14.3 热机的效率（课件，教材配套版）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件围绕“热机的效率”，系统讲解热值概念、热机效率定义及计算，通过“燃料燃烧热量能否完全利用”的问题导入，承接热机能量转化知识，为效率计算和实际应用搭建学习支架。 其亮点在于以核心素养为导向，物理观念上明确热值是燃料固有属性、效率是热机性能指标，科学思维通过热值公式（如汽油燃烧放热例题）和效率公式推理计算，科学态度与责任结合长征五号火箭等航天成就及节能环保意义。采用“问题-探究-应用”教学方法，课堂小结结构化分点，帮助学生系统掌握知识，教师可直接使用丰富素材提升教学效果。

14.3 热机的效率 人教版九年级物理 · 第十四章 内能的利用 从生活走向物理 · 从物理走向社会 义务教育物理课程标准（2022年版）核心素养导向 大家好！今天我们一起来学习第14章第3节——热机的效率。热机是现代社会不可或缺的动力来源，从汽车到火箭，都离不开热机的工作。但热机在工作中，燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？这就是我们今天要探讨的核心问题。 要点：①引入课题 ②激发思考 ③课程标准核心素养导向 时长：1 分钟 学习目标 14.3 热机的效率 | P02 物理观念 理解热值概念， 认识热值是燃料 的固有属性 认识热机效率是 热机性能的重要 指标 从能量转化角度 认识热机工作 科学思维 从能量流动角度 分析燃料燃烧和 热机工作中的 能量转化 运用热值公式和 效率公式进行 推理计算 科学态度与责任 关注提高热机 效率对节约能源 减少污染的意义 了解我国航天 成就与科技发展 践行可持续发展 关注环境保护 [过渡] 在正式开始之前，让我们先明确今天的学习目标。 今天的学习目标围绕核心素养的三个方面：物理观念——我们要理解热值的概念，认识热机效率是热机性能的重要指标；科学思维——我们要学会从能量流动的角度分析燃料燃烧和热机工作中的能量转化；科学态度与责任——我们要关注提高热机效率对节约能源和减少污染的意义，了解我国航天成就。 要点：①物理观念：热值与效率 ②科学思维：能量流动分析 ③科学态度与责任：节能与航天 时长：1 分钟 新课导入 思考 热机中燃料燃烧释放的热量 能被完全利用吗？ 热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料 对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能 燃烧放出的热量能被完全利用吗？ 14.3 热机的效率 | P03 [过渡] [互动] 同学们，请想一想——热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。那么，燃烧放出的热量能被完全利用吗？ [停顿] 这个问题的答案，就是我们今天学习的重点。让我们从燃料的热值开始，一步步揭开热机效率的奥秘。 要点：①提出核心问题 ②从生活经验出发 ③引出热值概念 时长：2 分钟 燃料的种类 §14.3 图14.3-1 几种燃料 固体燃料 木柴、煤等 液体燃料 汽油、酒精等 气体燃料 煤气、天然气等 想想议议 质量相等的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？ 例如，燃烧 1 kg 煤放出的热量，是燃烧 1 kg 干木柴放出热量的两倍多 14.3 热机的效率 | P04 [过渡] 既然要讨论热机的效率，首先需要了解燃料的基本知识。 燃料可以分为三大类：固体燃料如木柴、煤；液体燃料如汽油、酒精；气体燃料如煤气、天然气。[互动] 同学们，你们在生活中见过哪些燃料？它们各有什么特点？ [停顿] 注意观察表格中的数据——燃烧1 kg煤放出的热量，是燃烧1 kg干木柴放出热量的两倍多！这说明不同燃料的燃烧能力确实不同。 要点：①三种燃料分类 ②热值差异的直观感受 ③想想议议引入热值定义 时长：3 分钟 想想议议 不同燃料燃烧放热相同吗？ 问题 燃料的种类很多： 固体燃料有木柴、煤等 液体燃料有汽油、酒精等 气体燃料有煤气、天然气等 根据你的经验， 质量相等的不同燃料， 燃烧时放出的热量 是否相同？ 结论 燃烧质量相等的不同 燃料，放出的热量通常 是不同的。 例如： 燃烧 1 kg 煤放出的热量 是燃烧 1 kg 干木柴 放出热量的两倍多 14.3 热机的效率 | P05 [过渡] [互动] 让我们深入思考这个问题——质量相等的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？ 答案很明确：燃烧质量相等的不同燃料，放出的热量通常是不同的。例如1 kg煤放出的热量是1 kg干木柴的两倍多。[停顿] 这就是为什么我们需要一个物理量来描述燃料的这种"燃烧能力"——热值。 要点：①不同燃料放热不同 ②具体数据支撑 ③引出热值概念 时长：2 分钟 燃料的热值 热值 某种燃料完全燃烧放出的热量 与其质量之比，叫作这种燃料的热值 热值在数值上等于 1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量 固体/液体燃料 J/kg 气体燃料 J/m³ 注：气体燃料的热值在数值上等于在标准状态下 1 m³ 燃料完全燃烧放出的热量 14.3 热机的效率 | P06 [过渡] 现在我们正式给出热值的定义。 热值：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。[停顿] 请注意两个关键词——"完全燃烧"和"质量之比"。 热值在数值上等于1 kg某种燃料完全燃烧放出的热量。固体和液体燃料的单位是J/kg，气体燃料的单位是J/m³。[停顿] 热值是燃料的固有属性，只与燃料种类有关。 要点：①热值定义（完全燃烧+质量之比） ②单位区分（J/kg vs J/m³） ③热值是固有属性 时长：3 分钟 热值计算 §14.3 计算公式 Q放 — 完全燃烧放出的热量 q — 燃料的热值 m — 燃料的质量 例题 汽油的热值为 4.6×10⁷ J/kg，给汽车加 30 kg 汽油 思考 如果完全燃烧 质量相等的柴油 （热值4.3×10⁷ J/kg） 能放出多少热量？ 14.3 热机的效率 | P07 [过渡] 有了热值的概念，我们就可以进行计算了。 根据热值公式 Q放 = q × m，我们可以计算燃料完全燃烧放出的热量。[停顿] 让我们来看一个例题——汽油的热值是4.6×10⁷ J/kg，给汽车加30 kg汽油，完全燃烧放出的热量是多少？ [互动] 请同学们在纸上算一下。答案是 1.38×10⁹ J。[停顿] 那么如果完全燃烧质量相等的柴油呢？柴油的热值是4.3×10⁷ J/kg，计算结果会不同。 要点：①公式应用 ②例题计算 ③拓展思考（等质量不同燃料对比） 时长：4 分钟 一些燃料的热值 表14.3-1 固体/液体燃料 对比燃料 干木柴 约 1.2×10⁷ J/kg 柴油 4.3×10⁷ J/kg 烟煤 约 2.9×10⁷ J/kg 煤油 4.6×10⁷ J/kg 无烟煤 约 3.4×10⁷ J/kg 汽油 4.6×10⁷ J/kg 焦炭 3.0×10⁷ J/kg 氢气 ⭐ 1.4×10⁸ J/kg 木炭 3.4×10⁷ J/kg 焦炉煤气 约 1.7×10⁷ J/m³ 酒精 3.0×10⁷ J/kg 沼气 约 1.9×10⁷ J/m³ 发现① 不同燃料的热值 通常不同 热值反映燃料的燃烧特性 发现② ⭐ 氢气的热值最高 1.4×10⁸ J/kg 约为汽油的3倍 发现③ 气体燃料单位不同 J/m³ 按体积而非质量计量 14.3 热机的效率 | P08 [过渡] 让我们来系统看一下各种燃料的热值数据。 [数据] 从表中可以看到几个重要发现：不同燃料的热值通常不同；氢气的热值最高，达到1.4×10⁸ J/kg，约为汽油的3倍；气体燃料使用J/m³作为单位，与固体液体不同。[停顿] 这些数据告诉我们，选择合适的燃料对提高效率至关重要。 要点：①热值数据对比 ②氢气热值最高 ③气体燃料单位不同 时长：3 分钟 热值的理解要点 正确理解 ✓ 热值是燃料的固有属性 只与燃料的种类有关 与以下因素无关： ✗ 与燃料的质量无关 ✗ 与是否完全燃烧无关 ✗ 与放出热量的多少无关 热值不随质量、燃烧程度 而改变，它是燃料本身的属性 误区辨析 ✗ 错误观点： "无烟煤的热值比干木柴大， 完全燃烧时放出的热量 一定比干木柴多" 正确分析： 放出热量还与质量有关 Q放 = q × m 热值大≠放热多（取决于质量） 14.3 热机的效率 | P09 [过渡] [互动] 现在请大家思考一个容易犯的错误——有人认为无烟煤的热值比干木柴大，完全燃烧时放出的热量一定比干木柴多。你认为对吗？ [停顿] 这个说法是错误的！因为 Q放 = q × m，放出的热量不仅取决于热值，还取决于燃料的质量。[停顿] 热值是燃料的固有属性，与质量、是否完全燃烧、放出的热量多少都无关——这是同学们必须牢记的要点。 要点：①热值是固有属性 ②与质量/燃烧程度无关 ③Q放 = q × m 决定放热多少 时长：3 分钟 能量的流失 §14.3 关键事实 燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要少 而且有效利用的热量又比放出的热量要少 例如：用煤烧水 有效利用的只是被水吸收的热量；高温烟气带走相当一部分热量；还有一部分直接散失 提高燃料利用率 把煤磨成煤粉或煤粒加大与氧气接触面积，吹空气进炉膛，燃烧更充分 能量流向（简化版） 燃料化学能 有用功 废气带走（最多） 散热损失 图14.3-2 燃料化学能的转化 热机中： 燃料燃烧释放的热量 只有一部分用来做 有用功 还有相当一部分 能量散失了 14.3 热机的效率 | P10 [过渡] [互动] 现在我们来回答导入时提出的问题——燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？ 答案是不能！[停顿] 燃料很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的要少；而且有效利用的热量又比放出的热量要少。比如用煤烧水，只有被水吸收的热量是有效利用的，高温烟气带走相当一部分，还有一部分直接散失了。 看这张能量流向图——燃料化学能中，只有一部分变成了有用功，废气带走的能量最多，还有散热损失和摩擦损失。[停顿] 那如何减少这些损失呢？把煤磨成煤粉加大与氧气的接触面积，燃烧更充分。 要点：①热量无法完全利用 ②三大损失来源 ③提高燃烧充分性的方法 时长：4 分钟 热机的效率 热机的效率 用来做有用功的这部分能量， 与燃料完全燃烧放出的热量之比 效率的意义 热机性能的重要指标 效率高的优势 做功同样多，消耗燃料少，节约能源、减少污染 14.3 热机的效率 | P11 [过渡] 既然热量无法完全利用，我们需要用一个物理量来衡量热机对能量的利用程度——这就是热机的效率。 [停顿] 热机的效率定义为：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比。公式 η = W有用 / Q放。 [停顿] 效率是热机性能的重要指标。效率高的热机，做同样多的功消耗的燃料少，从而节约能源、减少污染。 要点：①效率定义（有用功/总热量） ②核心公式 ③效率是性能指标 时长：3 分钟 各种热机的效率 蒸汽机 6%~15% 15% 汽油机 20%~40% 40% 柴油机 30%~45% 45% 为什么内燃机效率比蒸汽机高？ 内燃机中，燃料在气缸内部燃烧， 燃料与空气混合充分，燃烧比较充分 14.3 热机的效率 | P12 [过渡] [数据] 让我们来看看各种热机的效率数据。 蒸汽机效率最低，只有6%~15%；汽油机效率20%~40%；柴油机效率30%~45%。[停顿] 为什么内燃机效率比蒸汽机高？因为燃料在气缸内部燃烧，与空气混合充分，燃烧更充分。 [互动] 请同学们观察这些进度条——从蒸汽机到柴油机，效率逐步提升，这正是热机技术不断改进的结果。 要点：①三种热机效率数据 ②内燃机效率更高的原因 ③效率逐步提升趋势 时长：3 分钟 提高热机效率的途径 ① 充分燃烧 加大燃料与氧气 接触面积 把煤磨成煤粉或煤粒 加大与氧气接触面积 吹空气进炉膛 燃料与空气混合充分 燃烧更充分 ② 利用废气 废气带走的能量 最多 设法利用废气能量 提高燃料利用率的重要措施 热电站 既供电又供热 燃料利用率大大提高 ③ 减少损失 减少散热损失 减少摩擦损失 不断改进和创新 以减少各种能量损失 14.3 热机的效率 | P13 [过渡] 那如何进一步提高热机效率呢？主要有三个途径。 第一，充分燃烧——加大燃料与氧气的接触面积，把煤磨成煤粉或煤粒，吹空气进炉膛。第二，利用废气——废气带走的能量最多，设法利用废气是提高燃料利用率的重要措施，热电站既供电又供热，效率大大提高。第三，减少损失——减少散热和摩擦损失，不断改进和创新。 要点：①充分燃烧 ②利用废气（热电站） ③减少散热与摩擦 时长：3 分钟 从火车到火箭 — 热机发展历程 17世纪 蒸汽机 在锅炉里把水烧成水蒸气，推动活塞做功 效率很低 6%~15% 图14.3-3 "火箭号" 1782年 瓦特蒸汽机 瓦特发明往复式蒸汽机使蒸汽机可广泛使用使蒸汽机可广泛使用 对工业发展起极重要作用 斯蒂芬森研制 "火箭号"蒸汽机车 1884年 汽轮机 高温高压水蒸气 喷射到叶片上 带动大型发电机 1883/1892 内燃机 汽油机1883年发明 柴油机1892年发明 轻便！效率高！ 对交通运输现代化 起决定性作用 20世纪40年代 喷气发动机 空气喷气发动机 需大气中氧气助燃 向后喷出高速气体 现代 火箭发动机 自带燃料和氧化剂 不需要空气 可在大气层外工作 14.3 热机的效率 | P14 [过渡] 让我们回顾热机的发展历程——从火车到火箭。 [停顿] 17世纪人类发明蒸汽机——在锅炉里把水烧成水蒸气推动活塞做功。1782年瓦特发明往复式蒸汽机，斯蒂芬森研制"火箭号"蒸汽机车。1884年汽轮机出现，带动大型发电机。1883年和1892年，汽油机和柴油机先后发明，内燃机轻便高效，对交通运输现代化起决定性作用。20世纪40年代，喷气发动机开始用于飞机。火箭发动机自带燃料和氧化剂，可在大气层外工作。 要点：①蒸汽机→汽轮机→内燃机→喷气→火箭 ②效率逐步提升 ③应用场景不断扩展 时长：4 分钟 从火车到火箭 中国航天 — 从"航天之父"到航天强国 钱学森（1911—2009） "中国航天之父" 在钱学森的带领下， 一代代中国航天人不断发展火箭技术 将人造卫星、宇宙飞船、空间站等送入太空 图14.3-4 钱学森 长征五号火箭 火箭上使用的喷气发动机 自带燃料和氧化剂 工作时不需要空气 使我国成为航天强国 ⭐ 图14.3-5 长征五号火箭发射 14.3 热机的效率 | P15 [过渡] [互动] 同学们，你们知道"中国航天之父"是谁吗？ 钱学森（1911—2009），在他的带领下，一代代中国航天人不断发展火箭技术，将人造卫星、宇宙飞船、空间站等送入太空。[停顿] 看这张长征五号火箭发射的图片——火箭发动机自带燃料和氧化剂，不需要空气，可以在大气层外工作。这使我国成为航天强国！ 要点：①钱学森贡献 ②火箭发动机特点 ③我国成为航天强国 时长：2 分钟 课堂小结 热机的 效率 1 燃料的热值 定义：完全燃烧放出的热量与质量之比 公式：Q放 = q × m 单位：J/kg / J/m³ 热值是燃料的固有属性 2 热机的效率 定义：有用功能量 / 完全燃烧放出的热量 公式：η = W有用 / Q放 蒸汽机6%~15% 汽油机20%~40% 柴油机30%~45% 3 提高效率途径 ①充分燃烧（加大接触面积） ②利用废气（热电站） ③减少散热与摩擦损失 4 从火车到火箭 蒸汽机 → 汽轮机 → 内燃机 → 气发动机 → 火箭 中国航天强国 ⭐ 14.3 热机的效率 | P16 [过渡] 让我们来回顾今天的学习内容。 核心主题是"热机的效率"，有四个分支：①燃料的热值——定义、公式、单位和热值表；②热机的效率——定义、公式和各种热机的效率数据；③提高效率的途径——充分燃烧、利用废气、减少损失；④从火车到火箭——热机发展历程与中国航天成就。 要点：①知识框架图 ②四大分支梳理 ③核心概念串联 时长：2 分钟 拓展思考 提高热机效率的社会意义 节约能源 效率高的热机消耗燃料少，做功同样多时更省燃料 减少污染 减少废气排放和碳排放，保护环境 科技创新 不断改进和创新热机设计，减少各种能量损失 可持续发展 联系新能源汽车、节能环保，践行低碳生活 国家战略 我国3.2亿辆燃油汽车，内燃机效率提高1%的节油意义重大 14.3 热机的效率 | P17 [过渡] 最后，让我们思考提高热机效率的社会意义。 [互动] 提高热机效率不仅是物理问题，更是社会问题。第一，节约能源——效率高的热机消耗燃料少。第二，减少污染——减少废气排放和碳排放。第三，科技创新——不断改进热机设计。第四，可持续发展——新能源汽车、节能环保。第五，国家战略——我国3.2亿辆燃油汽车，内燃机效率提高1%，每年可节约大量燃油！ 要点：①节能 ②减污 ③创新 ④可持续发展 ⑤国家战略意义 时长：2 分钟 练习与应用 1 有人认为，无烟煤的热值比干木柴大，完全燃烧时无烟煤放出的热量比干木柴多。 你认为呢？说说理由。 2 某人提着一袋质量为 5 kg 的大米，从 1 层步行至 5 层，每层楼的层高为 3 m。 他对大米做了多少功？要使汽油完全燃烧放出等量热量，需多少汽油？ 3 干木柴跟煤油完全燃烧时放出的热量相等，那么干木柴的质量应该是煤油质量的几倍？ 请列出相关计算式来说明理由。 4 截至2024年底，我国燃油汽车保有量约 3.2 亿辆。假设每辆每年耗油 1.8 t， 内燃机效率平均值取 30%。如果能把内燃机效率提高 1%， 我国每年可以节约多少燃油？ 5 提高热机的效率具有哪些积极意义？ 请列出回答这个问题的提纲。 14.3 热机的效率 | P18 [过渡] 请同学们完成以下练习。 第一题辨析热值与放热的关系——热值大不等于放热多。第二题计算做功和所需汽油质量。第三题比较干木柴与煤油的质量比。第四题估算全国节油量——这是一个很有意义的实际计算！第五题列出提高热机效率积极意义的提纲。 [停顿] 这些题目将帮助大家巩固今天所学的知识。 要点：①五道练习题 ②热值与放热辨析 ③实际应用计算 时长：3 分钟 $