10.3热机及其工作原理（教学课件）物理新教材沪科版（五四学制）九年级上册

该初中物理课件聚焦热机定义、分类及内燃机（汽油机、柴油机）的构造和工作循环，通过汽车发动机动力来源提问导入，结合加热试管水沸腾顶出橡胶塞实验模拟热机原理，建立内能转化为机械能的知识联系。 其亮点是以物理观念（能量转化）和科学思维（对比分析）为核心，通过实验探究、对比表格（汽油机与柴油机异同）、典型例题（冲程判断、转速计算）展开教学，融入科学态度与责任（如火箭发动机应用），小结明确工作循环参数，帮助学生构建知识体系，教师可高效开展教学。

物理九年级上册 •沪科版（五•四学制） 第10章 内能 第2节 热机及其工作原理 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 了解热机及其分类；最常见的两类内燃机；知道汽油机的结构，分析汽油机的工作循环过程。掌握汽油机的工作循环中。每个冲程的特点；柴油机的结构及其工作循环过程 02 科学思维 通过热机模拟实验，建立热机基本概念，了解热机的基本工作原理。通过对比法研究汽油机和柴油机结构，并分析掌握各自工作特点。 03 科学探究 培养学生进行实验操作的技能，学会观察、记录、分析实验数据，提高科学探究能力。 04 科学态度与责任 激发学生对物理现象的好奇心，养成合作、探究的学习态度，让学生认识到热机在生活和生产中的广泛应用，以及合理利用热机对社会发展的重要意义，增强学生的社会责任感。 教学重难点 教学难点 教学重点 汽油机的工作循环过程；压缩气体改变内能实验与压缩冲程；加热封闭的试管实验与做功冲程。 汽油机与柴油机的相同点与不同点，内燃机一个工作循环的有关参数，如对外做功次数、飞轮转动周数等。 课堂引入 汽车是现代生活中常用的交通工具。发动机是汽车的核心部件（图 10-3-1 ），为汽车提供强劲的动力。这个动力从何而来？ 本节我们学习热机及其应用。 观察思考： 知识点一 热机 探索新知 自主活动 探究热机工作原理 如图10-3-2所示，将适量水注入试管并用橡胶塞塞住试管口。用酒精灯加热试管，直至水沸腾，观察现象。 分析：在此实验中，酒精燃烧放出的热量，使水蒸气受热膨胀对橡胶塞做功，使橡胶塞被“顶出”试管口。上述实验可以用来简单模拟热机产生动力的过程。 探索新知 思考：上述实验过程中能量是如何转化的？ 一、热机 内能 机械能 转化 1.热机：我们把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机 。 飞机 火箭 汽车 船舶 蒸汽机 探索新知 2. 热机工作原理： 一、热机 对外做功 图 10-3-3 热机的工作原理图 图10-3-3为热机工作原理的示意图，热机自高温物体处吸收热量，其中一部分用来对外做功，另一部分流向低温物体。 因此热机是将内能转化为机械能的机械。 探索新知 热机的种类较多，按照燃料燃烧场所的差异， 热机可分为外燃机和内燃机两种。 一、热机 3.热机的分类 （1）外燃机：燃料在发动机外的锅炉内燃烧并产生动力的热机叫做外燃机，蒸汽机就是最早的外燃机，它利用燃料加热锅炉中的水产生高压水蒸气，高压水蒸气推动活塞对外做功。 蒸汽机 蒸汽轮机 探索新知 （2）内燃机：燃料直接在发动机内的气缸中燃烧并产生动力的热机叫做内燃机，现代社会中大部分交通工具的发动机都是内燃机,如汽车，飞机等。 一、热机 3.热机的分类 最常见的内燃机是汽油机和柴油机，它们分 别用汽油和柴油作为燃料。 探索新知 【例1】热机工作时，内能被转化为（　　） A．核能  B．电能  C．机械能  D．化学能 典型例题 C 【即练1】热机是各种将燃气或蒸汽的____能转化为______能的发动机，汽油机和柴油机统称为__________。         内  机械 内燃机 知识点二 热机是如何工作的 探索新知 图 10-3-4 汽油机结构示意图 1.汽油机主要结构：主要由气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴和连杆组成。 (一） 汽油机 汽油机质量小，转速大，启动方便，运转平稳，主要用于汽车的发动机。 探索新知 2.汽油机工作过程 冲程：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。 工作过程 吸气 压缩 做功 排气 探索新知 1. 吸气冲程（左上） 进气门开启、排气门关闭，活塞向下运动，汽油和空气形成的可燃混合气被吸入气缸。 2. 压缩冲程（右上） 进、排气门全部关闭，活塞向上运动，压缩气缸内的混合气，让混合气温度、压力大幅升高，为后续燃烧做准备。 4. 排气冲程（左下） 排气门开启、进气门关闭，活塞向上运动，把燃烧后的废气排出气缸，为下一次吸气腾出空间。 3. 做功冲程（右下） 火花塞点火，混合气剧烈爆燃，高温高压燃气推动活塞向下运动，通过曲轴输出动力，这是发动机产生动力的核心冲程。 探索新知 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 汽油机的一个工作循环过程包括四个冲程： 探索新知 刚刚是汽油机一个工作循环（含四个冲程）的介绍， 接下来是熟悉这个四个冲程的工作特点。 2.汽油机的工作过程: 吸气冲程 1、进气门          ，排气门           ， 2、活塞由汽缸最         向 运动， 3、         和        的混合物被吸入气缸。 打开 关闭 上端 下 汽油 空气 探索新知 2.汽油机的工作过程: 1、进气门和排气门               ， 2、活塞由气缸最       向      运动， 3、燃料的混合物被         ，气缸内温度        ，曲4、在此过程中，        转化        。 压缩冲程 都关闭 下端 上 压缩 升高 机械能 内能 内能 机械能 转化 探索新知 2.汽油机的工作过程: 1、进气门和排气门               ， 2、火花塞产生电火花（点燃式），燃料混合物剧烈燃烧，形成               的燃气，推动活塞由气缸向      运动，对外做功， 3、此过程中，        转化        。 做功冲程 高温高压 下 内能 机械能 都关闭 机械能 内能 转化 探索新知 2.汽油机的工作过程: 1、进气门        ，排气门         ， 2、活塞由汽缸最        向     运动，把废气排出气缸。 排气冲程 关闭 打开 下端 上 探索新知 汽油机的工作过程总结: 1.内燃机一个工作循环依次包括 吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四冲程；完成一个工作循环，活塞往复运动 次， 飞轮转动 周，对外做功 次，汽缸内的燃油爆发性燃烧 次。 2 1 1 2 2. 做功冲程中，燃气对外做功，带动与曲轴相连的飞轮实现持续运转。其余三个冲程是辅助冲程，活塞靠旋转飞轮的惯性带动曲轴连杆运动。 探索新知 （二）柴油机 1.柴油机的结构： 与汽油机相似，图 10-3-6 为柴油机的结构示意图，由于柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，气缸顶部的火花塞换成了喷油嘴。 图10-3-6 柴油机结构示意图 探索新知 2.柴油机的工作循环工程： （二）柴油机 也分为吸气、压缩 、做功、排气四个冲程。 （1）吸气冲程中只有空气进入气缸。 （2） 压缩冲程使气缸内的空气温度升高。压缩结束时，气缸内温度超过柴油燃点，此时，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即燃烧起来。 （3） 做功冲程中气缸内气体的压强、温度急剧增大，从而有力地推动活塞对外做功。 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 探索新知 观看思考 探索新知 3.柴油机的应用 （二）柴油机 与汽油机相比，柴油机的零件结构强度更高， 也更笨重，但柴油机油耗低、功率大，因此多用于载重汽车、坦克、轮船及小型发电机。近年来，随着柴油机技术的进步，传统柴油机的缺点逐步得到改善，目前许多汽车也采用柴油机作为动力装置。 载重汽车 坦克 轮船 小型发电机 对比柴油机和汽油机不同点和相同点 内燃机 项目 汽油机 柴油机 燃料 汽油 柴油 构造 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 主要特点 主要用途 火花塞 喷油嘴 汽油和空气的混合物 空气 压缩程度小 压缩程度大 点燃式 压燃式 轻巧、效率较低 笨重、效率较高 小汽车和小型农业机 械、低速飞机等 载重汽车、 拖拉机、火车、轮船等 汽油机与柴油机的相同点：都是内能转化成机械能，都包括四个冲程。 探索新知 STSE--- 火箭发动机 火箭发动机（图 10-3-7）是一种新型的热机。由于要在缺氧的高空中工作，火箭发动机与大多数普通热机不同，必须自带氧化剂（如液氧）。燃料和氧化剂在燃烧室内燃烧，产生高温高压燃气，燃气通过喷 口向后喷出推动火箭前进。 “长征”系列运载火箭（图 10-3-8）是我国自行研制的航天运载工具，有力支撑了以 “中国载人航天工程”“北斗卫星导航系统” 和“中国探月工程”为代表的国家重大工程的成功实施，为我国航天事业的发展提供了强有力的保障。 图 10-3-7 火箭发动机示意图 探索新知 【例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 典型例题 C 探索新知 【敲黑板】转数与做功次数和工作循环个数的关系  做功冲程中燃气对活塞的平均压力F=pS； 一个做功冲程中燃气对活塞做的功W=Fs； 汽油机的功率P=W/t。 探索新知 【例3】如图所示，汽油机在该冲程过程中，将_______能转化为_____能．一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r／min，则汽油机每秒钟完成_____个冲程，汽油机每秒钟对外做功___次。 典型例题 内 机械 40 10 【详解】由图可以看出，进气门关闭，排气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，故为做功冲程，此过程将内能转化为机械能。 由题意可知，汽油机的飞轮转速是1200r/min，即每秒钟转20圈，完成40个冲程，做功10次。 课堂小结 课堂小结 吸入空气和汽油的混合物 机械能转化为内能 内能转化为机械能 喷油嘴---吸入空气 也是吸气、压缩、做功、排气四个冲程 做功获得动力，其他三个冲程靠飞轮的惯性完成 课堂练习 探索新知 课堂练习 1. 在汽油机的四个冲程中，______和______冲程发生了能量的转化，______冲程汽车获得动力，______冲程排出了汽车的尾气。 2. 一台四冲程内燃机飞轮转速为 1800 r/min，它 1s 完成了 ( ) A．30 个冲程，做了 30 次功 B．60 个冲程，做了 60 次功 C．120 个冲程，做了 30 次功 D．60 个冲程，做了 15 次功 压缩 做功 做功 排气 D 3. 如图所示为内燃机工作时的某冲程示意图，该冲程是（ ） A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程 课堂练习 C 4 ．关于内燃机下列说法正确的是 ( ) A ．四冲程内燃机工作过程只有一个工作循环 B ．汽油机和柴油机汽缸顶部都有一个火花塞 C ．汽油机是内燃机，柴油机不是内燃机 D ．汽油机和柴油机都有做功冲程 D 课堂练习 探索新知 5、汽油机在做功冲程中，高温气体迅速膨胀而做功，此时气体的温度和内能的变化情况是（ ） A 温度降低，内能减小 B 温度不变，内能不变 C 温度升高，内能增大 D 温度降低，内能增大 A 课堂练习 书后作业 书后作业 课后作业 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“练习与应用” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听 Lavf60.16.100 $