2.1 热机（举一反三·讲义）物理新教材教科版九年级上册

本初中物理讲义围绕热机展开，从利用内能做功的实验入手，梳理能量转化过程，进而介绍内燃机的发展、定义及分类，重点讲解汽油机四冲程的工作原理、能量转化及工作特点，通过情景导入、实验演示、例题变式及跨学科实践构建完整知识支架。 资料亮点在于注重科学探究与物理观念培养，通过“小小热机”实验、自制水火箭等跨学科实践，结合汽车、礼花弹等生活实例，引导学生理解能量转化，培养模型建构与科学推理能力。课中辅助教师实验教学，课后通过分层作业帮助学生查漏补缺，强化知识应用。

2.1 热机模块一 知识框架 模块二 知识精讲 情景导入 播放视频： 汽车风驰电掣、舰船劈波斩浪、飞机凌空穿云、火箭发射升空 设问：“火车、轮船、汽车是常见的交通运输工具，你知道它们的动力来自哪里吗？它们工作过程中能量是如何转化的呢？” 引导思考，学生回答（发动机、燃料、汽油、柴油、蒸汽……） 过渡： 这些动力装置的核心叫作“热机”。今天我们就来揭开热机的神秘面纱。 知识归纳 【知识点1 利用内能做功】 1．实验演示：“小小热机” 实验装置： 锥形瓶、带小孔的胶塞、纸做的小叶轮、酒精灯 操作步骤： 在锥形瓶内装适量水，用带小孔的胶塞塞住，在小孔上方放小叶轮，加热锥形瓶使水沸腾 现象展示： 叶轮转动起来 现象分析：酒精燃烧把化学能转化为 内 能，传递给水，使水的内能增加，水沸腾产生高温高压的水蒸气，气流对小叶轮 做功 ，水蒸气的内能转化为小叶轮的 机械 能。 2．热机的定义：通过燃料燃烧获取内能并将其转化为机械能的装置。 3．能量的变化情况： 除了利用内能做功外，内能的另一个应用是加热物体。 【例1】试管中装入适量的水，试管口塞子塞住，酒精灯对试管加热一段时间后，塞子冲出去，则（　　） A.加热过程中酒精的化学能全部转化为水的内能 B.塞子冲出前，试管内气体压强不断减小 C.塞子冲出时，试管内气体温度不变 D.塞子冲出时，塞子增加的机械能是由试管内气体的内能转化而来的 【答案】D 【解析】A．用酒精灯加热的过程中存在热损失，有部分热量传递给空气，因此酒精的化学不可能全部转化为水的内能，故A不符合题意； B．塞子冲出前，试管内的水不停地吸收热量，内能会增加，温度会升高，气体含量增加，试管内的压强会变大，故B不符合题意； CD．塞子冲出时，试管内的水蒸气对塞子做功，将水蒸气的内能转化为塞子的机械能，水蒸气的内能会减小，温度会降低，故C不符合题意，D符合题意。 故选D。 【变式1-1】如图所示是实践小组同学用塑料瓶制作的水火箭。他们先在瓶里装适量水，然后将带有喷嘴的橡胶塞插入瓶塞，旋紧瓶塞后用打气筒往瓶里打足气；当橡皮塞脱落时，水从火箭尾部瓶口向下喷出，水 火箭向上飞向空中。下列有关说法正确的是（　　） A.打气后气筒会发热，这是通过热传递改变气筒的内能 B.水火箭升空时与热机做功冲程工作原理相似 C.水火箭喷水上升过程中瓶内气体温度升高 D.水火箭升空时受到向上的推力，推力的施力物体是空气 【答案】B 【解析】 A．打气后气筒发热，是由于压缩气体做功，使气筒内壁和气体的内能增加，温度升高，这是通过做功的方式改变内能，而不是热传递，故A错误； B．水火箭升空时，水向下喷出，火箭获得向上的反作用力，这与热机做功冲程中高温高压气体推动活塞对外做功的原理相似，都是利用反冲作用实现能量转化，故B正确； C．水火箭喷水上升过程中，瓶内气体对外做功，内能减小，温度会降低，而不是升高，故C错误； D．水火箭升空时受到向上的推力，是由于水向下喷出时，火箭受到水对它的反作用力，这个推力的施力物体是喷出的水，而不是空气，故D错误。 故选B。 【变式1-2】在学校的“跨学科实践”活动中，小王参加了“自制简易热机”的活动项目，他准备了以下材料：一个空易拉罐，一根吸管，一台小风扇，一个酒精灯。 ①在易拉罐内加入少量的水； ②用一小块泡沫和密封胶，将易拉罐的口封住。将易拉罐平放在支架上； ③在易拉罐的左侧底部开一小孔，将吸管的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，如图（操作过程中要注意安全）； ④将小风扇平放在支架上，中性笔正对小风扇扇叶中心偏上，点燃酒精灯加热易拉罐，观察到水沸腾后有“白气”喷出，小风扇转动，看到的“白气”是________（选填“水蒸气”或“小水滴”），水沸腾过程中内能________（选填“增大”“减小”或“不变”），实现“小风扇转动”的能量转化。 【答案】小水滴 增大 内能转化为机械能 【详解】看到的“白气”是水蒸气液化形成的小水滴，水蒸气本身无色透明无法直接观察到。 水沸腾过程中持续吸收热量，虽然温度保持不变，但吸收了热量，导致其内能增大，部分水汽化。 高温水蒸气喷出推动小风扇转动，是将内能转化为机械能的过程。 【知识点2 内燃机】 1．常见热机种类及发展历程： 蒸汽机（最早的热机） → 蒸汽轮机 → 内燃机（汽油机、柴油机） → 喷气发动机 → 火箭发动机 2．内燃机的定义与分类： （1）实验演示：在透明塑料盒上钻一个小孔，把电子式火花发生器的放电针插进孔中，打开盒盖，在盒中滴入几滴酒精，然后点火，酒精在盒子単剧烈燃烧，产生爆炸，把盖子顶飞，燃气推动盖子做功。 结论：燃料在汽缸内燃烧，产生的燃气直接推动活塞做功。 （2）内燃机定义：燃料直接在汽缸内燃烧，产生高温高压的燃气，直接推动活塞做功的热机。 （3）分类：汽油机：以汽油为燃料 柴油机：以柴油为燃料 3．汽油机的构造： 【例2】如图是高空礼花弹的结构原理图。用火点燃引线后，燃烧的引线会把发射药引燃，产生高温高压气体，将礼花弹打出发射筒并飞向高空，延期引线在空中点燃礼花弹，从而绽放出绚丽的烟花。下列说法正确的是（　　） A.用火点燃引线后，通过做功的方式把发射药引燃 B.发射药燃烧过程中，剩余发射药的热值会逐渐减小 C.气体将礼花弹打出发射筒的过程中，内能转化为机械能 D.礼花弹升空的过程中，重力势能转化为动能 【答案】C 【详解】A．用火点燃引线，是通过热传递的方式使发射药温度升高达到燃点被引燃，故A错误； B．燃料的热值是指燃料完全燃烧放出的热量与其质量的比值，其大小只与燃料的种类有关，故B错误； C．气体将礼花弹打出发射筒的过程中气体的内能减小，转化为礼花弹的机械能，故C正确； D．礼花弹升空的过程中，速度增大，动能增大，高度增加，重力势能都增加，所以不是重力势能转化为动能，故D错误。 故选C。 【变式2-1】 图中所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，下列说法正确的是（　　） A.蜡烛燃烧时将内能转化为化学能 B.蜡烛燃烧加热空气是通过做功改变物体内能 C.蜡烛燃烧产生的能量全部转化为纸片小人的机械能 D.热空气驱动扇叶转动过程中的能量转化与四冲程汽油机的做功冲程相似 【答案】D 【详解】A．蜡烛燃烧是将化学能转化为内能，而不是内能转化为化学能，故A错误； B．蜡烛燃烧加热空气是通过热传递改变物体内能，并非做功，故B错误； C．蜡烛燃烧产生的能量一部分转化为空气的内能，一部分转化为机械能，并不是全部转化为纸片小人的机械能，故C错误； D．热空气驱动扇叶转动是将内能转化为机械能，四冲程汽油机的做功冲程也是将内能转化为机械能，二者能量转化相似，故D正确。 故选D。 【变式2-2】跨学科实践：制作简易汽轮机模型。 【项目提出】 （1）热机对人类文明发展起着重要的推动作用。同学们成立了制作简易汽轮机模型的项目团队，制作简易汽轮机模型。 【项目实施】 （2）设计并制作：设计方案如图所示。向易拉罐内部注入大约半罐水，将去掉笔芯和尾塞的中性笔的尾端插入易拉罐内，用橡皮泥将罐的开口处密封。将易拉罐放置在支架上，笔的尖端对准小风扇的扇叶。 （3）测试实验：点燃易拉罐下面的酒精灯，当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 ①汽轮机模型工作过程的能量转化情况为：化学能→________→________。 ②此汽轮机模型属于________（填“内”或“外”）燃机。 【答案】 内能 机械能 外 【详解】点燃酒精灯，酒精燃烧，化学能转化为水的内能，水吸热汽化形成水蒸气，水蒸气喷出时推动扇叶转动，内能转化为机械能，所以汽轮机模型工作过程的能量转化情况为：化学能→内能→机械能。内燃机是燃料在气缸内燃烧的热机，而此汽轮机模型中，燃料（酒精）在易拉罐外部燃烧，属于外燃机。 【知识点3 汽油机的工作过程】 1．冲程的概念： 活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。 2．汽油机工作的四冲程： 冲程名称 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 示意图 进气门 打开 关闭 关闭 关闭 排气门 关闭 关闭 关闭 打开 活塞运动方向 向下 向上 向下 向上 能量转化 无 机械能→内能 内能→机械能 无 备注 吸入汽油和空气混合物 燃料混合物被压缩，温度升高，内能增大 火花塞点火，燃料猛烈燃烧，推动活塞做功 排出废气 3．工作特点： （1）内燃机的一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，在一个循环过程中曲轴和飞轮转2周，活塞往复2次，对外做1次功。 （2）除做功冲程外，其余三个冲程靠飞轮的惯性来完成。 【例3】如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁 B．图乙冲程是做功冲程 C．图甲冲程是将所有的内能转化为机械能的过程 D．图丁冲程是机械能转化为内能的过程 【答案】D 【解析】 ABD．甲图中两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程，此冲程将内能转化为机械能；乙图中进气门打开，活塞向下运行，气缸容积增大，是吸气冲程；丙图中排气门打开，活塞向上运动，气缸容积减小，是排气冲程；丁图中两个气门都关闭，活塞向上运动，所以为压缩冲程，是机械能转化为内能。一个工作循环的正确顺序是：乙丁甲丙，故AB错误，D正确； C．甲图为做功冲程，此冲程将内能转化为机械能，但转化过程中会有能量损失，因此不可能所有的内能都转化为机械能，故C错误。 故选D。 【变式3-1】2026年3月28日国产摩托“张雪机车”首次在全球比赛夺冠，打破欧美日数十年垄断。如图所示是内燃机工作的四个冲程示意图，其中高温高压气体推动活塞对外做功的冲程是（　　） A. B. C. D. 【答案】C 【详解】内燃机做功冲程的特点是：两个气门全部关闭，火花塞点火，高温高压气体推动活塞向下运动，对外做功。 A．进气门打开，排所门关闭，活塞向下运动为吸气冲程，故A不符合题意； B．两个气门关闭，但活塞向上运动，是压缩冲程，故B不符合题意； C．两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，因此符合做功冲程的特点，故C符合题意； D．进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，是排气冲程，故D不符合题意。 故选C。 【变式3-2】如图所示是某插秧机使用的四冲程汽油机，此时该汽油机处于        冲程，若飞轮的转速是3000r/min，则每秒钟对外做功        次； 【答案】压缩 　　 25 【解析】观察图片，进气门、排气门关闭，活塞向上运动，压缩汽缸内气体，所以是压缩冲程。 汽油机的转速为3000r/min，说明1s内汽油机曲轴的转动50r，因为一个工作循环中，曲轴转动两周，对外做功一次，所以1s内对外做功25次。 模块三 课后作业 一、选择题： 1．如图所示、古人利用牛角筒和燃烧的艾草制作简易装置，艾草燃烧产生的高温高压气体推动筒内部件向外运动。“筒内部件被燃气推动”的能量转化方式，与汽油机的哪个冲程相同（　　） A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程 【答案】C 【详解】高温高压燃气推动筒内部件向外运动，是将燃气的内能转化为部件的机械能。 汽油机的四个冲程中：吸气、排气冲程无能量转化；压缩冲程将机械能转化为内能；做功冲程是高温高压燃气推动活塞做功，将内能转化为机械能，与题干的能量转化方式相同，故选C。 2．跨学科实践活动中，合作小组利用易拉罐自制了简易“蒸汽机”。点燃蜡烛，给易拉罐中的水加热。喷嘴喷出的蒸汽成功让风车旋转。下列说法正确的是（　　） A.蜡烛燃烧时，内能转化为化学能 B.水的温度升高时，其比热容变大 C.为提高蒸汽机效率，可加大火量 D.该实验展现热机做功冲程的能量转化 【答案】D 【详解】A．蜡烛燃烧是化学反应，所以是化学能转化为内能，故A错误； B．比热容是物体的特性，不会随着温度的改变而改变。所以水的温度升高时，比热容不变，故B错误； C．热机效率是指做有用功的能量与放出总能量的比值，加大火量只会增加燃料燃烧时候的总能量，不能提升热机效率，故C错误； D．热机做功冲程是将内能转化成机械能的过程，图中的能量转化也是内能到机械能，所以该实验可以展现热机做功冲程的能量转化，故D正确。 故选D。 3．课外活动中，小亮将刚喝完水的空矿泉水瓶的瓶盖拧上但不拧紧，用手握住瓶子的上下两部分，用力迅速拧成如图所示状态时，瓶盖被弹出并伴有爆响声，同时瓶口内出现白雾。关于上述过程，下列说法错误的是（　　） A.矿泉水瓶被用力拧成图示形状，说明力可以使物体发生形变 B.瓶盖弹出前，瓶内气体含有的热量增多 C.瓶盖弹出前，拧瓶子的过程与汽油机的压缩冲程类似 D.瓶盖被弹出时，瓶内压缩气体的内能转化为瓶盖的机械能 【答案】B 【详解】 A．由图可知，矿泉水瓶在力的作用下发生形状改变，说明力可以使物体发生形变，故A正确，不符合题意； B．热量是过程量，不能用“含有”描述，故B错误，符合题意； C．瓶盖弹出前，拧瓶子时压缩瓶内气体做功，将机械能转化为瓶内气体的内能，汽油机的压缩冲程也是将机械能转化为内能，二者原理类似，故C正确，不符合题意； D．瓶盖被弹出时，瓶内被压缩的气体对瓶盖做功，将自身的内能转化为瓶盖的机械能，故D正确，不符合题意。 故选B。 4．如图所示为礼宾花结构图，用力旋转纸筒时，气阀被打开，气罐里的压缩空气将纸筒里的彩条高高喷射而出，缤纷绚丽。下列关于彩条被喷出的原因说法正确的是（　　） A.用力旋转纸筒使气罐内气体的内能减小 B.罐内气体将彩条喷出会使气体内能减小 C.罐内气体将彩条喷出会使气体温度升高 D.喷出彩条与热机压缩冲程能量转化相同 【答案】B 【详解】A．用力旋转纸筒的作用是打开气阀，该过程并未使气罐内气体的内能减小，故A错误； BC．在喷出彩条的过程中，罐内的压缩空气对彩条做功，将内能转化为机械能，会使罐内气体内能减少，温度降低，故B正确，C错误； D．喷出彩条的能量转化是内能转化为机械能；热机压缩冲程是活塞压缩气体，能量转化是机械能转化为内能，二者能量转化不同，故D错误。 故选B。 5．我国古人曾发明一种点火器，以牛角为套筒，把艾绒粘在木质推杆前端，其结构如图所示。取火时一只手握住套筒，另一只手向内猛推推杆，推杆前端的艾绒就会被点燃，拔出推杆后，吹吹艾绒就有火苗产生。关于艾绒被点燃的过程，下列说法不正确的是（　　） A.向内猛推推杆的过程与内燃机的压缩冲程相似 B.艾绒燃烧时将化学能转化为内能 C.向内猛推推杆的过程将内能转化为机械能 D.向内猛推推杆过程中的能量转化与钻木取火的能量转化相同 【答案】C 【详解】A．向内猛推推杆时，推杆对筒内空气做功，将机械能转化为空气的内能；内燃机压缩冲程中，活塞对气缸内气体做功，也是机械能转化为内能，二者过程相似，故A正确； B.艾绒燃烧时，将自身储存的化学能转化为内能，释放热量，故B正确； C.向内猛推推杆的过程中，推杆的机械能转化为筒内空气的内能，是机械能转化为内能，不是内能转化为机械能，故C错误； D.钻木取火通过摩擦做功，将机械能转化为内能，和向内猛推推杆的能量转化相同，故D正确。 故选C。 6．如图1为物理老师自制的水火箭结构示意图，如图2为使用打气筒向水火箭内不断打气示意图，当水面上方压强增大到一定程度时，会使水向下喷出，从而使水火箭升空。结合材料，你认为以下说法正确的是（　　） A.利用打气筒向水火箭内打气，水火箭中空气的内能增大 B.打气筒将空气压入水火箭内的能量转化过程与汽油机的做功冲程相同 C.水喷完后，水火箭继续上升的过程中机械能不变 D.水火箭加速升空的过程中水的比热容增大 【答案】A 【详解】A．利用打气筒向水火箭内打气时，压缩瓶内空气做功，机械能转化为空气的内能，水火箭中空气的内能增大，故A正确； B．打气筒将空气压入水火箭内的能量转化是机械能转化为内能，汽油机做功冲程的能量转化是内能转化为机械能，二者能量转化过程不同，故B错误； C．水喷完后，水火箭继续上升的过程中，需要克服空气阻力做功，部分机械能转化为其他形式的能，因此水火箭的机械能减小，故C错误； D．比热容是物质的固有特性，只与物质的种类和状态有关，与水火箭的运动状态无关，因此水的比热容不变，故D错误。 故选 A。 7．如图所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，把水加热至沸腾一段时间后，塞子会冲出去。有关塞子冲出过程中的能量转化形式与下图所示汽油机的四个冲程的说法中正确的是（　　） A．塞子冲出过程中的能量转化形式与甲图的能量转化情况相同 B．若该汽油机飞轮转速是1200r/min，则每2s对外做功20次 C．该汽油机一个工作循环有四个冲程，正确的顺序是乙、丁、甲、丙 D．靠惯性完成的冲程是甲、乙、丁 【答案】B 【解析】A．塞子冲出过程中，试管内的气体推动塞子做功，内能转化为机械能，图甲是压缩冲程，机械能转化为内能，两者的能量转化形式不同，故A错误； B．若该汽油机飞轮转速是1200r/min=20r/s，则每秒曲轴转动20r，完成10个工作循环，对外做功10次，每2s对外做功20次，故B正确； C．甲为压缩冲程，乙为吸气冲程，丙为排气冲程，丁为做功冲程，该汽油机一个工作循环有四个冲程，正确的顺序是乙、甲、丁、丙，故C错误； D．除做功冲程外，其它三个冲程都靠惯性完成，所以，靠惯性完成的冲程是甲、乙、丙，故D错误。 故选B。 二、填空题 8．在安全教育活动中，老师用图示装置演示面粉爆炸现象。面粉被吹入塑料桶后，遇到火焰爆燃，桶口的硬纸板被迅速弹飞。面粉燃烧释放的内能转化为硬纸板的________，该过程相当于汽油机工作时的________冲程。 【答案】机械能/动能 做功 【详解】硬纸板被冲起，面粉燃烧释放的内能转化为硬纸板的机械能。汽油机的做功冲程也是将内能转化为机械能，它们的能量转化情况相同。 9．汽油机是热机的一种，如图甲所示是一台单缸四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出，此冲程的能量转化情况与________（选填“乙”或“丙”）图相同。若汽油机1s内对外做功15次，则其曲轴的转速为________r/min。为了降低汽油机汽缸的温度，汽缸外有一个水箱体，使汽缸被水包围着，这是通过________的方式减少汽缸的内能。 【答案】乙 1800 热传递 【详解】图甲中两气门关闭，火花塞点火且活塞向下运动，是做功冲程，将内能转化为机械能，图乙中水蒸气膨胀做功将塞子冲出，也是内能转化为机械能，故能量转化情况与乙图相同。 四冲程汽油机每完成一个工作循环对外做功1次，曲轴转动2圈。已知1s内对外做功15次，则1min内做功 次，故曲轴转速为 。 汽缸被水包围，热量从高温的汽缸传递给低温的水，这是通过热传递的方式减少汽缸的内能。 10．某同学在课上分享了小组合作完成的“自制简易热机模型”，向易拉罐内注入大约半罐水，点燃易拉罐下方的酒精灯，罐内的水蒸气通过笔外尖端处喷出，推动风扇转动。 （1）原理分析：水蒸气推动扇叶转动时发生的能量转化与汽油机的______冲程相同。若一台单四冲程汽油机的飞轮转速是2400r/min，1秒内将完成______个做功冲程； （2）实验改进：同学们在测试过程中，发现加热很长时间后，扇叶才开始转动。针对此情况，下列可行的改进方法是（　　）（填字母） A.将酒精灯垫高 B.增加易拉罐中水的质量 C.提高水的初温 【答案】（1） 做功 20 （2）C 【详解】（1）水蒸气推动扇叶转动时，将水蒸气的内能转化为扇叶的机械能，这和汽油机做功冲程的能量转化一致。 汽油机飞轮转速 四冲程汽油机每飞轮转2圈，完成1个做功冲程，因此1秒内做功冲程数量为个。 （2）A．垫高酒精灯不会改变水吸热的速率，如果不能外焰加热，会增加加热时间，故A不符合题意； B．增加水的质量，水升温到沸腾需要吸收更多热量，会延长加热时间，故B不符合题意； C．提高水的初温，水升高到沸腾需要升高的温度更小，所需吸收的热量更少，可以缩短加热时间，故C符合题意。 故选C。 11． 如图A，迅速来回拉动绳子看到塞子被顶出，塞子被顶出过程的能量转化相当于B图中的________（选填“甲”“乙”“丙”或“丁”）冲程能量转化过程。若四缸四冲程柴油机的转速为3000r/min；1s内该缸对外做功________次。 【答案】 乙 25 【详解】图A中塞子被顶出时，是气体的内能转化为塞子的机械能，对应四冲程汽油机的做功冲程。 对B图冲程判断： 甲中排气门打开，活塞向上，是排气冲程； 乙中气门都关闭，活塞向下，火花塞点火，是做功冲程，内能转化为机械能，和塞子被顶出的能量转化一致； 丙中进气门打开，活塞向下，是吸气冲程； 丁中气门都关闭，活塞向上，是压缩冲程，机械能转化为内能。 柴油机转速 即每秒飞轮转50转。四冲程柴油机每飞轮转2圈，单个气缸对外做功1次，因此1s内该缸对外做功次。 三、实验题 12．热机是获取动力的主要机械，广泛应用于生产生活中。某科技小组在跨学科实践活动中，制定了以下学习流程。 项目提出及项目分析 （1）研究热机的工作原理。 如图甲所示，试管中的水沸腾后，橡胶塞被冲出，水蒸气的_____能转化为橡胶塞的______能，此过程与汽油机的_____冲程原理相同。在加热过程中，酒精灯内剩余酒精的热值______（选填“增大”“减小”或“不变”）。 项目实施 （2）受上述实验启发，如图乙所示，小华在易拉罐内注入大约半罐水，将去掉笔芯和尾塞的笔管尾端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐放在金属圈上并固定。笔管的尖端对准小风车的扇叶。点燃酒精灯，易拉罐中水的内能增加是通过_______的方式实现的，此过程______（选填“遵循”或“不遵循”）能量守恒定律。当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 项目延伸 （3）展示交流后，小聪又用塑料矿泉水瓶进行了如下探究：瓶中留有少量水，盖上瓶盖。如图丙所示扭转瓶子，轻轻松动瓶盖，瓶盖被瓶内的气体冲出，同时出现“白雾”。“白雾”是水蒸气_____（填物态变化名称）形成的。 【答案】（1）内 机械 做功 不变 （2）热传递 遵循 （3）液化 【详解】（1）试管内水蒸气推动橡胶塞冲出时，水蒸气对塞子做功，自身的内能转化为橡胶塞的机械能； 汽油机的做功冲程也是内能转化为机械能，因此原理相同； 热值是燃料本身的特性，只与燃料的种类有关，与质量无关，因此酒精灯内剩余酒精的热值不变。 （2）酒精灯加热过程中，热量从酒精灯传递给易拉罐和水，是通过热传递的方式改变水的内能； 能量守恒定律是自然界的普遍规律，所有能量转化或转移过程都遵循能量守恒定律。 （3）瓶盖被冲出时，瓶内气体对外做功，内能减小、温度降低，瓶内气态水蒸气遇冷变为液态小水滴，也就是“白雾”，这个物态变化是液化。 13。跨学科实践：制作简易蒸汽机模型 【项目提出】 同学们成立了制作简易蒸汽机模型的项目团队，制作简易蒸汽机模型。 【项目实施】 （1）设计并制作：模型如图所示。 ①在完好的无汽饮料易拉罐侧壁上切一个三角形的角，将三角形角的罐壁挑起，形成一个喷嘴A。用同样的方法在易拉罐另一侧切出另一个喷嘴B。将易拉罐中的液体从喷嘴处全部倒出。 ②用尖嘴钳将易拉罐的拉环弯折，注意不要把罐口拉开。 ③把细绳系在拉环上，将易拉罐悬挂在铁架台上。向易拉罐中注入30mL水。 （2）测试实验： 待易拉罐静止后，用酒精灯外焰加热易拉罐底部，为实现最好的加热效果，调整易拉罐到合适的高度。罐中的水沸腾时，水蒸气从喷嘴喷出，易拉罐便开始旋转。 【项目交流】 （3）蒸汽机_____（选填“属于”或“不属于”）内燃机。 （4）易拉罐中的水持续沸腾的过程中，罐中液态水的内能______（选填“减少”“不变”或“增加”）。水蒸气喷出的过程中，水蒸气内能_______（选填“减少”“不变”或“增加”），温度_______（选填“降低”“不变”或“升高”）。 （5）若在测试过程中，保持其他条件不变，将罐口拉开一个小口，则易拉罐转动的速度会______；若在测试过程中，保持其他条件不变，调高易拉罐的高度，则易拉罐转动的速度会_______。（两空均选填“变慢”“不变”或“变快”） 【答案】（3）不属于 （4）减少 减少 降低 （5）变慢 变慢 【详解】（3）内燃机的特点是燃料在气缸内部燃烧，而蒸汽机的燃料在外部燃烧，属于外燃机，因此蒸汽机不属于内燃机。 （4）水沸腾时温度保持不变，但液态水会持续汽化为水蒸气，液态水的质量不断减少。内能与物体的质量、温度都相关，温度不变但质量减少，所以液态水的内能减少。水蒸气从喷嘴喷出时会对外做功，将内能转化为机械能，因此水蒸气的内能减少，温度降低。 （5）罐口变大后，水蒸气喷出的速度会变慢，对罐产生的反作用力减小，所以易拉罐转动的速度变慢。 调高易拉罐的高度后，酒精灯火焰对易拉罐底部的加热效果会变弱，水的沸腾程度降低，水蒸气喷出的动力减小，因此易拉罐转动的速度变慢。 第 11 页 共 18 页 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 2.1 热机模块一 知识框架 模块二 知识精讲 情景导入 播放视频： 汽车风驰电掣、舰船劈波斩浪、飞机凌空穿云、火箭发射升空 设问：“火车、轮船、汽车是常见的交通运输工具，你知道它们的动力来自哪里吗？它们工作过程中能量是如何转化的呢？” 引导思考，学生回答（发动机、燃料、汽油、柴油、蒸汽……） 过渡： 这些动力装置的核心叫作“热机”。今天我们就来揭开热机的神秘面纱。 知识归纳 【知识点1 利用内能做功】 1．实验演示：“小小热机” 实验装置： 锥形瓶、带小孔的胶塞、纸做的小叶轮、酒精灯 操作步骤： 在锥形瓶内装适量水，用带小孔的胶塞塞住，在小孔上方放小叶轮，加热锥形瓶使水沸腾 现象展示： 叶轮转动起来 现象分析：酒精燃烧把化学能转化为 能，传递给水，使水的内能增加，水沸腾产生高温高压的水蒸气，气流对小叶轮 ，水蒸气的内能转化为小叶轮的 能。 2．热机的定义：通过燃料燃烧获取内能并将其转化为机械能的装置。 3．能量的变化情况： 除了利用内能做功外，内能的另一个应用是加热物体。 【例1】试管中装入适量的水，试管口塞子塞住，酒精灯对试管加热一段时间后，塞子冲出去，则（　　） A.加热过程中酒精的化学能全部转化为水的内能 B.塞子冲出前，试管内气体压强不断减小 C.塞子冲出时，试管内气体温度不变 D.塞子冲出时，塞子增加的机械能是由试管内气体的内能转化而来的 【变式1-1】如图所示是实践小组同学用塑料瓶制作的水火箭。他们先在瓶里装适量水，然后将带有喷嘴的橡胶塞插入瓶塞，旋紧瓶塞后用打气筒往瓶里打足气；当橡皮塞脱落时，水从火箭尾部瓶口向下喷出，水火箭向上飞向空中。下列有关说法正确的是（　　） A.打气后气筒会发热，这是通过热传递改变气筒的内能 B.水火箭升空时与热机做功冲程工作原理相似 C.水火箭喷水上升过程中瓶内气体温度升高 D.水火箭升空时受到向上的推力，推力的施力物体是空气 【变式1-2】在学校的“跨学科实践”活动中，小王参加了“自制简易热机”的活动项目，他准备了以下材料：一个空易拉罐，一根吸管，一台小风扇，一个酒精灯。 ①在易拉罐内加入少量的水； ②用一小块泡沫和密封胶，将易拉罐的口封住。将易拉罐平放在支架上； ③在易拉罐的左侧底部开一小孔，将吸管的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，如图（操作过程中要注意安全）； ④将小风扇平放在支架上，中性笔正对小风扇扇叶中心偏上，点燃酒精灯加热易拉罐，观察到水沸腾后有“白气”喷出，小风扇转动，看到的“白气”是________（选填“水蒸气”或“小水滴”），水沸腾过程中内能________（选填“增大”“减小”或“不变”），实现“小风扇转动”的能量转化。 【知识点2 内燃机】 1．常见热机种类及发展历程： （最早的热机） → 蒸汽轮机 → （汽油机、柴油机） → 喷气发动机 → 火箭发动机 2．内燃机的定义与分类： （1）实验演示：在透明塑料盒上钻一个小孔，把电子式火花发生器的放电针插进孔中，打开盒盖，在盒中滴入几滴酒精，然后点火，酒精在盒子単剧烈燃烧，产生爆炸，把盖子顶飞，燃气推动盖子做功。 结论：燃料在汽缸内燃烧，产生的燃气直接推动活塞做功。 （2）内燃机定义：燃料直接在 燃烧，产生高温高压的燃气，直接推动活塞做功的热机。 （3）分类：汽油机：以 为燃料 柴油机：以 为燃料 3．汽油机的构造： 【例2】如图是高空礼花弹的结构原理图。用火点燃引线后，燃烧的引线会把发射药引燃，产生高温高压气体，将礼花弹打出发射筒并飞向高空，延期引线在空中点燃礼花弹，从而绽放出绚丽的烟花。下列说法正确的是（　　） A.用火点燃引线后，通过做功的方式把发射药引燃 B.发射药燃烧过程中，剩余发射药的热值会逐渐减小 C.气体将礼花弹打出发射筒的过程中，内能转化为机械能 D.礼花弹升空的过程中，重力势能转化为动能 【变式2-1】 图中所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，下列说法正确的是（　　） A.蜡烛燃烧时将内能转化为化学能 B.蜡烛燃烧加热空气是通过做功改变物体内能 C.蜡烛燃烧产生的能量全部转化为纸片小人的机械能 D.热空气驱动扇叶转动过程中的能量转化与四冲程汽油机的做功冲程相似 【变式2-2】跨学科实践：制作简易汽轮机模型。 【项目提出】 （1）热机对人类文明发展起着重要的推动作用。同学们成立了制作简易汽轮机模型的项目团队，制作简易汽轮机模型。 【项目实施】 （2）设计并制作：设计方案如图所示。向易拉罐内部注入大约半罐水，将去掉笔芯和尾塞的中性笔的尾端插入易拉罐内，用橡皮泥将罐的开口处密封。将易拉罐放置在支架上，笔的尖端对准小风扇的扇叶。 （3）测试实验：点燃易拉罐下面的酒精灯，当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 ①汽轮机模型工作过程的能量转化情况为：化学能→________→________。 ②此汽轮机模型属于________（填“内”或“外”）燃机。 【知识点3 汽油机的工作过程】 1．冲程的概念： 活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个 。 2．汽油机工作的四冲程： 冲程名称 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 示意图 进气门 打开 关闭 关闭 关闭 排气门 关闭 关闭 关闭 打开 活塞运动方向 能量转化 无 能→ 能 能→ 能 无 备注 吸入 燃料混合物被 ，温度 ，内能 火花塞 ，燃料猛烈 ，推动活塞 排出废气 3．工作特点： （1）内燃机的一个工作循环由 、 、 、 四个冲程组成，在一个循环过程中曲轴和飞轮转 周，活塞往复 次，对外做 次功。 （2）除做功冲程外，其余三个冲程靠飞轮的惯性来完成。 【例3】如图所示为内燃机四冲程工作示意图，下列说法正确的是（　　） A．一个工作循环的正确顺序是：甲乙丙丁 B．图乙冲程是做功冲程 C．图甲冲程是将所有的内能转化为机械能的过程 D．图丁冲程是机械能转化为内能的过程 【变式3-1】2026年3月28日国产摩托“张雪机车”首次在全球比赛夺冠，打破欧美日数十年垄断。如图所示是内燃机工作的四个冲程示意图，其中高温高压气体推动活塞对外做功的冲程是（　　） A. B. C. D. 【变式3-2】如图所示是某插秧机使用的四冲程汽油机，此时该汽油机处于        冲程，若飞轮的转速是3000r/min，则每秒钟对外做功        次； 模块三 课后作业 一、选择题： 1．如图所示、古人利用牛角筒和燃烧的艾草制作简易装置，艾草燃烧产生的高温高压气体推动筒内部件向外运动。“筒内部件被燃气推动”的能量转化方式，与汽油机的哪个冲程相同（　　） A.吸气冲程 B.压缩冲程 C.做功冲程 D.排气冲程 2．跨学科实践活动中，合作小组利用易拉罐自制了简易“蒸汽机”。点燃蜡烛，给易拉罐中的水加热。喷嘴喷出的蒸汽成功让风车旋转。下列说法正确的是（　　） A.蜡烛燃烧时，内能转化为化学能 B.水的温度升高时，其比热容变大 C.为提高蒸汽机效率，可加大火量 D.该实验展现热机做功冲程的能量转化 3．课外活动中，小亮将刚喝完水的空矿泉水瓶的瓶盖拧上但不拧紧，用手握住瓶子的上下两部分，用力迅速拧成如图所示状态时，瓶盖被弹出并伴有爆响声，同时瓶口内出现白雾。关于上述过程，下列说法错误的是（　　） A.矿泉水瓶被用力拧成图示形状，说明力可以使物体发生形变 B.瓶盖弹出前，瓶内气体含有的热量增多 C.瓶盖弹出前，拧瓶子的过程与汽油机的压缩冲程类似 D.瓶盖被弹出时，瓶内压缩气体的内能转化为瓶盖的机械能 4．如图所示为礼宾花结构图，用力旋转纸筒时，气阀被打开，气罐里的压缩空气将纸筒里的彩条高高喷射而出，缤纷绚丽。下列关于彩条被喷出的原因说法正确的是（　　） A.用力旋转纸筒使气罐内气体的内能减小 B.罐内气体将彩条喷出会使气体内能减小 C.罐内气体将彩条喷出会使气体温度升高 D.喷出彩条与热机压缩冲程能量转化相同 5．我国古人曾发明一种点火器，以牛角为套筒，把艾绒粘在木质推杆前端，其结构如图所示。取火时一只手握住套筒，另一只手向内猛推推杆，推杆前端的艾绒就会被点燃，拔出推杆后，吹吹艾绒就有火苗产生。关于艾绒被点燃的过程，下列说法不正确的是（　　） A.向内猛推推杆的过程与内燃机的压缩冲程相似 B.艾绒燃烧时将化学能转化为内能 C.向内猛推推杆的过程将内能转化为机械能 D.向内猛推推杆过程中的能量转化与钻木取火的能量转化相同 6．如图1为物理老师自制的水火箭结构示意图，如图2为使用打气筒向水火箭内不断打气示意图，当水面上方压强增大到一定程度时，会使水向下喷出，从而使水火箭升空。结合材料，你认为以下说法正确的是（　　） A.利用打气筒向水火箭内打气，水火箭中空气的内能增大 B.打气筒将空气压入水火箭内的能量转化过程与汽油机的做功冲程相同 C.水喷完后，水火箭继续上升的过程中机械能不变 D.水火箭加速升空的过程中水的比热容增大 7．如图所示，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，把水加热至沸腾一段时间后，塞子会冲出去。有关塞子冲出过程中的能量转化形式与下图所示汽油机的四个冲程的说法中正确的是（　　） A．塞子冲出过程中的能量转化形式与甲图的能量转化情况相同 B．若该汽油机飞轮转速是1200r/min，则每2s对外做功20次 C．该汽油机一个工作循环有四个冲程，正确的顺序是乙、丁、甲、丙 D．靠惯性完成的冲程是甲、乙、丁 二、填空题 8．在安全教育活动中，老师用图示装置演示面粉爆炸现象。面粉被吹入塑料桶后，遇到火焰爆燃，桶口的硬纸板被迅速弹飞。面粉燃烧释放的内能转化为硬纸板的________，该过程相当于汽油机工作时的________冲程。 9．汽油机是热机的一种，如图甲所示是一台单缸四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出，此冲程的能量转化情况与________（选填“乙”或“丙”）图相同。若汽油机1s内对外做功15次，则其曲轴的转速为________r/min。为了降低汽油机汽缸的温度，汽缸外有一个水箱体，使汽缸被水包围着，这是通过________的方式减少汽缸的内能。 10．某同学在课上分享了小组合作完成的“自制简易热机模型”，向易拉罐内注入大约半罐水，点燃易拉罐下方的酒精灯，罐内的水蒸气通过笔外尖端处喷出，推动风扇转动。 （1）原理分析：水蒸气推动扇叶转动时发生的能量转化与汽油机的______冲程相同。若一台单四冲程汽油机的飞轮转速是2400r/min，1秒内将完成______个做功冲程； （2）实验改进：同学们在测试过程中，发现加热很长时间后，扇叶才开始转动。针对此情况，下列可行的改进方法是（　　）（填字母） A.将酒精灯垫高 B.增加易拉罐中水的质量 C.提高水的初温 11． 如图A，迅速来回拉动绳子看到塞子被顶出，塞子被顶出过程的能量转化相当于B图中的________（选填“甲”“乙”“丙”或“丁”）冲程能量转化过程。若四缸四冲程柴油机的转速为3000r/min；1s内该缸对外做功________次。 三、实验题 12．热机是获取动力的主要机械，广泛应用于生产生活中。某科技小组在跨学科实践活动中，制定了以下学习流程。 项目提出及项目分析 （1）研究热机的工作原理。 如图甲所示，试管中的水沸腾后，橡胶塞被冲出，水蒸气的_____能转化为橡胶塞的______能，此过程与汽油机的_____冲程原理相同。在加热过程中，酒精灯内剩余酒精的热值______（选填“增大”“减小”或“不变”）。 项目实施 （2）受上述实验启发，如图乙所示，小华在易拉罐内注入大约半罐水，将去掉笔芯和尾塞的笔管尾端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐放在金属圈上并固定。笔管的尖端对准小风车的扇叶。点燃酒精灯，易拉罐中水的内能增加是通过_______的方式实现的，此过程______（选填“遵循”或“不遵循”）能量守恒定律。当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 项目延伸 （3）展示交流后，小聪又用塑料矿泉水瓶进行了如下探究：瓶中留有少量水，盖上瓶盖。如图丙所示扭转瓶子，轻轻松动瓶盖，瓶盖被瓶内的气体冲出，同时出现“白雾”。“白雾”是水蒸气_____（填物态变化名称）形成的。 13．跨学科实践：制作简易蒸汽机模型 【项目提出】 同学们成立了制作简易蒸汽机模型的项目团队，制作简易蒸汽机模型。 【项目实施】 （1）设计并制作：模型如图所示。 ①在完好的无汽饮料易拉罐侧壁上切一个三角形的角，将三角形角的罐壁挑起，形成一个喷嘴A。用同样的方法在易拉罐另一侧切出另一个喷嘴B。将易拉罐中的液体从喷嘴处全部倒出。 ②用尖嘴钳将易拉罐的拉环弯折，注意不要把罐口拉开。 ③把细绳系在拉环上，将易拉罐悬挂在铁架台上。向易拉罐中注入30mL水。 （2）测试实验： 待易拉罐静止后，用酒精灯外焰加热易拉罐底部，为实现最好的加热效果，调整易拉罐到合适的高度。罐中的水沸腾时，水蒸气从喷嘴喷出，易拉罐便开始旋转。 【项目交流】 （3）蒸汽机_____（选填“属于”或“不属于”）内燃机。 （4）易拉罐中的水持续沸腾的过程中，罐中液态水的内能______（选填“减少”“不变”或“增加”）。水蒸气喷出的过程中，水蒸气内能_______（选填“减少”“不变”或“增加”），温度_______（选填“降低”“不变”或“升高”）。 （5）若在测试过程中，保持其他条件不变，将罐口拉开一个小口，则易拉罐转动的速度会______；若在测试过程中，保持其他条件不变，调高易拉罐的高度，则易拉罐转动的速度会_______。（两空均选填“变慢”“不变”或“变快”） 第 12 页 共 12 页 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $