14.2 热机 （教学设计）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机工作原理，重点讲解汽油机四冲程及能量转化，通过水蒸气冲塞实验直观展示内能转化为机械能，承接能量转化与守恒知识，搭建从理论到应用的学习支架。 特色在于融合科学思维与科学探究，利用实验、模型及动态动画建立热机工作模型，通过对比表格和识图口诀突破冲程判断难点，培养学生能量转化推理能力与科学态度，为教师提供结构化资源，提升课堂效率。

14.2 热机（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第1节 热量 比热容 教学 目标 物理观念 明确热机利用内能做功的工作原理，掌握汽油机四冲程工作过程，分清汽油机与柴油机结构、点火方式差异，准确说出压缩、做功冲程的能量转化。 科学思维 借助实验、剖面模型、冲程示意图建立热机工作模型，通过气门、活塞运动状态推理对应冲程，形成能量转化逻辑推理能力。 科学探究 观察水蒸气冲塞演示实验、汽油机模型运转演示，自主归纳四冲程工作顺序、循环规律，总结两种内燃机异同点。 科学态度 与责任 了解热机在交通、农业、工业中的广泛用途，知道内燃机尾气会造成大气污染，树立绿色出行、节约能源的环保观念。 教材 分析 本节位于第十四章第二节，承接 14.1 能量的转化与守恒，是内能实际应用的核心内容。教材先用水蒸气推动瓶塞小实验引出热机定义，点明热机能量转化本质；重点讲解生活最常用的汽油机四冲程完整工作流程，辅以对比柴油机。本节是中考高频考点，常以识图、填空、简答题型考查冲程判断、能量转化、工作循环数据；同时为下一节热机效率做铺垫，是内能板块从理论走向实际应用的关键一课。 学情分析 已有基础：学生已经掌握内能、做功改变内能、能量转化规律，知道内能可以转化为机械能；生活中接触汽车、摩托车、拖拉机，对发动机有直观印象。 认知难点：容易混淆四个冲程的气门开闭、活塞运动方向；经常颠倒压缩、做功冲程的能量转化；记不清汽油机火花塞、柴油机喷油嘴的结构区别；难以记住 “一个工作循环曲轴转 2 圈、做功 1 次” 的规律。 学习特点：学生对实验、发动机剖面模型兴趣浓厚，但四冲程循环过程抽象，单纯文字记忆容易混淆，需要动画、模型、口诀、表格多重辅助理解。 教学重点 1.热机定义与能量转化本质（内能转化为机械能）； 2.汽油机四个冲程的工作过程、气门活塞状态、能量变化； 3.汽油机工作循环规律：4 冲程、曲轴 2 周、做功 1 次。 教学难点 1.根据冲程简图判断吸气、压缩、做功、排气冲程； 2.区分汽油机点燃式与柴油机压燃式的原理； 3.准确区分压缩冲程、做功冲程的能量转化。 教学 器材 1.教师演示器材：铁架台、酒精灯、试管、清水、橡胶软塞；汽油机、柴油机剖面教学模型； 2.多媒体资源：四冲程汽油机循环动态动画、汽油机柴油机对比图片、冲程识图练习题； 3.学生学习用具：草稿纸、课堂识图单。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 1.演示水蒸气冲开瓶塞实验：试管中装入少量水，塞紧橡胶塞，酒精灯持续加热试管底部。 2.分层递进提问，引导学生观察现象： ① 加热水时，酒精燃烧将化学能转化为什么能？（内能） ② 水沸腾产生大量高压水蒸气，最终把橡胶塞冲出去，塞子获得了什么能？（机械能） ③ 整个实验中，核心能量转化是什么？（内能→机械能） 3.拓展生活提问：汽车、摩托车行驶依靠发动机提供动力，发动机内部是否和这个实验原理一样？ 4.导入新课：这种利用内能对外做功，将内能转化为机械能的机器统称为热机，今天我们系统学习 14.2《热机》，板书课题。 设计意图 微型实验直观展示热机最基础原理，把抽象的 “内能做功” 可视化，结合学生熟悉的汽车发动机，快速激发探究兴趣。 仔细观察实验：水沸腾、管口出现白雾、橡皮塞被弹出全过程； 独立思考教师问题，记录课题，带着“汽车发动机如何持续做功”的疑问进入新课。 学习新课 一、热机 1.热机定义：利用内能来做功的机械。 2.核心能量转化：内能 → 机械能。 3.热机分类讲解 （1）外燃机：燃料在气缸外部燃烧，例：老式蒸汽机、蒸汽火车； （2）内燃机（本节课重点）：燃料直接在气缸内部燃烧产生动力，分为汽油机、柴油机； 拓展：喷气发动机、火箭发动机也属于热机。 4.内燃机基础结构：结合汽油机模型逐一标注部件：气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。 补充说明：活塞往复直线运动，通过连杆带动曲轴旋转，对外输出动力。 设计意图 搭建整体知识框架，区分热机大类，认识内燃机基础构造，为四冲程学习做好铺垫。 【典例1】中国现代交通运输发展情况总体呈现出显著的提升和进步。下列交通或运输工具中，动力设备不是热机的是（　　） A．C919客机 B．载重汽车 C．纯电动汽车 D．远洋货轮 【答案】C 【详解】A．C919客机使用航空燃油发动机，通过燃烧燃料产生动力，将内能转化为机械能，属于热机，故A不符合题意； B．载重汽车通常使用柴油或汽油发动机，将内能转化为机械能，属于热机，故B不符合题意； C．纯电动汽车使用电动机驱动，将电能转化为机械能，不是利用内能工作的机器，故不是热机，故C符合题意； D．远洋货轮通常使用大型柴油发动机或涡轮机，通过燃料燃烧提供动力，将内能转化为机械能，属于热机，故D不符合题意。 故选C。 牢记热机定义与能量转化； 分清外燃机、内燃机的区别，识别汽油机各结构名称； 通过例题练习，理解并区分热机的特点 学习新课 二、汽油机 教师过渡 汽油机持续工作分为四个连续阶段，每一个阶段称为一个冲程；完整的吸气、压缩、做功、排气过程称为一个工作循环，结合模型 + 动画分步讲解。 1. 吸气冲程 •气门状态：进气门打开，排气门关闭； •活塞运动：曲轴带动活塞向下运动； •工作内容：将汽油和空气的混合气体吸入气缸； •能量变化：无能量转化，仅进气。 2. 压缩冲程 •气门状态：进气门、排气门全部关闭； •活塞运动：活塞向上运动，强力压缩气缸内混合气； •现象：气体体积变小，压强、温度急剧升高； •能量转化：机械能 → 内能（消耗活塞机械能，增加气体内能）。 3. 做功冲程（唯一动力冲程，本节课核心） •气门状态：两气门全部关闭； •工作过程：火花塞打出电火花，点燃油气混合气，燃气剧烈膨胀； •活塞运动：高温高压燃气向下推动活塞； •能量转化：内能 → 机械能（内能转化为曲轴转动的机械能，车辆动力来源）。 4. 排气冲程 •气门状态：排气门打开，进气门关闭； •活塞运动：活塞向上运动； •工作内容：燃烧后的废气全部排出气缸，为下一次吸气做准备； •能量变化：无能量转化。 循环规律总结（板书必背重点） 1.一个完整工作循环包含吸气、压缩、做功、排气4 个冲程； 2.活塞往复运动 2 次，曲轴连续转动 2 圈； 3.四个冲程中，只有做功冲程对外输出动力；吸气、压缩、排气依靠飞轮惯性完成； 4.一个循环仅对外做功 1 次。 冲程识图判断技巧（突破难点） 1.一开门、一关门：吸气、排气冲程；活塞向下 = 吸气，活塞向上 = 排气； 2.两门全部关闭：压缩、做功冲程；无火花 = 压缩，有电火花 = 做功； 3.能量转化区分：活塞向上压缩→机械能转内能；燃气推活塞向下→内能转机械能。 设计意图 分步拆解四个冲程，结合动态动画与实体模型，总结简单判断技巧，攻克识图、能量转化两大难点。 【典例2】如图所示是四冲程汽油机的工作示意图，下列描述错误的是（     ） A．甲做功冲程燃气的内能转化为活塞的机械能 B．乙排气冲程活塞向上运动，把废气排出气缸 C．丙吸气冲程活塞向下运动，空气进入气缸 D．丁压缩冲程活塞向上运动，燃料混合物被压缩，活塞的机械能转化为燃料混合物的内能 【答案】C 【详解】A‌．甲图中进气门和排气门都关闭，高温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功，是做功冲程。做功冲程中，高温高压的燃气推动活塞向下运动，将燃气的内能转化为活塞的机械能，故A正确，不符合题意； B‌．乙图中进气门保持关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出汽缸，是排气冲程。排气冲程时，进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸，故B正确，不符合题意； C‌．丙图，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汽缸，是吸气冲程。吸气冲程中，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，而不是只有空气进入气缸，故C错误，符合题意； D‌．丁图，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，是压缩冲程。压缩冲程中，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，活塞的机械能转化为燃料混合物的内能，故D正确，不符合题意。 故选C。 【典例3】如图所示，是汽油机的_______ 冲程示意图，若该单缸四冲程汽油机飞轮转速是3000r/min，则此汽油机10秒对外做功________ 次。 【答案】 排气 250 【详解】由图可知，排气门打开、进气门关闭，活塞向上运动，符合排气冲程的特征，因此该图是汽油机的排气冲程示意图。 汽油机的一个工作循环中，经历四个冲程，飞轮转动两周，对外做功一次，因为该汽油机飞轮的转速是，所以飞轮每秒转动50周，则汽油机每秒钟对外做功25次，汽油机10秒对外做功次。 跟随模型、动画观察每个冲程活塞、气门变化，逐条记录笔记； 背诵压缩、做功冲程两组能量转化，牢记循环数据； 掌握识图判断口诀，小组互相抽查识图习题。 通过例题练习，区分汽油机的四个冲程及各阶段活塞的运动情况和气门的变化 通过例题练习，掌握汽油机的曲轴转到的圈数、冲程竖和做功次数间的数量关系 学习新课 三、柴油机 【教师活动】 出示对比表格，逐项讲解四点核心差异，同时总结共同点 1.结构不同：汽油机气缸顶部有火花塞；柴油机顶部是喷油嘴； 2.吸入气体：汽油机吸入汽油 + 空气混合气；柴油机只吸入纯净空气； 3.点火方式：汽油机点燃式（火花塞电火花引燃）；柴油机压燃式（压缩空气温度超柴油燃点，喷油自燃）； 4.应用场景：汽油机轻巧，用于小汽车、摩托车；柴油机动力大，用于货车、拖拉机、轮船。 二者共同点 均为四冲程内燃机；循环规律完全相同；压缩、做功冲程能量转化一致。 易错提问：柴油机为什么不需要火花塞？ 答：压缩冲程中空气被强力压缩，温度达到柴油着火点，高压柴油喷出后自动燃烧。 设计意图 表格对比清晰直观，解决学生易混淆两种内燃机的易错考点。 【典例4】关于四冲程汽油机和柴油机的工作过程说法正确的是（   ） A．在压缩冲程中，内能转化为机械能 B．吸气冲程时，汽油机吸入的是空气 C．只有做功冲程是燃气对外做功 D．汽油机和柴油机的点火方式相同 【答案】C 【详解】A．在压缩冲程中，活塞向上运动压缩气体，机械能转化为内能，不是内能转化为机械能，故A错误； B．汽油机在吸气冲程吸入的是汽油和空气的混合气体，不是空气，故B错误； C．在四冲程内燃机中，只有做功冲程燃气膨胀推动活塞向下运动，对外做功；吸气、压缩和排气冲程均不对外做功，故C正确； D．汽油机采用点燃式点火，柴油机采用压燃式点火，两者点火方式不同，故D错误。 故选C。 记录汽油机、柴油机四点区别，标记关键词； 明白柴油机和汽油机点火方式不同的原因 通过例题练习，加深区分汽油机和柴油机的异同点 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课堂练习 1．“九三大阅兵”展示了我国陆海空三军的各式先进装备，下列装备中动力机械不属于热机的是（    ） A．歼-20S隐身战斗机 B．东风-61导弹搭载车 C．电动洗扫车 D．99B主战坦克 【答案】C 【详解】A．歼-20S 的动力系统是喷气式发动机属于热机的一种，其工作原理是：通过燃烧航空煤油，将燃料的化学能转化为内能，使气体受热膨胀后高速喷出，利用反作用力推动飞机前进，本质是内能转化为机械能，故A不符合题意； B．东风-61导弹搭载车的动力系统是内燃机，通常为柴油发动机，属于热机范畴。其工作过程是：燃烧柴油将化学能转化为内能，内能推动发动机活塞做功，进而将内能转化为机械能，驱动搭载车行驶，故B不符合题意； C．电动洗扫车的动力来源是电动机，其能量转化过程是电能直接转化为机械能，既没有燃料燃烧的过程，也没有利用内能来做功，故C符合题意； D．99B主战坦克的动力系统是柴油发动机，属于内燃机的一种，其工作原理是：通过燃烧柴油，将燃料的化学能转化为内能，再利用内能推动活塞做功，最终将内能转化为机械能，驱动坦克行驶，故D不符合题意。 故选C。 2．如图a为内燃机四冲程工作示意图，图b为迅速压下活塞，厚玻璃筒内硝化棉会燃烧起来，下列说法正确的（     ） A．一个工作循环的正确顺序是：乙甲丁丙 B．图甲冲程是将所有的内能转化为机械能的过程 C．从能量转化角度讲，图b工作时与图甲的原理相似 D．图丁冲程是机械能转化为内能的过程 【答案】D 【详解】由图1中，甲图两个气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，这是做功冲程。在此冲程中，燃料燃烧产生的内能转化为活塞的机械能。乙图进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，这是吸气冲程。丙图进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，这是排气冲程。丁图两个气门都关闭，活塞向上运动，这是压缩冲程。在此冲程中，活塞对气缸内的气体做功，将机械能转化为气体的内能，使气体温度升高。 图b中，迅速向下压活塞，活塞对筒内空气做功，使空气的内能增加，温度急剧升高，达到硝化棉的燃点，导致硝化棉燃烧。这个过程是机械能转化为内能。 A．内燃机的一个工作循环顺序是吸气、压缩、做功、排气冲程，即图1中的乙、丁、甲、丙，故A错误； B．图甲是做功冲程，是将内能转化为机械能。但是，由于存在热量散失、克服摩擦做功等能量损失，不可能将“所有”的内能都转化为机械能，故B错误； C．图b是将机械能转化为内能。图甲（做功冲程）是将内能转化为机械能。两者的能量转化方向相反，故C错误； D．由分析可知，图丁是压缩冲程，将机械能转化为气体的内能，故D正确。 故选 D。 3．关于四冲程汽油机的工作过程，下列说法正确的是（     ） A．吸气冲程：只吸入空气 B．压缩冲程：缸内温度降低 C．做功冲程：气体推动活塞做功 D．排气冲程：内能转化为机械能 【答案】C 【详解】A．汽油机在吸气冲程中吸入的是汽油和空气的混合物，故A错误； B．在压缩冲程，活塞对气体做功，将机械能转化为内能，气体的内能变大，温度升高，故B错误； C．做功冲程中，燃气对活塞做功，燃气的内能转化为活塞的机械能，故C正确； D．排气冲程中没有能量的转化，故D错误。 故选C。 4．如图表示四冲程内燃机工作时的示意图，一个工作循环的正确顺序为（     ） A．甲、乙、丙、丁 B．丁、丙、乙、甲 C．甲、丁、乙、丙 D．甲、丙、乙、丁 【答案】C 【详解】甲图：左侧进气门打开，右侧排气门关闭，活塞向下运动，外界混合气被吸入气缸，为吸气冲程； 丁图：两个气门全部关闭，活塞向上运动，气缸内气体被压缩，为压缩冲程； 乙图：两个气门全部关闭，活塞向下运动，燃气燃烧膨胀推动活塞下行做功，为做功冲程； 丙图：右侧排气门打开，左侧进气门关闭，活塞向上运动，气缸内废气被排出，为排气冲程； 四冲程标准顺序为吸气、压缩、做功、排气，对应甲、丁、乙、丙，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 5．1876年，德国工程师奥托制造了第一台新型的以煤气为燃料的四冲程内燃机。如图为四冲程柴油机的工作过程。下列相关说法正确的是（　　） A．汽油机和柴油机都是内燃机，吸入汽缸的物质相同 B．乙冲程使缸内气体内能增大，为内燃机提供动力 C．丙冲程主要是依靠飞轮的惯性完成的 D．柴油机降温常用水做冷却剂是因为水的比热容大 【答案】D 【详解】A．柴油机和汽油机都属于内燃机，工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气，故A错误； B．由乙图可知，两个气门关闭，活塞向上运动，活塞压缩气体做功，此冲程为压缩，内燃机通过做功冲程获得动力，故B错误； C．由丙图可知，两个气门关闭，高温气体推动活塞向下运动，气体对外做功，丙是做功冲程，是气体推动活塞做功，不是靠惯性，故C错误； D．水的比热容大，升高相同温度吸收热量多，冷却效果好，故D正确。 故选D。 6．一台单缸四冲程汽油机工作时，若飞轮转速是3600r/min，该汽油机每秒对外做功________次；在压缩冲程中，气体的温度升高，是通过________的方式增加内能，下图中________（填序号）表示该冲程。 【答案】 30 做功 B 【详解】飞轮转速，即每秒飞轮转60圈；四冲程汽油机的工作规律是：飞轮每转2圈，完成4个冲程，对外做功1次，因此每秒对外做功30次。 压缩冲程中，活塞压缩气缸内气体，对气体做功，机械能转化为内能，气体内能增加、温度升高，因此是通过做功的方式增加内能。 压缩冲程中，两气门均关闭，活塞上行，故图中B表示该冲程。 7．下列四幅图中，汽油机正处于压缩冲程的是________，压缩冲程的能量转化情况是________，若汽油机内对外做功20次，则其曲轴的转速为________。 【答案】 乙 机械能转化为内能 2400 【详解】由图乙知道，两个气门都关闭，活塞向上运动，因此是压缩冲程，此过程中机械能转化为内能。 汽油机一个工作循环中，对外做功1次，曲轴转动2圈。已知1 s内对外做功20次，则曲轴1min内转动 圈，因此转速为 。 8．轿车已成为现代家庭比较青睐的出行工具。轿车上的散热器等制冷设备常用水作为冷却剂，这是利用了水____________的性质；一台四冲程汽油机工作时曲轴转速是1800r/min，此汽油机每秒钟完成____________个做功冲程；夜间行驶车内禁止开灯，可防止车____________（选填“内”或“外”）景物在挡风玻璃上成像干扰司机，成像原理是____________（选填“光的反射”或“光的折射”）。 【答案】 比热容大 15 内 光的反射 【详解】根据可知，相同质量的水和其他物质相比，升高相同温度时，水吸收的热量更多，冷却效果更好，因此散热器用水作冷却剂利用了水比热容大的性质。 曲轴每秒转速；四冲程汽油机每转动2圈完成一个工作循环，每个工作循环包含1个做功冲程，因此每秒完成的做功冲程数为15个。 轿车挡风玻璃相当于平面镜，夜间车内开灯时，车内亮度高于车外，车内景物会经挡风玻璃成像干扰司机视线； 平面镜成像的原理是光的反射。 9．如图甲所示是我国传统的“走马灯”，点燃底部蜡烛，在热空气上升驱动扇叶转动的过程中，能量的转化方式与四冲程汽油机的__________冲程相同，图乙中__________（填“A”或“B”）图就是这个冲程；内燃机还有柴油机，从构造上看柴油机气缸顶部有一个__________。 【答案】 做功 A 喷油嘴 【详解】[1]点燃底部蜡烛，热空气温度升高，热空气上升驱动扇叶转动，是热空气的内能转化为扇叶转动的机械能，这与四冲程汽油机的做功冲程能量转化方式相同。 [2]图乙中A图进气门和排气门都关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是做功冲程；B图两气门关闭，活塞向上运动，是压缩冲程。故选A。 [3]内燃机中的柴油机，从构造上看，柴油机气缸顶部有一个喷油嘴。 10．全球对环保越发重视，但燃油公交车在城市交通中仍承担着重要作用。某单缸四冲程柴油机作为燃油公交车的动力来源，若它在1min内完成了3600个冲程，则它每秒对外做功________次，柴油机在吸气冲程中吸入汽缸的是________。 【答案】 15 空气 【详解】[1]柴油机的一个工作循环由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程四个冲程组成。在一个工作循环中，有4个冲程，曲轴和飞轮转2周，对外做功1次；已知1min内完成了3600个冲程，即1s内完成了60个冲程，则它每秒对外做功15次。 [2]柴油机顶部有一个喷油嘴，柴油机在吸气冲程中吸入汽缸的物质只有空气，在压缩冲程末喷入柴油。 板 书 设 计 14.2 热机 一、热机 1.原理：利用内能做功 内能 → 机械能 2.分类：外燃机（蒸汽机）、内燃机（汽油机、柴油机） 二、汽油机四冲程 1.吸气：进气开，活塞下，吸油气混合气 2.压缩：两门关，活塞上，机械能 → 内能 3.做功：两门关，火花塞点火，内能 → 机械能（动力冲程） 4.排气：排气开，活塞上，排出废气 循环规律：4 冲程，曲轴转 2 圈，做功 1 次；三冲程靠飞轮惯性 三、汽油机 vs 柴油机 汽油机：火花塞、吸混合气、点燃、小车摩托 柴油机：喷油嘴、只吸空气、压燃、货车拖拉机 课 堂 小 结 14.2 热机 作 业 1. 完成教材课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步分层作业 教学反思 通过本节课的学习，我们认识到热机是将内能转化为机械能的关键机械，是人类利用能源、推动生产力发展的重要工具，能帮助我们理解内能在实际生产生活中的应用逻辑，从能量转化的视角理清热机工作的内在原理。 反思：是否混淆了四冲程内燃机四个冲程的工作顺序和能量转化特点？是否误将排气冲程的气门开闭状态当成了吸气冲程？是否会利用冲程的特点判断生活中不同内燃机处于的工作状态？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $