14.2 热机 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”核心知识，涵盖热机概念、内燃机（汽油机、柴油机）的工作原理及四个冲程。通过汽车爬山涉水情境导入，结合蒸汽推动轮子演示实验，引导学生感知内能做功，建立“化学能→内能→机械能”的能量转化学习支架，衔接内能知识与热机应用。 资料亮点在于融合科学探究与科学思维，通过内燃机模型、动态视频演示四冲程中气门状态、活塞运动及能量转化，利用对比表格清晰区分汽油机与柴油机差异。注重物理观念建构，结合“科学世界”现代汽车知识，培养学生联系生活的科学态度，助力教师高效教学，提升学生对抽象原理的理解。

课题 14.2 热机 课型 新授课 课时 1课时（45分钟） 教材版本 人教版九年级全一册 教学方法 讲授法、演示法、讨论法、小组合作法、多媒体辅助教学法 教学用具 多媒体课件、内燃机模型、演示实验装置 教材分析：本节是人教版九年级全一册第十四章“内能的利用”的第2节，学生在学习内能的基础上，开始学习内能的利用。热机是内能利用的重要实例，本节课从利用内能做功引出热机概念，然后详细介绍内燃机的工作原理，包括汽油机和柴油机的结构和四个冲程。教材通过演示实验让学生感知内能可以做功，然后从能量转化的角度理解热机的工作原理，最后通过对比汽油机和柴油机，加深对内燃机的理解。教材还通过“科学世界”——现代汽车“扩展学生的知识面，体现了物理与生活的密切联系，有助于培养学生的科学态度与责任感。 学情分析：九年级学生已经学习了内能、热传递、比热容等知识，对能量转化有了一定的认识。学生在日常生活中经常见到汽车、摩托车等利用热机的交通工具，对热机有感性认识，但对内燃机的具体工作过程和原理了解不够深入。学生有一定的观察能力和分析能力，但对于四个冲程的顺序、门的开关状态、活塞运动方向以及能量转化等细节容易混淆，需要通过模型演示和动画动态展示来帮助理解。学生对汽油机和柴油机的区别容易混淆，需要通过对比表格来区分。 14.2 热机 一、核心素养目标 物理观念 知道热机的概念，初步了解热机的工作原理。 知道内燃机是热机的一种，了解四冲程内燃机的构造及工作过程。 科学思维 知道内燃机各冲程的工作状态和能量转化。 体会内能的利用对人类发展的重要作用。 科学探究 通过演示实验了解可以利用内能做功。 通过实物模型结合课堂活动，自主探究学习理解四冲程内燃机的基本结构和原理。 科学态度与责任 通过演示实验培养学生观察和分析问题的能力。 通过阅读“科学世界”——现代汽车“扩展学生的知识面。 二、教学重难点 教学重点：理解热机的概念，了解四冲程内燃机的构造和工作过程，掌握各冲程的能量转化。 教学难点：对四个冲程工作过程的理解，特别是各冲程中进气门、排气门的开关状态，活塞的运动方向以及能量的转化情况。 三、教学过程 （一）情境导入（3分钟） 【教师活动】同学们，现在的汽车能爬山能涉水，力大无穷。请大家思考：汽车是如何获得动力的呢？ 汽车动画 汽车爬山 汽车涉水 【学生活动】学生观察图片并思考回答：“汽车的动力来自发动机，发动机燃烧燃料产生动力。” 【知识点】各种利用内能做功的机械叫做热机。今天我们就来学习热机的相关知识。 【设计意图】通过学生日常生活中熟悉的汽车设置情境，激发学生的求知欲，自然引出热机概念。 【过渡语】热机到底是如何利用内能做功的呢？让我们通过实验来观察。 （二）知识点一：认识热机（10分钟） 【教师活动】请同学们观察实验现象：在热水瓶中装入部分水，用小轮子固定在架子上，用热水蒸汽推动轮子转动。请思考这个过程中不同形式的能量之间是如何转化的？ 利用内能做功实验装置 【学生活动】学生观察实验现象，分组讨论能量转化：“燃烧燃料将化学能转化为内能，内能又通过做功转化为机械能，推动轮子转动。” 实验表明：化学能→内能→机械能，通过燃烧获得内能，然后内能对外做功。 在这个实验中，燃烧燃料将化学能释放出来，使瓶内水温度升高，产生大量蒸汽。蒸汽的内能通过推动轮子转动转化为机械能，这就是热机的基本工作原理。 【理解要点】热机的能量转化过程：“化学能（燃烧）→内能（蒸汽）→机械能（对外做功）。” 【知识点】1. 热机：利用内能做功的机械。 【教师活动】热机的种类很多，常见的有哪些呢？ 2. 热机的种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机。 蒸汽机 汽油机 汽轮机 喷气发动机 蒸汽机是最早发明的热机，它的出现推动了第一次工业革命。随着科技的进步，内燃机、汽轮机和喷气发动机等一些更高效的热机相继出现，不断提高了人类利用内能的能力。 【学生活动】学生观察图片并讨论：“蒸汽机是最早的热机，内燃机是现在最常见的热机。这些热机都是通过燃料燃烧将化学能转化为内能，再转化为机械能。” 【知识点】3. 内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧的热机。常见的内燃机有汽油机和柴油机两种。 内燃机与蒸汽机的主要区别在于：蒸汽机的燃料在锅炉中燃烧，产生的蒸汽再进入气缸做功；而内燃机的燃料直接在气缸内燃烧，能量损失更小，效率更高，体积更小，特别适合作为交通工具的动力装置。 目前常见的内燃机主要有两类：一类是以汽油为燃料的汽油机，主要用于汽车、摩托车等；另一类是以柴油为燃料的柴油机，主要用于货车、拖拉机、工程机械等。 【学生活动】学生思考并讨论：“内燃机与蒸汽机的主要区别是什么？内燃机的燃料直接在气缸内燃烧，不需要另外的锅炉。” 【设计意图】通过演示实验让学生直观感知内能可以做功，从能量转化的角度理解热机的工作原理，然后介绍常见的热机种类。 【过渡语】了解了热机的基本概念，接下来我们详细学习最常见的内燃机——汽油机。 （三）知识点二：汽油机（16分钟） 【教师活动】1. 工作原理：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。 【教师活动】2. 构造：主要由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆等部分组成。 连杆的作用是将活塞的循环运动转化为曲轴的轮转运动，从而将动力输出去驱动其他轮台。 曲轴轮动时，通过连杆带动活塞在气缸内上下循环运动，从而完成各个冲程的工作。曲轴的轮动是汽油机输出机械功的最终表现。 汽油机构造 【教师活动】3. 工作过程：（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，作为一个冲程。 （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。 汽油机四个冲程 【重点强调】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。 【重点强调】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。能量转化：机械能转化为内能。 【重点强调】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。能量转化：内能转化为机械能。 【重点强调】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。 【易错提示】四个冲程易混点：“1.吸气冲程和排气冲程都是一门开一门关，关键是看哪个门开和活塞运动方向；”“2.压缩冲程和做功冲程都是两门关闭，区别在于能量转化方向相反；”“3.只有做功冲程是对外做功的，其他三个冲程靠飞轮惯性完成。” 吸气冲程中，进气门打开，排气门关闭，活塞由上止点向下止点运动，气缸内气压降低，汽油和空气的混合气体被吸入气缸。这是四个冲程的起始阶段，为后续的压缩和做功做准备。 压缩冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞由下止点向上止点运动，压缩燃料混合物，使其压强增大、温度升高。这一过程中，飞轮的机械能转化为燃料混合物的内能，为点火做功创造条件。 做功冲程中，在压缩冲程结束的瞬间，火花塞发出电火花，点燃被压缩的高温高压燃料混合物。燃料急剧燃烧，产生更高的温度和压强，推动活塞向下运动，通过连杆带动曲轴转动，对外输出机械功。这是内能转化为机械能的关键冲程。 排气冲程中，进气门关闭，排气门打开，活塞由下止点向上止点运动，将燃烧后的废气排出气缸。完成排气后，活塞回到上止点，准备开始下一个吸气冲程，如此循环往复。 【学生活动】学生分组讨论并归纳：“吸气冲程和排气冲程的相同点是一门开一门关，不同点是吸气冲程活塞向下运动，排气冲程活塞向上运动；压缩冲程和做功冲程的相同点是两门都关闭，不同点是压缩冲程活塞向上运动，做功冲程活塞向下运动。” 【教师活动】让我们通过视频来观察汽油机的工作过程，注意观察各个冲程中进气门、排气门的状态和活塞的运动方向。 【学生活动】学生观察视频，记录每个冲程的特点，分组交流讨论。 （5）汽油机一个工作循环情况总结：对外做功1次、飞轮转动2周、活塞往复2次、有4个冲程。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。 汽油机一个工作循环 【知识点】汽油机的一个工作循玮包含四个冲程，只有做功冲程是对外做功，其他三个冲程面贡献惯性完成。 【设计意图】通过四个冲程的详细分析，结合视频演示，让学生清楚地了解汽油机的工作过程，掌握各冲程的特点和能量转化。 【过渡语】了解了汽油机，接下来我们学习另一种常见的内燃机——柴油机。 （四）知识点三：柴油机（8分钟） 【教师活动】1. 工作原理：通过压缩空气直接点燃柴油，生成高温高压的燃气，推动活塞做功。 【教师活动】2. 构造：与汽油机大致相同，不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。 【教师活动】3. 柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程。但是吸气冲程吸进气缸的只有空气。 压缩冲程活塞把空气的体积压缩得很小，空气温度升高，在压缩冲程结束时，温度超过柴油燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气便立刻燃烧起来。 做功冲程燃烧放出的热使得气体温度急剧升高、压强急剧增大，从而推动活塞对外做功。 【对比归纳】汽油机和柴油机的主要区别：“1. 构造：汽油机顶部是火花塞，柴油机顶部是喷油嘴；”“2. 吸气冲程：汽油机吸入汽油和空气混合物，柴油机只吸入空气；”“3. 点火方式：汽油机是火花塞点火，柴油机是压缩点燃。” 从构造上看，汽油机气缸顶部安装的是火花塞，用于产生电火花点燃燃料；柴油机气缸顶部安装的是喷油嘴，在压缩冲程末尾将柴油以雾状喷入高温高压的空气中，柴油立即自燃。这是两者最根本的区别。 从吸气冲程看，汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，两者在气缸内混合；柴油机吸入的只有空气，燃油在压缩冲程末尾才喷入气缸。 从点火方式看，汽油机采用点燃式，依靠火花塞的电火花点燃混合气体；柴油机采用压燃式，利用压缩空气的高温使柴油自燃，不需要火花塞。 从应用领域看，汽油机具有转速高、体积小、噪音低的优点，主要用于汽车、摩托车等轻型交通工具；柴油机具有扭矩大、燃油经济性好、寿命长的优点，主要用于货车、拖拉机、工程机械等重型设备。 【学生活动】学生分组讨论并总结：“汽油机和柴油机虽然都是四冲程内燃机，但在构造、吸气物质、点火方式和应用领域等方面存在明显差异，这些差异决定了它们各自适合不同的使用场景。” 【知识点】汽油机和柴油机都是四冲程循环工作，工作原理相似，但在构造和工作方式上有所区别。 【设计意图】通过与汽油机对比，让学生掌握柴油机的特点，培养对比分析的科学思维。 【过渡语】学习了内燃机的工作原理，让我们一起了解现代汽车的构成。 （五）科学世界：现代汽车（3分钟） 【教师活动】燃油汽车由发动机、底盘、车身和电气设备四大部分组成。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。汽车的动力系统 燃油汽车一般采用三缸、四缸或六缸等多缸发动机，每个气缸都进行四冲程循环，由于各个气缸交替做功，所以发动机运转比较平稳。 【知识拓展】现代汽车发动机技术发展趋势：“1. 小排量多缸化，降低油耗，减少排放；”“2. 混合动力技术，结合热机和电动机，提高效率；”“3. 清洁能源技术，如天然气汽车、电动汽车等。” 【设计意图】通过介绍现代汽车的构成，扩展学生的知识面，让学生了解物理知识在现代科技中的应用。 多缸发动机的设计是工程上的一大智慧：各气缸的做功冲程错开进行，当一个气缸在做功时，其他气缸分别处于吸气、压缩或排气冲程。这样，曲轴在任意时刻都有气缸在推动，保证了发动机运转的连续性和平稳性。 随着科技的发展，现代汽车还引入了涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时等技术，进一步提高了热机的效率和性能。新能源汽车的发展更是体现了人们对能源利用效率和环境保护的重视。 【学生活动】学生阅读并讨论：“多缸发动机各缸交替做功使运转更平稳，这体现了物理原理在工程技术中的实际应用。将课堂所学与生活实际紧密联系，有助于理解科学技术对社会发展的推动作用。” 【过渡语】现在让我们通过练习来检测一下本节课的学习效果。 （六）课堂练习（5分钟） 【教师活动】请同学们完成以下3道练习题。 练1：下列机械属于热机的是（　　） A.电飞机 B.\u6c34力发电机 C.柴油机 D.水轮水泵 【教师活动】热机是利用内能做功的机械，将内能转化为机械能。电飞机是电能转化为机械能，水力发电机是机械能转化为电能，水轮水泵是机械能转化为水的势能，只有柴油机是利用燃料燃烧的内能做功。因此答案为C。 【学生活动】学生分析回答：热机将内能转化为机械能，柴油机符合，选C。 练2：在汽油机的做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞运动做功，则下列说法中正确的是（　　） A.燃气的内能增加，温度升高 B.燃气的内能增加，温度降低 C.燃气的内能减少，温度降低 D.燃气的内能减少，温度升高 【教师活动】做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞做功，内能转化为机械能，因此燃气的内能减少，温度降低。因此答案为C。 【学生活动】学生分析能量转化：做功过程内能转化为机械能，内能减少温度降低，选C。 练3：下列关于内燃机说法正确的是（　　） A.柴油机吸气冲程吸进的是柴油和空气的混合物 B.汽油机气缸顶部有喷油嘴 C.做功冲程中内能转化为机械能 D.内燃机功率越大，效率越高 【教师活动】分析各选项：A选项，柴油机吸气冲程只吸进空气，不吸进柴油，所以A错；B选项，汽油机气缸顶部是火花塞，柴油机才是喷油嘴，所以B错；C选项，做功冲程确实是内能转化为机械能，C正确；D选项，功率表示做功快慢，效率表示能量利用的百分比，两者没有必然联系，功率大效率不一定高，所以D错。因此答案为C。 【学生活动】学生逐项分析：正确是C，做功冲程内能转化为机械能。 【注意事项】四个冲程判断技巧：“1. 看门的状态：一门开一门关是吸气或排气；两门关闭是压缩或做功。”“2. 看活塞运动方向：活塞向下是吸气和做功；活塞向上是压缩和排气。”“3. 看能量转化：机械能转化为内能是压缩；内能转化为机械能是做功。” 【设计意图】通过3道练习，检测学生对热机概念、四个冲程、能量转化等知识点的掌握情况，及时发现问题并进行纠正。 （七）课堂小结 【教师活动】今天我们学习了热机的相关知识，请同学们一起回顾：什么是热机？内燃机的四个冲程分别是什么？每个冲程的特点是什么？汽油机和柴油机有什么区别？ 本节课的核心知识包括：一是热机的概念，热机是利用内能做功的机械，能量转化是化学能→内能→机械能；二是汽油机的结构和四个冲程，每个工作循环包含四个冲程，对外做功一次，飞轮转动两周；三是柴油机与汽油机的对比。 在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功的冲程，将内能转化为机械能。压缩冲程则是将机械能转化为内能，为做功冲程做准备。吸气冲程和排气冲程虽然没有能量转化，但它们是工作循环中必不可少的环节。 理解内燃机的工作原理，关键在于掌握四个冲程中进气门、排气门的开关状态和活塞的运动方向，以及能量转化的情况。同学们可以通过对比表格来加深记忆。 汽油机和柴油机都是常见的内燃机，它们的工作原理相似，都分为四个冲程。但两者在构造上有重要区别：汽油机气缸顶部是火花塞，柴油机气缸顶部是喷油嘴；汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，柴油机只吸入空气；汽油机采用火花塞点火，柴油机采用压缩点燃。 热机的发明和应用是人类利用内能的重要里程碑，从蒸汽机到内燃机，再到现代的多缸发动机和新能源技术，体现了人类对能源利用方式的不断探索和进步。希望同学们在课后多观察生活中的热机应用，如汽车、摩托车、工程机械等，将所学知识与实际生活联系起来。 【学生活动】学生回顾并回答：“热机是利用内能做功的机械；四个冲程是吸气、压缩、做功、排气；汽油机顶部是火花塞，柴油机顶部是喷油嘴。” 【知识点】热机是人类利用内能的重要方式，内燃机的发明和改进推动了工业革命，对现代社会的发展产生了巨大影响。 四、板书设计 一、热机 ①定义：利用内能做功的机械 ②能量转化：化学能→内能→机械能 ③种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 ④内燃机：燃料直接在气缸内燃烧 二、汽油机 ①构造：气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆 ②冲程：活塞从一端到另一端另为一个冲程 ③四个冲程：吸气、压缩、做功、排气 ④工作循环：做功1次、飞轮2周、活塞往复2次 ⑤能量转化：压缩（机械能→内能）、做功（内能→机械能） 三、柴油机 ①与汽油机区别：顶部是喷油嘴（非火花塞） ②吸气冲程：只吸入空气 ③点火方式：压缩点燃（非火花塞点火） 四、现代汽车 四大部分：发动机、底盘、车身、电气设备 多缸发动机：交替做功，运转平稳 五、教学反思 本节课以“热机”为主线，从情境导入到演示实验，再到详细分析汽油机的四个冲程，最后对比柴油机，整体逻辑清晰，层次分明。是否充分调动了学生的积极性？学生是否能够正确区分四个冲程中进气门和排气门的开关状态以及活塞的运动方向？是否能够准确判断每个冲程中的能量转化？是否区分清楚汽油机和柴油机的主要区别？通过图片和视频演示是否帮助学生更好地理解了内燃机的工作过程？教学时间分配是否合理，四个冲程的详解是否充分？如何更好地让学生自主探究四个冲程的特点，还需要在今后的教学中进一步探索。 学科网（北京）股份有限公司 $