10.3 热机及其工作原理（教学设计）物理新教材沪科版（五四学制）九年级上册

该初中物理教学设计聚焦热机定义、分类及内燃机四冲程工作原理，从学生熟悉的交通工具图片导入，回顾内能知识，通过“加热封闭试管”实验直观感受内能做功，衔接前两节内能内容，为后续热机效率学习铺垫知识支架。 特色在于实验探究与可视化教学结合，演示实验培养科学探究能力，动画和模型展示四冲程时序突破难点，表格对比汽油机柴油机异同培养科学思维，口诀辅助记忆提升效率，助力学生建立能量观念，为教师提供清晰教学流程和突破难点方法。

10.3 热机及其工作原理（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 10.3 热机及其工作原理 教学 目标 物理观念 了解热机的定义，知道热机是把内能转化为机械能的机械；知道热机的分类，能区分外燃机与内燃机；知道四冲程内燃机的工作原理，了解汽油机和柴油机的构造与工作过程；知道内燃机工作过程中能量的转化关系。 科学思维 通过分析汽油机和柴油机的构造及工作过程的异同，学习分析和比较的科学研究方法；能运用能量转化的观点分析热机工作过程中的能量变化；通过模型和示意图建立空间想象，理解四冲程的时序关系。 科学探究 通过“加热封闭试管”的自主活动，观察并分析利用内能做功的过程；利用模型和动画，分析四冲程汽油机的基本结构和工作原理。 科学态度 与责任 通过学习热机的应用，激发学习兴趣，培养将科学知识应用于人类社会的意识；了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。 教材 分析 本节选自沪科版（五四学制）九年级上册第10章“内能”第3节。本章是热学模块的核心章节，前两节分别学习了热量与比热容、内能的概念，本节“热机及其工作原理”则是在前两节的基础上，进一步学习内能如何转化为机械能的实际应用。 本节内容由“什么是热机”和“内燃机如何工作”两部分构成。教材首先通过“加热封闭的试管”这一自主活动，让学生直观感受利用内能做功的过程，建立热机的概念；然后按照燃料燃烧场所的差异，将热机分为外燃机和内燃机两类；最后重点介绍最常见的内燃机——汽油机和柴油机的构造与工作过程。本节内容是内能知识的具体应用，也是后续学习“热机的效率”的重要基础，在知识体系中起着承上启下的关键作用。 学情分析 学生在前面两节已经学习了热量、比热容和内能的概念，理解了热传递和做功可以改变物体的内能。其中第二节“内能”中“做功改变内能”的实验（压缩空气引火仪）为理解本节压缩冲程中机械能转化为内能奠定了基础。学生已初步具备从能量转化角度分析物理过程的能力。 九年级学生已具备一定的观察能力和抽象思维能力，能够通过模型和示意图理解较为复杂的机械工作过程。但热机的工作过程涉及多个冲程的连续运动，活塞、气门、曲轴等部件协同配合，运动过程较为复杂，学生在空间想象和理解时序关系上可能存在困难。同时，学生对“一个工作循环中活塞往复两次、曲轴转动两周、对外做功一次”的数量关系容易混淆。 热机与日常生活联系紧密，汽车、轮船、飞机等交通工具都是学生熟悉且感兴趣的话题。通过演示实验、模型展示和动画模拟等方式，可以有效激发学生的学习兴趣。同时，热机的发明和应用是人类文明进程中的重要里程碑，具有丰富的科学史教育价值。 教学重点 1. 热机的定义与工作原理。 2. 汽油机的四冲程工作过程。 3. 内燃机工作过程中的能量转化。 教学难点 1. 四冲程工作过程的时序理解。 2. “一个工作循环”的数量关系。 3. 汽油机与柴油机的结构差异与点火方式区别。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【多媒体展示图片】汽车、火车、轮船、飞机等交通工具。提问：“这些交通工具为什么能运动？是谁在为它们提供动力？ 展示汽车发动机图片，提问：“发动机的动力从何而来？” 【引导学生回顾】前面学习了内能，内能可以转化为机械能吗？ 【引出课题】今天我们就来学习如何利用内能做功——热机及其工作原理。 【设计意图】从学生熟悉的交通工具入手，激发学习兴趣，建立新旧知识的联系。 观察图片，思考并回答问题。回顾内能的相关知识，进入学习状态。 学习新课 什么是热机？ 【自主活动】利用内能做功 【演示实验】将适量水注入试管，用橡胶塞塞住试管口。用酒精灯加热试管。 【引导学生观察】试管中的水发生了什么变化？橡胶塞最终怎样了？试管口出现了什么现象？ 【组织讨论】橡胶塞被“顶出”试管口的原因是什么？ 【分析归纳】酒精燃烧放出的热量，使水受热变成水蒸气，水蒸气受热膨胀对橡胶塞做功，将橡胶塞“顶出”。 【总结提升】利用内能可以做功。这个实验虽然简单，却可以模拟热机产生动力的过程。 【引导学生分析能量转化】燃料的化学能→内能→橡胶塞的机械能。 【设计意图】通过演示实验让学生直观感受“利用内能做功”，为热机概念的建立提供感性认识基础。 【建立概念】什么是热机 【引出定义】像上述实验那样，把利用燃料燃烧释放的能量做功的机械叫做热机。 【展示热机工作原理示意图】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。 【讲解热机分类】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。 外燃机：燃料在发动机外的锅炉内燃烧并产生动力。蒸汽机是最早的外燃机。蒸汽轮机被广泛应用于发电厂和大型船舶。 内燃机：燃料直接在发动机内的气缸中燃烧并产生动力。最常见的是汽油机和柴油机。 【设计意图】从实验上升到概念，建立热机的定义。通过分类教学，帮助学生建立系统的知识结构。渗透科学史教育。 【例题1】内燃机是现代交通运输工具的动力源，四种交通运输工具中，适合使用汽油机来提供动力的是（　　） A．载重汽车 B．内燃机车 C．小轿车 D．轮船 【答案】C 【例题2】如图，用酒精灯加热试管内的水，是通过______的方式改变水的内能；水吸热一段时间后会______，产生大量高温水蒸气；水蒸气推动软木塞飞出，其内能转化为木塞的______。 【答案】 热传递 沸腾 机械能 观察实验现象：①水沸腾；②橡胶塞被冲出；③管口出现“白雾”。小组讨论橡胶塞被冲出的原因。分析能量转化过程并记录。 记录热机的定义和分类。观察热机工作原理示意图，理解热机工作过程中能量的流向。了解外燃机和内燃机的区别。 学习新课 内燃机如何工作？ 汽油机的工作原理 【展示汽油机结构】利用多媒体展示汽油机剖面图。讲解主要部件：气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆等。 【引出“冲程”概念】活塞在气缸内做一次单向运动的过程称为一个冲程。 分步讲解四冲程工作过程（利用动画或模型逐冲程展示）： 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进入气缸。 压缩冲程：进气门和排气门均关闭，活塞向上运动，混合气体被压缩。能量转化：机械能→内能。 做功冲程：压缩冲程末，火花塞点火，混合气体剧烈燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞向下运动。能量转化：内能→机械能。 排气冲程：排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，将废气排出气缸。 【填写表格】指导学生完成四冲程特点对比表。 冲程名称 活塞运动方向 进气门 排气门 能量转化 吸气冲程 向下运动 打开 关闭 无 压缩冲程 向上运动 关闭 关闭 机械能→内能 做功冲程 向下运动 关闭 关闭 内能→机械能 排气冲程 向上运动 关闭 打开 无 【总结规律】 （1）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。 （2）一个工作循环中，活塞往复运动两次，曲轴转动两周，燃气对外做功一次。 （3）做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成。 【强化记忆】 用口诀帮助学生记忆——“吸气压缩做功排气，一上一下往复交替；两周一转一次功，四冲程成一个循环”。 【设计意图】通过动画和模型将抽象的工作过程可视化，降低理解难度。表格填写帮助学生系统梳理知识。口诀辅助记忆，突破教学难点。 柴油机的工作原理 【展示柴油机结构】多媒体展示柴油机结构示意图。引导学生对比汽油机：气缸顶部火花塞换成了喷油嘴。 【讲解柴油机工作过程】 （1）吸气冲程：只吸入空气（汽油机吸入的是汽油和空气的混合物）。 （2）压缩冲程：压缩程度更大，气缸内温度超过柴油燃点。 （3）做功冲程：压缩冲程结束时，喷油嘴喷出雾状柴油，遇热空气立即燃烧。 （4）排气冲程：排出废气。 【组织对比】汽油机与柴油机的异同点。 相同点：都有四个冲程，一个工作循环活塞往复两次、曲轴转动两周、对外做功一次。 不同点：①燃料不同（汽油/柴油）；②结构不同（火花塞/喷油嘴）；③点火方式不同（点燃式/压燃式）；④吸气冲程吸入物质不同；⑤应用领域不同（汽油机用于汽车，柴油机用于载重汽车、坦克、轮船等）。 用表格展示对比结果。 【设计意图】通过对比教学，帮助学生清晰区分汽油机和柴油机的异同，培养分析和比较的科学研究方法。 【例题3】汽油机的顶部有___________（选填“火花塞”或“喷油嘴”），除了做功冲程外其它冲程是靠飞轮的___________来完成的。如图是单缸四冲程汽油机工作循环的___________冲程，这一冲程工作时___________能转化为___________能。 【答案】 火花塞 惯性 压缩 机械 内 【例题4】如图所示，是汽油机汽缸工作时的示意图，将四个冲程按吸气、压缩、做功到排气的先后顺序排列正确的是（　　） A．abcd B．acdb C．adbc D．adcb 【答案】D 【例题5】2024年4月20号，世界内燃机大会上，潍柴动力一款新型柴油机问世，此款柴油机效率达到了53.09%，成为了世界首款热效率突破53%的柴油机。下列是关于四冲程汽油机和柴油机工作过程的几种说法，不正确的是（　　） A．汽油机在吸气冲程中，吸入汽缸的只有空气 B．柴油机在吸气冲程中，吸入汽缸的只有空气 C．只有做功冲程是燃气对外做功，其它冲程依靠飞轮惯性完成 D．汽油机顶部有火花塞，柴油机顶部是喷油嘴 【答案】A 观察汽油机结构示意图，认识各部件名称及作用。观看四冲程动画，逐冲程记录活塞运动方向、气门开闭状态和能量转化情况。完成四冲程对比表格。总结规律并记录。 观察柴油机结构示意图，与汽油机进行对比。了解柴油机的工作过程。参与对比讨论，完成汽油机与柴油机对比表格。 课堂练习 1．某单缸四冲程内燃机其中的一个冲程剖面图如图所示。由图可知，该内燃机是________（选填“汽油机”或“柴油机”）。该内燃机在吸气冲程中把_______（选填“燃料”，“空气”或“燃料和空气的混合物）吸入气缸。 【答案】 柴油机 空气 【详解】[1]区分汽油机和柴油机的关键特征是喷油嘴（柴油机）和火花塞（汽油机），图中内燃机有喷油嘴，因此是柴油机。 [2]柴油机在吸气冲程中只吸入空气，燃料（柴油）是在压缩冲程末通过喷油嘴喷入气缸的；而汽油机吸气冲程吸入的是燃料和空气的混合物。因此该内燃机吸气冲程吸入的是空气。 2．如图所示，打开礼花喷射器的气阀，压缩气体快速释放，同时礼花喷出，在此过程中，气罐内气体对外做功，将内能转化为____________能，该过程的能量转化情况与四冲程汽油机____________冲程中的能量转化情况相似。 【答案】 机械 做功 【详解】打开礼花喷射器的气阀，压缩气体快速释放并伴随礼花喷出的过程中，气罐内气体对外做功，将礼花喷出，气罐内气体自身内能减小，此过程中气体的内能转化为礼花的机械能，能量转化情况与四冲程汽油机的做功冲程相似。 3．如图甲所示，用力将活塞迅速下压，玻璃筒内的硝化棉燃烧起来。活塞下压过程的能量转化情况与图__________（选填“乙”或“丙”）所示汽油机工作冲程相同。若该汽油机飞轮转速为，则汽油机每秒完成__________个冲程。 【答案】 乙 40 【详解】[1]甲图下压活塞：机械能→内能（压缩空气升温点燃硝化棉）。 乙图：两气门关闭、活塞上行→压缩冲程，机械能转化为内能，和甲能量转化一致； 丙图：两气门关闭、火花塞点火、活塞下行→做功冲程，内能转化为机械能。 故填乙。 [2]四冲程内燃机一个工作循环中，有四个冲程，燃气推动活塞做功一次，飞轮转动两周。若该热机飞轮转速1200r/min，即，则热机每秒完成40个冲程。 4．检修汽车发动机时，师傅拍摄了某一冲程工作的示意图，如图所示，关于该冲程的名称及其能量转化，下列说法中正确的是______。 A．做功冲程，机械能转化为内能 B．做功冲程，内能转化为机械能 C．压缩冲程，内能转化为机械能 D．压缩冲程，机械能转化为内能 【答案】D 【详解】进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，气体被压缩，为压缩冲程，此冲程机械能转化为内能。 故选D。 5．关于图所示的某单缸四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是（　　） A．依靠飞轮惯性完成冲程的是①②③ B．在一个工作循环中，工作过程依次是③④①② C．①中能量的转化是内能转化为机械能 D．④中气缸内气体温度会下降 【答案】C 【详解】AB．由图可知②中进气门开，活塞向下是吸气冲程，④两气门关闭，活塞向上是压缩冲程，①两气门关闭，活塞向下是做功冲程，③排气门开，活塞向上是排气冲程，在一个工作循环中，工作过程依次是②④①③，其中②③④三个冲程依靠飞轮的惯性来完成。故AB错误； C．①两气门关闭，活塞向下是做功冲程，其将内能转化为机械能，带动机械运动，故C正确； D．④两气门关闭，活塞向上是压缩冲程，活塞的机械能转化为混合气体的内能，混合气体温度会升高，故D错误。 故选C。 6．如图为一种蒸汽船玩具，在玻璃瓶内装适量水，将小船放置在水面上，点燃蜡烛加热玻璃瓶一段时间，产生大量水蒸气，并和受热膨胀的空气一起从细窄的吸管冲出，推动小船前进。下列有关该实验的说法不合理的是（　　） A．加热过程中，玻璃瓶内的水通过热传递的方式增大内能 B．吸管处出现白雾，冲出的水蒸气内能减小，温度降低 C．蒸汽推动小船前进，实现了机械能向内能的转化 D．蒸汽推动小船前进，能量的转化方式和内燃机的做功冲程相同 【答案】C 【详解】A．加热过程中，玻璃瓶内的水吸收热量，内能增大，是通过热传递的方式增大内能，故A不符合题意； B．吸管处出现白雾，冲出的水蒸气对外做功，内能减小，温度降低，故B不符合题意； C．蒸汽推动小船前进，实现了内能向机械能的转化，故C符合题意； D．蒸汽推动小船前进能的转化方式和内燃机的做功冲程相同，都是内能转化为机械能，故D不符合题意。 故选C。 板书设计 10.3 热机及其工作原理 一、热机 1. 定义：利用燃料燃烧释放的能量做功的机械 2. 工作原理：内能 → 机械能 3. 分类：外燃机（蒸汽机、蒸汽轮机）；内燃机（汽油机、柴油机） 二、汽油机 1. 构造：气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆 2. 四冲程工作过程：吸气、压缩、做功、排气冲程 3. 一个工作循环：4个冲程，活塞往复2次，曲轴转动2周，对外做功1次 三、柴油机 1. 构造：与汽油机相似，火花塞→喷油嘴 2. 点火方式：压燃式（压缩空气使温度升高→喷油燃烧） 3. 吸气冲程：只吸入空气 教学反思 成功之处 实验引入直观有效：以“加热封闭试管”的演示实验开篇，让学生亲眼看到水蒸气将橡胶塞冲出的过程，直观感受“利用内能做功”。实验现象明显（橡胶塞冲出、管口白雾），有效激发了学生的学习兴趣，为热机概念的建立提供了坚实的感性认识基础。 动画辅助突破难点：汽油机四冲程工作过程是本节的教学难点。教学中借助多媒体动画和模型，将抽象的工作过程动态化、可视化。学生可以清晰地看到活塞运动方向、气门开闭状态以及能量转化的同步变化，有效降低了理解难度。 不足与改进 实验环节耗时较长：“加热封闭试管”实验需要一定时间才能产生足够的水蒸气将橡胶塞冲出，可能挤压后续教学时间。改进：可提前预热试管，缩短课堂等待时间；或录制实验视频作为备用，确保教学进度。 四冲程理解仍有个别学生跟不上：部分学生在理解四个冲程的时序关系和部件协同动作时仍存在困难。改进：可设计“角色扮演”活动——让四位学生分别扮演四个冲程，用肢体动作模拟活塞运动和气门开闭，增强体验感；也可在课后布置“绘制四冲程示意图”的作业，加深理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $