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燃料的热值与热机的效率核心知识点，以神州二十号火箭用氢燃料为情境导入，衔接已学热机原理，通过“为何用氢做燃料”的问题搭建学习支架，自然引出热值概念，再过渡到热机效率探究。 资料特色在于情境导入激发兴趣，煤气灶实验分析能量流向培养科学思维，帮助学生理解效率小于1的本质，计算演练提升科学探究能力，科学史“从火车到火箭”拓展培养科学态度与责任。对学生建立能量观念和环保意识有益，为教师提供清晰教学脉络与实用练习设计。

14.3 热机的效率 人教版 九年级物理全一册 第十四章 第3节 课题 课型 课时 教材版本 14.3 热机的效率 新授课 1课时（45分钟） 人教版 九年级全一册 教学方法 讲授法、实验分析法、计算演练法、小组讨论法 教学用具 PPT 教材分析：本节在学生已掌握热机基本原理、四冲程工作过程的基础上，从能量转化角度进一步探究热机的效率问题。本节包含两大知识点：燃料的热值（定义、单位、物理意义、计算公式）和热机的效率（能量流向分析、定义式、常见热机效率数据、提高方法）。“神州二十号”的情境导入引出“为什么用氢做燃料”，自然转入热值概念。煤气灶实验是理解“效率”的关键桥梁——Q放≠Q吸，能量损失在哪里？内燃机能量流向图和常见热机效率表是学生建立“效率<1”观念的直观依据。“从火车到火箭”的科学史拓展开阔学生视野。 学情分析：学生已学习了热机的工作原理和四冲程能量转化，但对“燃料燃烧释放的能量去哪了”缺乏系统认识。热值概念容易与比热容混淆，需要强调“热值是燃料的属性，与燃烧条件无关”。Q放=qm和Q放=qV的公式计算不难，但单位统一是容易出错的地方。效率计算需要分步完成Q放和Q吸，再求比值，对学生的综合计算能力有较高要求。 本节概要：情境导入（神州二十号+火箭为什么用氢做燃料？）→知识点一：燃料的热值（燃料分类、热值定义/单位/意义/公式、热值表、液氢热值最高）→煤气灶实验（能量流向分析、效率概念引入）→知识点二：热机的效率（定义/公式、内燃机能量流向、常见热机效率数据、提高方法）→从火车到火箭→小结→3道练习。 核心素养目标 物理观念 从能量转化的角度认识燃料的热值，知道燃料热值的物理意义及其单位。 科学思维 通过煤气灶实验和内燃机能量流向分析，建立“输入能量、损耗能量、有用能量”的能量分析思维，理解热机效率为什么小于1。 科学探究 能计算燃料完全燃烧放出的热量，能计算简单的热效率问题。 科学态度与责任 知道提高热机效率的方法，了解热机的发展历程，培养节能环保意识。 教学重难点 教学重点：①燃料热值的物理意义、单位和计算公式；②热机效率的定义和提高方法；③燃料完全燃烧放热和热效率的计算。 教学难点：①热值与比热容的区别（容易混淆）；②能量流向图的分析——理解“有用能量”和“损耗能量”的具体含义；③热效率计算中单位统一（J/kg vs J/m³）和分步求解Q放、Q吸的综合计算能力。 教学过程 环节一：知识回顾与情境导入（5分钟） 【教师活动】提出复习问题：①什么样的机械叫热机？②汽油机和柴油机的共同特点有哪些？③用于做功的内能从何而来？ 【学生活动】回答：①利用内能做功的机械叫热机。②都是将燃料放在汽缸内，燃烧后产生高温高压的气体，推动活塞对外输出机械能；都是四冲程构成的一个工作循环。③将燃料放在汽缸内，燃烧后产生的内能。 【教师活动】进一步提问：生活中常见的燃料有哪些？怎么分类的？ 【学生活动】回答：木柴、煤、汽油、天然气等。可按物态分为固体、液体、气体燃料。 【过渡语】其实不同燃料的“燃烧本领”是不同的——相同质量的不同燃料，完全燃烧放出的热量不同。这就是我们今天要学的——燃料的热值。 【教师活动】展示神州二十号发射图片，提问：火箭发动机中为什么采用氢做燃料呢？ 火箭发动机——为什么用氢做燃料？ 【学生活动】猜想：氢的燃烧能力强，质量小，燃烧产物没有污染。 【设计意图】以神州二十号和火箭用氢做燃料引出问题，激发学生好奇心，自然引入热值概念。 环节二：知识点一——燃料的热值（16分钟） 【教师活动】讲解燃料的分类：固体燃料（木柴、煤等）、液体燃料（汽油、柴油等）、气体燃料（煤气、天然气等）。燃料燃烧过程中的能量转化：化学能→内能。 【教师活动】讲解热值的定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值，用符号q表示。单位：固体、液体燃料用J/kg（焦每千克），气体燃料用J/m³（焦每立方米）。物理意义：数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。计算公式：固体/液体Q=qm，气体Q=qV。强调：“完全燃烧”是前提，指燃料燃烧后全部变成不可燃烧物的过程。 【知识点】热值是燃料的属性，只与燃料种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关。注意：热值和比热容不同！热值q是描述“燃料燃烧”的属性；比热容c是描述“物质吸放热”的属性。二者记忆窍门：q——燃料“烧”得热，c——物质“萧”热。 【教师活动】展示一些燃料的热值表，引导学生观察：哪种燃料热值最大？干木柴的热值是多少？其意义是什么？ 一些燃料的热值表 【学生活动】观察回答：氢的热值最大。干木柴的热值是1.2×10⁷ J/kg，意义是1kg干木柴完全燃烧放出的热量是1.2×10⁷ J。 【教师活动】回归开头的问题：燃烧1kg汽油，测得放出的热量为4.6×10⁷ J；燃烧100g液氢，测得放出的热量为1.4×10⁷ J，则——燃烧时的放热能力更强？ 【学生活动】计算：液氢热值=1.4×10⁷ J / 0.1 kg = 1.4×10⁸ J/kg，远大于汽油的4.6×10⁷ J/kg。液氢放热能力更强。 【教师活动】总结氢作为火箭燃料的三大优势：①氢的热值：1.4×10⁸ J/kg，目前最高；②氢质量小，有效载荷大；③氢气燃烧后的产物是无污染的水。 【过渡语】燃料完全燃烧释放的能量，我们真的能全部利用吗？我们来看一个煤气灶烧水的实验。 环节三：煤气灶实验与能量流向分析（7分钟） 【教师活动】展示实验数据：利用家用煤气灶，把质量是1kg的水，从室温加热至100℃，消耗多少煤气？读数：710.9946m³−710.971m³=0.0236m³。计算分析： 煤气灶实验——煤气表读数 【教师活动】一边计算一边讲解：煤气完全燃烧放出的热量 Q放 = qV煤气 = 3.9×10⁷ J/m³ × 0.0236m³ = 9.204×10⁵ J。水吸收的热量 Q吸 = cm水Δt = 4.2×10³ J/(kg·℃) × 1 kg × (100℃−25℃) = 3.15×10⁵ J。 【学生活动】跟随教师计算，在草稿纸上完成Q放和Q吸的计算。 【教师活动】提问：Q放=9.204×10⁵ J，Q吸=3.15×10⁵ J，这两个值相等吗？为什么？燃料燃烧释放的能量都去哪了？ 煤气灶能量流向图 能量损失分析图——散热、加热灶壁、加热水壶等 【学生活动】回答：不相等，Q吸 < Q放。煤气燃烧释放的能量一部分散失到空气中，一部分被煤气灶壁和水壶吸收，还有一部分燃料没有完全燃烧，只有一小部分被水给吸收了。 【教师活动】从煤气灶迁移到热机：煤气灶烧水有能量损失，内燃机中同样有能量损失——燃料释放的能量中只有一部分变成了有用的机械能。这就引出了效率的概念。 【教师活动】展示效率计算图：效率η = 水吸收的热量 / 燃料完全燃烧放出的热量 = 3.15×10⁵ / 9.204×10⁵ ≈ 34.2%。这就是煤气灶的热效率——只有约34.2%的能量被水吸收了，其余65.8%损失了。 【过渡语】煤气灶烧水尚且有65.8%的能量损失，内燃机的能量损失又是怎样的？我们接着分析。 环节四：知识点二——热机的效率（10分钟） 【教师活动】提问：内燃机中燃料能够完全燃烧吗？燃料燃烧的能量都分别流向哪了？展示内燃机能量流向图，引导学生逐项分析： 内燃机能量流向图 【学生活动】分析回答：①燃料不能完全燃烧——损失一部分能量；②散热损失——一部分能量以热量形式散失到空气中；③克服机器的摩擦——消耗一部分能量；④废气带走——大量的内能随废气排出（这是最大的损失）。只有一小部分变成了有用的机械能。 【知识点】内燃机能量损失四大渠道：①燃料不完全燃烧；②散热损失；③摩擦损失；④废气带走的能量（最大损失）。 【教师活动】讲解热机效率的定义：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，叫做热机的效率。定义式：η = W有用 / Q放 × 100%。物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，是热机性能的重要指标。热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染。 重要结论：所有热机的效率都小于1！因为燃料完全燃烧放出的能量不可能全部转化为有用机械能，总有一部分能量损失。这符合能量守恒定律（能量不会凭空消失，但可以转化为其他形式的能量而不是我们需要的有用能量）。 【教师活动】展示常见热机的效率数据：蒸汽机的效率只有6%～15%，汽油机的效率只有20%～40%，柴油机的效率只有30%～45%。所有热机效率都小于1。 常见热机效率——蒸汽机6%～15% 常见热机效率——汽油机20%～40% 常见热机效率——柴油机30%～45% 【学生活动】观察数据并思考：热机的效率普遍低，还有很大提升空间。 【教师活动】提问：如何提高热机的效率？提示学生从能量损失的四个渠道反向思考。 【学生活动】思考回答：①提高燃料利用率，使燃料充分燃烧；②改进热机，减少各种能量损失；③保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量；④设法利用废气中的能量。 【教师活动】肯定学生回答，展示四条提高方法：1. 提高燃料利用率，使燃料充分燃烧；2. 改进热机，减少各种能量损失；3. 保证良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的能量；4. 设法利用废气中的能量。 【知识点】提高热机效率的四条途径（对应四大损失渠道）：燃料充分燃烧、改进热机、润滑减摩、利用废气。 环节五：科学史拓展——从火车到火箭（3分钟） 从火车到火箭——蒸汽机时代 从火车到火箭——内燃机和汽轮机 从火车到火箭——喷气发动机时代 【教师活动】简要介绍热机发展史：17世纪，人类发明了热机，最早的热机是蒸汽机。交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机，于是内燃机应运而生。电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机，1884年出现的蒸汽汽轮机满足了这个需求。早期的飞机是由内燃机提供动力的，从上世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用喷气式发动机。 【学生活动】了解热机的发展历程，感受科技进步对社会发展的推动作用。 【设计意图】“从火车到火箭”的拓展内容贯穿了热机从蒸汽机→内燃机→汽轮机→喷气发动机的发展脉络，拓宽学生视野，培养学生对科学技术发展的兴趣。 环节六：课堂小结（3分钟） 【教师活动】引导学生共同回顾：一、燃料的热值——定义（某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比）、单位（J/kg或J/m³）、物理意义（1kg燃料完全燃烧放出的热量）、计算公式（Q=qm或Q=qV）；二、热机的效率——定义η=W有用/Q放×100%、四大能量损失渠道、常见热机效率数据、提高效率的四条途径。 【学生活动】回答并在学案上完成知识框架。 板书设计 14.3 热机的效率 一、燃料的热值 定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，符号q 单位：J/kg（固、液），J/m³（气） 意义：1kg燃料完全燃烧放出的热量 计算：Q=qm（固/液），Q=qV（气） 热值是燃料的属性，与燃烧条件无关 二、热机的效率 定义：η=W有用/Q放×100% 四大损失：不完全燃烧、散热、摩擦、废气带走 常见效率：蒸汽机6%～15%、汽油机20%～40%、柴油机30%～45% 提高：充分燃烧、改进热机、润滑减摩、利用废气 三、能量转化与效率计算 煤气灶：Q放=qV，Q吸=cmΔt，η=Q吸/Q放×100% 热水器：Q放=qV，Q吸=cm（t-t₀），η=Q吸/Q放×100% 四、从火车到火箭 蒸汽机→内燃机→汽轮机→喷气发动机 人教版 九年级全一册 第十四章 第3节 课堂练习（5分钟） 【教师活动】练1 对于燃料的热值，下列说法中，属于正确理解的是 (　　) A．燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比 B．燃料没燃烧时就没有热值 C．就某种确定的燃料而言，它的热值是一个确定的值，跟燃料的质量及燃料燃烧放出的热量无关 D．容易燃烧的燃料热值一定大 【学生活动】选C。解析：热值是燃料的一种属性，只与燃料种类有关，与燃料的质量、是否完全燃烧、是否容易燃烧无关。A错（热值与放出热量无关）；B错（没燃烧时热值仍然存在）；D错（容易燃烧与热值大小无关）。 【教师活动】练2 下列提高热机效率的方法中，不可行的是（　　　　） A．减少各种热损失 B．加润滑油减少机器各部件之间的摩擦 C．充分利用废气的能量，如建热电站 D．采取少消耗总能量的办法 【学生活动】选D。解析：提高热机效率要从能量利用率入手，而非减少输入能量。“少消耗总能量”只是减少了Q放，但不一定提高了有用能量的占比。A、B、C都是提高热机效率的有效方法。 【教师活动】练3 某家庭用燃气热水器将质量为100kg、温度为20℃的自来水加热到50℃，消耗的天然气体积为1m³（假设天然气完全燃烧）。已知水的比热容为4.2×10³ J/(kg•℃)，天然气的热值为3.2×10⁷ J/m³。求： （1）天然气完全燃烧放出的热量； （2）水吸收的热量； （3）该热水器工作的效率。 【学生活动】解： （1）Q放=Vq=1m³×3.2×10⁷ J/m³=3.2×10⁷ J （2）Q吸=cm（t-t₀）=4.2×10³ J/(kg•℃)×100kg×（50℃-20℃）=1.26×10⁷ J （3）η=Q吸/Q放×100%=(1.26×10⁷ J)/(3.2×10⁷ J)×100%=39.375%≈39.4% 热效率计算步骤：①写公式求Q放（Q=qm或Q=qV）；②写公式求Q吸（Q=cmΔt）；③η=Q吸/Q放×100%。注意单位统一，气体燃料用Q=qV。 教学反思 □ 热值和比热容是学生最容易混淆的两个概念。课堂上是否用对比表清晰展示了二者的区别？“q——燃料烧得热，c——物质听热”这个记忆法学生是否接受了？ □ 煤气灶实验的能量流向分析是否真正让学生理解了“效率”的含义？建议让学生自己在纸上画一遍能量流向图，而不是只看PPT上的图。 □ 练3是一道综合计算题，涉及Q放=qV和Q吸=cmΔt两个公式。学生能否独立完成而不用提示？单位统一是否出错？建议变换数据再出一道题让学生当堂练习。 □ “从火车到火箭”是拓展内容，如果时间不够，可以作为课后阅读材料。但这块内容对学生建立“热机发展脉络”的宏观认识很有价值，尽量不要跳过。 □ 热机效率的定义式η=W有用/Q放×100% 与煤气灶的η=Q吸/Q放×100% 的区别，学生是否清楚？热机的W有用是机械能，而煤气灶的Q吸是水吸收的内能——用途不同，“有用能量”的定义不同。 学科网（北京）股份有限公司 $