10.4 热机的效率（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“热机的效率”，涵盖燃料的热值、热机效率概念、提高效率途径及环境保护。通过火箭发射、汽车行驶等生活情境导入，结合“烧开同一壶水不同燃料消耗差异”的问题，衔接前序“热机工作原理”知识，自然引出新内容。 此资料以核心素养为导向，情境导入贴近生活激发兴趣，能流图可视化能量走向突破热机效率理解难点（科学探究）。用比值定义法建立热值概念，类比机械效率强化科学思维，结合环保问题培养节能意识（科学态度）。丰富例题与生活实例助力学生提升分析能力，为教师提供清晰教学流程与实用素材。

10.4 热机的效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 10.3 热机的效率 教学 目标 物理观念 知道热值的含义、单位及物理意义，知道热值是燃料本身的一种特性；会应用热值的概念进行简单的燃烧放热计算；知道热机效率的含义，了解热机能量的损失以及提高热效率的方法；了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。 科学思维 通过热值概念的学习，进一步体会比值定义法在建立物理概念中的应用；通过分析热机燃料释放的热量分配，学习简单的定量分析方法；通过与机械效率对比，进一步体会效率概念的普适性。 科学探究 通过生活经验及具体事例，定性探究不同燃料燃烧释放热量的能力不同。通过分析能流图，了解热机工作过程中能量的主要流向。 科学态度 与责任 感受自然科学的发展和先进技术的应用在推进社会发展的同时带来的环境问题，理解可持续发展的内涵。认识当前人类现代化生活对能源的依赖和能源紧缺对人类生存的挑战，树立节约能源的意识。 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4节。本章是热学模块的核心章节，前两节分别学习了“热量 比热容”和“内能”，第3节学习了“热机及其工作原理”，了解了内能转化为机械能的过程。本节“热机的效率”则是在热机工作原理的基础上，进一步从能量转化的角度定量分析热机的性能，评价内能的利用效率。 本节内容由“燃料的热值”“热机的效率”和“环境保护”三部分构成。教材首先引导学生认识不同燃料燃烧释放热量的能力不同，建立热值的概念；然后通过分析热机工作过程中能量的走向，引出热机效率的定义；最后讨论热机使用带来的环境问题，培养学生的节能环保意识。本节内容是内能知识的功能性延伸，也是本章知识的总结与升华，同时为后续跨学科实践“城市‘热岛效应’的调研”奠定基础。 学情分析 学生在前面三节已经学习了热量、比热容、内能的概念，理解了热传递和做功可以改变物体的内能，掌握了热机的工作原理和四冲程的工作过程。学生已经初步具备从能量转化角度分析热机工作过程的能力。本节需要引入“热值”这一新概念，学生在日常生活中对“不同燃料燃烧效果不同”已有感性认识，但缺乏定量分析的意识。 九年级学生已具备一定的抽象思维能力和定量分析能力，能够理解“比值定义法”建立物理概念的方法（如速度、密度、比热容等均采用比值定义法）。但热机效率涉及“有用功”与“总能量”的比值关系，学生对“有用功”的理解可能存在困难——需要区分热机对外做的机械功与燃料完全燃烧释放的总热量。同时，能流图的分析需要学生具备一定的信息提取和图表解读能力。 热机效率与日常生活联系紧密，汽车油耗、能源价格等是学生熟悉的话题。通过能流图分析、效率计算和环保讨论，可以激发学生的学习兴趣。同时，能源危机和环境污染是当今社会热点问题，具有丰富的价值观教育价值，有助于培养学生的社会责任感和可持续发展意识。 教学重点 1. 燃料的热值。 2. 热机效率的概念。 3. 提高热机效率的途径。 教学难点 1. 热机燃料能量的走向分析。 2. 热机效率的理解与计算。 3. 热值“特性”的理解。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】展示图片——火箭发射、汽车行驶、家庭烧水。提问：“这些场景都需要什么？它们使用的燃料一样吗？” 【引发思考】烧开同样一壶水，用木柴、煤和天然气，消耗的燃料质量一样吗？为什么？ 【追问】为什么发射火箭要用氢作燃料，而不用汽油或酒精呢？ 【引出课题】不同燃料燃烧释放热量的能力不同——今天我们来学习如何描述燃料的这一特性，以及热机如何利用燃料的能量。 【设计意图】从生活情境入手，利用认知冲突激发兴趣，引出“不同燃料释放热量的能力不同”这一核心问题。 观察图片，结合生活经验回答问题。思考不同燃料的“燃烧效果”差异，进入学习状态。 学习新课 什么是燃料的热值？ 【引导分析】怎样比较不同燃料燃烧释放热量的能力？ （1）取质量相同的不同燃料，让它们完全燃烧，比较释放热量的多少。 （2）让不同燃料燃烧释放相同的热量，比较消耗质量的多少。 【引出定义】某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值，用字母q表示。 【公式】q＝Q/m（或Q＝mq）；对于气体燃料，也可用Q＝Vq。 【单位】J/kg（固体、液体燃料）；J/m3（气体燃料）。 【强调特性】热值是燃料本身的一种特性，与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关。 【展示热值表】多媒体展示常见燃料的热值，引导学生观察比较。 【物理意义】以酒精为例——酒精的热值是3.0×107J/kg，表示1kg酒精完全燃烧释放的热量是3.0×107J。 【设计意图】从定性比较到定量描述，建立热值概念。通过比值定义法建立概念，与速度、密度等概念的建立方法形成呼应。 【例题1】2025年8月13日，我国成功将卫星互联网低轨08组卫星发射升空在火箭升空的过程中，燃料舱内的液态氢的热值_______（选“A．变大”“B．不变”或“C．变小”）,且比常见的煤油、汽油、天然气的热值都要高。利用液氢作为推进剂的好处除了氢燃烧时，只生成水而不产生二氧化碳，几乎实现零碳排放外，还因为_________。 【答案】 B 氢的热值高，完全燃烧质量相同的氢释放的热量更多，可提升运载能力 【例题2】小明在课后查阅到一些燃料的热值，将其记录如下： 燃料 酒精 木炭 柴油 氢 热值 (1)查表可知木炭的热值，它表示的物理意义是___________，燃烧一半木炭，剩下的木炭热值为___________。 (2)若的木炭不完全燃烧，那么其释放的热量___________（选填“大于”、“等于”或“小于”）。 (3)若表中提到的四种燃料质量相等，完全燃烧后，放出热量最少的是___________。若为卫星运载火箭选择其中一种作为推进燃料，最好的是___________。 【答案】(1) 1kg木炭完全燃烧放出的热量是3.4×107J 3.4×107 (2)小于 (3) 酒精 氢 思考比较不同燃料释放热量能力的方法。记录热值的定义、公式、单位。查阅热值表，比较不同燃料的热值大小。理解热值的物理意义，完成例题计算。 学习新课 什么是热机的效率？ 一、热机的效率 【提出问题】燃料在热机中燃烧释放的能量，是否全部转化为了有用的机械功？ 【展示能流图】多媒体展示热机燃料能量的走向示意图。 【引导分析】燃料燃烧释放的能量有哪几个去向？ （1）部分燃料未完全燃烧——损失； （2）废气排出带走能量——损失（最主要部分）； （3）克服摩擦消耗能量——损失； （4）机械传热损失能量——损失； （5）转化为对外做有用功的能量——有效利用部分。 【引出定义】热机工作时，用来做功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。用符号η表示。 【公式】 【强调特点】热机效率总小于1（即小于100%），原因是燃料不能完全燃烧、废气带走能量、克服摩擦消耗能量等。 【展示数据】汽油机的效率为20%～30%，柴油机的效率为30%～40%。 【引导讨论】柴油机的效率为什么比汽油机高？ 【设计意图】通过能流图将抽象的能量损失过程可视化，帮助学生建立直观认识。从“能量去哪了”到“多少能量被利用了”，逐步建构热机效率的概念。 二、提高热机的效率 【提出问题】如何提高热机的效率？ 【引导分析】根据能流图，从能量损失的各个环节入手—— （1）减少燃烧过程中的热量损失：使燃料尽可能充分燃烧（如改进燃烧室设计、增压技术等）； （2）利用废气的能量：热电站利用废气来供热（热电联产）； （3）简化机械传动部分，减少部件数量； （4）选用优良的润滑材料减小摩擦。 【总结提升】提高热机效率的主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。 【联系实际】生活中还有哪些提高能量利用效率的例子？（如节能灯、变频空调等） 【设计意图】学以致用，将理论知识应用于实际问题。通过讨论培养学生分析问题、解决问题的能力，渗透节能意识。 【例题3】下列提高热机效率的途径中，不正确的是（　　） A．保证良好的润滑，减少因克服摩擦而消耗的能量 B．使用热值更高的燃料 C．设法利用废气的能量 D．改善燃烧条件，使燃料燃烧更充分 【答案】B 【例题4】新疆能源资源丰富多样，主要包括石油、天然气、煤炭等，石油经过一定的技术，提炼出汽油，作为重要的燃料。已知汽油的热值为，表示完全燃烧1千克的汽油放出的________为；若消耗1千克汽油，发动机获得的机械能是，则该发动机的效率是________；若使用中汽油不完全燃烧，则它的热值________（选填“变大”“变小”或“不变”）。 【答案】 热量 50% 不变 【例题5】小明尝试用家里的天然气灶粗略测量烧水的效率。他在水壶中盛放了2kg的水，测得水的初温是25℃，然后将水加热，同时观察天然气表和水温，发现天然气表的示数变化了时水温为95℃。，。 (1)求水吸收的热量Q吸； (2)求天然气释放的热量Q放； (3)求天然气灶的烧水效率。 【答案】(1) (2) (3) 观察能流图，分析热机工作过程中能量的各种去向。记录热机效率的定义和公式。比较不同热机的效率值，思考效率差异的原因。 小组讨论提高热机效率的方法。结合能流图，从能量损失的各个环节提出改进措施。联系生活实际，举出其他提高能量利用效率的例子。 学习新课 热机的使用对环境有何影响? 【提出问题】热机给人类带来了巨大的便利，但也带来了哪些环境问题？ 【引导学生列举】 （1）烟尘污染：排放的烟尘使大气浑浊； （2）酸雨污染：排放的二氧化硫和氮氧化合物与空气中的水结合成酸雨； （3）温室效应：排放的二氧化碳影响地球热平衡； （4）热污染：废气和冷却水带走大量热量。 【引发思考】如何在享受热机带来便利的同时，减少对环境的破坏？ 【简要介绍】发展新能源汽车、提高热机效率、开发清洁能源等都是重要的解决途径。 【设计意图】将物理知识与环境保护相结合，培养学生的社会责任感和可持续发展意识，为后续跨学科实践“城市‘热岛效应’的调研”做铺垫。 列举热机对环境造成的各种污染。思考个人和社会可以采取的措施。 课堂练习 1．如图为某汽油机工作时的能量流向图，汽油的热值取。以下说法正确的是（    ） A．汽油未完全燃烧时的热值比完全燃烧时的小 B．该汽油机工作效率可达65% C．在做功冲程，该汽油机气缸中的气体内能增大 D．完全燃烧10g汽油可放出的热量 【答案】D 【详解】A．热值是燃料本身的一种特性，汽油未完全燃烧时的热值与完全燃烧时的一样大，故A错误； B．该汽油机工作效率可达 故B错误； C．在做功冲程，该汽油机气缸中的气体内能转化为活塞的机械能，气体内能减小，故C错误； D．完全燃烧10g汽油可放出的热量为 故D正确。 故选D。 2．我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。下表是一些燃料的热值。下列选项正确的是（    ） 燃料 热值 燃料 热值 焦炭 3.0×107J/kg 柴油 4.3×107J/kg 酒精 3.0×107J/kg 汽油 4.6×107J/kg A．0.5kg的汽油的热值是2.3×107J/kg B．热值为3.0×107J/kg的燃料一定是酒精 C．燃料越接近完全燃烧，燃料的热值就越大 D．0.5kg的焦炭完全燃烧放出的热量是1.5×107J 【答案】D 【详解】A．热值是燃料的特性，与质量无关，0.5kg汽油的热值仍为，故A错误； B．焦炭和酒精的热值均为，因此该燃料可能是焦炭或酒精，故B错误； C．热值定义基于燃料完全燃烧，未完全燃烧时放热减少，但热值不变，故C错误； D．焦炭热值为，0.5kg完全燃烧放热 故D正确。 故选D。 3．为探究不同燃料完全燃烧放热能力的差异，小明设计了如图甲、乙所示的两组对比实验，实验装置完全相同。烧杯内水的初温、质量也都相同，实验中忽略热量的散失，两种燃料质量相同，完全燃烧完后，画出水的温度随时间变化的关系图像如图丙所示。下列说法正确的是（　　） A．燃料1完全燃烧完所放出的热量小于燃料2完全燃烧完所放出的热量 B．甲烧杯中水升高的温度与乙烧杯中水升高的温度之比是4:3 C．甲烧杯水吸收热量与乙烧杯水吸收热量之比是4:3 D．燃料1的热值与燃料2的热值之比是3:2 【答案】D 【详解】B．由图丙可知，甲杯内水升高的温度 乙杯内水升高的温度 甲烧杯中水升高的温度与乙烧杯中水升高的温度之比是，故B错误； C．甲、乙杯内水的质量相同、比热容相同，由可知甲、乙两杯内的水吸收的热量之比，故C错误； A．实验中忽略热量的散失，水吸收的热量等于燃料完全燃烧放出的热量，燃料1与燃料2完全燃烧放出的热量之比，即 燃料1完全燃烧放出的热量大于燃料2完全燃烧放出的热量，故A错误； D．两种燃料质量相同，由可知两种燃料的热值之比，故D正确。 故选D。 4．全球汽车保有量在迅速增长，截至2024年底，我国燃油汽车保有量约为3亿辆。假设每辆汽车每年耗油1.55t，则完全燃烧这些汽油会放出___________J的热量。q汽油=4.6×107J/kg汽车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___________t汽油。 【答案】 【详解】[1]汽车数量，每年的耗油总量为 完全燃烧放出的总热量 [2]汽车内燃机效率平均值取，所有汽车做的有用功为 提高后，所有汽车年需的有用功不变，则燃烧汽油放出的热量为 燃烧汽油的质量为 则我国每年可以节约汽油的质量为 5．小李家的燃气热水器，将40kg的水从20℃加热到45℃时，所用的天然气完全燃烧时放出的热量是1.4×107J。已知水的比热容为4.2×103J/(kg·℃)，天然气的热值为3.3×107J/m3，则水吸收的热量是______J。该燃气热水器烧水的效率η是______。若这些天然气放出热量的55%用来对小轿车做功，可使轿车沿直线匀速行驶7km，则发动机的牵引力为______N。 【答案】 30% 1100/ 【详解】[1]水吸收的热量是 [2]该燃气热水器烧水的效率 [3]若这些天然气放出热量的55%用来对小轿车做功，则有用功为 发动机的牵引力 6．某汽油发动机行驶100km消耗汽油约10kg，已知该汽油机热效率为40%，求： (1)此过程中有效利用的内能为多少？（汽油的热值） (2)若这些有效利用的能量用来加热质量1.84t，10℃的水，能使水温增加多少摄氏度？[结果保留一位小数，水的比热容] 【答案】(1) (2)23.8℃ 【详解】（1）汽油完全燃烧释放的总热量为 由可知，有效利用的能量（即有效利用的内能）为 （2）由题意可知， 由可知，水温增加量为 7．某辆汽车在平直公路上匀速行驶3千米，消耗汽油0.2千克，已知汽油的热值为   焦/千克。若该汽车行驶过程中发动机的牵引力为736牛。求： (1)完全燃烧0.2kg汽油放出的热量； (2)该汽车发动机的效率。 【答案】(1) (2)24% 【详解】（1）完全燃烧0.2kg汽油放出的热量 （2）牵引力做功为有用功 该汽车发动机的效率 板书设计 10.4 热机的效率 一、燃料的热值（q） 定义：某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料质量之比 公式：q＝Q/m（或 Q＝mq） 单位：J/kg（固体、液体）；J/m3（气体） 特性：热值是燃料本身的一种特性，与种类有关，与质量、是否完全燃烧无关 二、热机的效率（η） 定义：热机对外做的有用功与燃料完全燃烧释放的能量之比 公式：η＝W有用/Q放×100% 特点：η＜1（总小于100%） 常见热机效率：汽油机 20%～30%；柴油机 30%～40% 三、提高热机效率的途径 使燃料充分燃烧 利用废气能量（热电联产） 简化机械传动，减少摩擦 四、热机与环境保护 烟尘污染、酸雨、温室效应、热污染 教学反思 成功之处 情境导入贴近生活：以火箭发射、汽车行驶、家庭烧水等生活情境导入，从“烧开同样一壶水，不同燃料消耗是否相同”这一具体问题入手，自然引出热值的概念，体现了“从生活走向物理”的教学理念。 能流图分析突破难点：热机效率的理解是本节的教学难点。教学中通过展示热机燃料能量的走向示意图，引导学生逐一分析能量的五个去向，让学生直观地看到“燃料释放的能量并没有全部用来做有用功”，从而自然引出热机效率的定义。这种“从能量去哪了”到“多少能量被利用了”的认知路径，符合学生的思维规律。 不足与改进 热值计算练习量不足：本节课涉及热值的简单计算（Q＝mq），但由于课堂时间有限，学生练习机会较少。改进：可在作业中增加2～3道热值计算题，下节课前进行5分钟的“计算小测”，巩固计算能力。 热机效率与机械效率的对比不够充分：学生对“效率”概念已有一定基础（机械效率），但教学中对两者的联系与区别强调不够。改进：在引入热机效率时，先回顾机械效率的定义（η＝W有用/W总），再引导学生类比得出热机效率的定义，强化概念的迁移与类比。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $