排气门都是关闭的，活塞下行，火花塞喷出电火花，可以判断是做功冲程。 一台四冲程柴油机飞轮转速是1200r/min=20r/s 因一个工作循环飞轮转2圈，完成四个工作冲程，做功1次，所以柴油机每秒完成40个冲程，燃气做功10次。 1s内柴油机做的功W=1000J×10=10000J 则柴油机的功率 六、提升训练 6．国产油电混合动力汽车。 （1）汽油机是热机的一种，如图所示是四冲程汽油机工作状态示意图，此时它正处在______冲程。该冲程将内能转化为______能； （2）汽油机的飞轮转速为2400r/min，则在1s内，汽油机完成______个冲程，对外做功的次数是______次； （3）该汽车在高速公路上以108km/h的速度 匀速行驶了1min，发动机的功率始终保持72kW 不变，该过程中发动机做的功为__________J， 发动机牵引力的大小为______ N。 4.32×106 机械 80 20 2400 做功 六、提升训练 【解析】（1）从图中可以看出，两气门关闭，火花塞点火和活塞向下移动的特点，可以判断这个冲程是做功冲程，将内能转化为了机械能。 （2）汽油机飞轮的转速为 2400r/min=40r/s 即飞轮在1s内转40圈，由于飞轮转动两圈，完成一个工作循环，四个冲程，对外做功一次，所以1s内该汽油机完成80个冲程，对外做功20次。 （3）发动机所做的功W=Pt=72×103 W×60s=4.32×106J 汽车的速度v=108km/h=30m/s 根据P=W/t=Fs/t=Fv得，发动机牵引力的大小为 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.45.100 $