2.2 动力机械（导学案） 科学新教材浙教版九年级下册

该初中科学导学案聚焦动力机械，涵盖发展历程（水车到喷气发动机）、热机能量转化、汽油机四冲程及喷气发动机分类等核心知识。通过“知识回顾”复习轮轴原理作为前置支架，“课前预习”引导初步认知，构建前后知识衔接脉络。 资料以课堂探究为主线，通过动力机械发展对比、四冲程分步解析及改良方案讨论培养科学思维，结合思考问题与习题检测深化科学观念，课前预习到课后反思的设计促进探究实践，助力学生系统掌握知识并提升分析解决问题能力。

第2节 动力机械（导学案） 1.梳理动力机械发展完整历程：水车→蒸汽机（外燃机）→汽油机 / 柴油机（内燃机）→喷气发动机；区分外燃机、内燃机核心差异。 2.掌握热机通用能量转化：燃料化学能→内能→机械能；熟记四冲程汽油机每一个冲程的气门状态、活塞运动、能量转化。 3.了解涡轮增压、多缸内燃机改良原理；认识空气喷气、火箭喷气发动机结构与适用场景。 重点 1.动力机械发展顺序；外燃机、内燃机区分标准；热机总能量转化。 2.汽油机四冲程工作过程、气门开闭、活塞运动、各冲程能量转化。 3.喷气发动机分类、火箭发动机优势。 难点 1.区分压缩、做功冲程能量转化；理解单缸内燃机运行缺陷与多缸改良逻辑。 2.涡轮增压工作原理；定滑轮场景中物体上升高度与做功计算。 【知识回顾】 1.由“ ”和“ ”中的轮轴组成的系统，该系统能绕 旋转。习惯上，半径较大的是 ，半径较小的是 。 2.轮轴本质是连续旋转的 ，支点在中心转轴 O；轮半径 R 是 臂，轴半径 r 是 臂。 3.轮轴平衡公式： 。 4.动力加在轮上：拉力 物重，属于 轮，省力、费 ； 动力加在轴上：拉力 物重，属于 轮， 、省距离。 【课前预习】 1.早期水力动力机械： ，依靠水流冲击叶片转动，功率低，现已很少大规模使用。 2.热机定义：消耗燃料，将燃料 能先转化为 ，再转化为 的动力机械。 3.热机分类：燃料在汽缸外燃烧为 （蒸汽机）；燃料在汽缸内部燃烧为 （汽油机、柴油机）。 4.汽油机四个冲程依次：吸气、 、 、排气；其中只有 冲程将内能转化为机械能。 5.喷气发动机分两类：空气喷气（依靠空气中氧气，用于 ）；火箭喷气自带燃料与氧化剂，可在 、水下工作。 1、 课堂探究一 动力机械发展历程 1. 第一代动力：水车 结构与原理 水车属于大型 ，外圈加装叶片，水流冲击叶片带动轴旋转，联动磨坊、灌溉机械。 局限性 思考：为什么现代工农业很少用水车作为主力动力？ 2. 第二代动力：蒸汽机（外燃机） （1）发展时间线 ①1712 纽可门：初代实用蒸汽机，无独立 ，热能损耗 ； ②1769 瓦特改良蒸汽机，增设独立冷凝器， 大幅提升； ③1781 增加 结构，把活塞往复运动转为旋转，适配更多机械。 （2）外燃机核心特点 燃料在 锅炉燃烧，加热水生成高温高压水蒸气，通入汽缸推动活塞做功。 （3）纽可门 vs 瓦特蒸汽机对比 纽可门：汽缸、冷却共用同一腔体，每次冷凝都会冷却汽缸，大量 浪费； 瓦特：独立冷凝器持续冷却蒸汽，汽缸始终保持高温，大幅减少热量损耗，热效率 。 （4）蒸汽机缺陷：热效率仅 5%~8%，体积 、 ，催生内燃机。 3. 第三代动力：内燃机 （1）分类 机（汽油为燃料、火花塞点火）、 机（柴油为燃料，压燃点火） （2）优势 体积 、功率 、热效率远高于 ，广泛用于汽车、农机。 4. 第四代动力：喷气发动机（新型内燃机） （1）空气喷气发动机：工作时吸入 助燃，用于民航、战斗机； （2）火箭喷气发动机：自带 + ，无需 ，太空、深海均可使用。 2、 汽油机四冲程完整循环 （1）基础定义 活塞从汽缸一端运动到另一端，称为 ；四冲程汽油机每完整循环包含 个冲程，曲轴转动 2 圈，仅 1 次对外做功。 （2）四冲程分步解析 ① 冲程：进气门打开，排气门关闭；活塞向下运动；汽油与空气混合气吸入汽缸；无能量转化。 ② 冲程：两门全部关闭；活塞向上运动，压缩混合气体； 能→ 能（气体温度升高，为点火做准备）。 ③ 冲程（唯一做功冲程）：两门关闭；压缩终点火花塞点火，燃料剧烈燃烧，高温高压燃气推动活塞向下； 能→ 能，向外输出动力。 ④ 冲程：进气门关，排气门开；活塞向上运动，燃烧废气排出；无能量转化。 （3）思考讨论 一台四冲程汽油机，只有做功冲程输出动力，单缸发动机有什么缺点？如何改进？ （4）内燃机改良方案 ① 内燃机（4 缸 / 6 缸 / 8 缸）： 各汽缸做功冲程交替错开，持续输出动力，振动小、运行平稳； ② 增压： 利用高温废气推动涡轮，压缩更多空气进入汽缸，燃料燃烧更充分，最大功率提升约 40%。 3、 喷气发动机 1. 空气喷气发动机 结构：风扇、燃烧室、涡轮、喷管； 原理：吸入 ，燃料燃烧产生高压燃气向 喷出，利用 获得向前推力；依赖大气中的 ，不能 飞行。 2. 火箭喷气发动机 结构：燃料舱、氧化剂舱、燃烧室、喷口； 自带燃料与氧化剂，不需要外界 ，可在真空太空、水下工作；分为 、 燃料两类； 拓展：我国长征系列火箭使用 火箭发动机，航天事业成就世界领先。 课堂小结： 1．关于“热机”，下列说法中不正确的是（   ） A．四冲程汽油机在工作过程中，飞轮每转两周完成一次做功冲程 B．柴油机的效率比汽油机的高，这是因为柴油的热值比汽油的大 C．四冲程内燃机的吸气、压缩、排气冲程是靠飞轮的惯性完成的 D．汽油机的压缩冲程将活塞的机械能转化为混合气体的内能 2．（2025·浙江温州·二模）如图为礼花喷射器的内部结构，气罐通过气阀与纸筒相连。使用时转动纸筒，气罐内的高压气体便将纸筒内的礼花喷向远处。下图所示的热机四冲程与上述能量转化原理相同的是（　　） A． B． C． D． 3．关于热机，下列说法中正确的是 A．效率越高的热机功率也越大 B．热机所用燃料的化学能转化成的内能越多，效率越高 C．寒冷的冬天，晚上要把热机水箱中的水放掉是为了防止水箱被冻裂 D．使用热值高的燃料可提高热机的效率 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 3 学科网（北京）股份有限公司 $ 第2节 动力机械（导学案） 1.梳理动力机械发展完整历程：水车→蒸汽机（外燃机）→汽油机 / 柴油机（内燃机）→喷气发动机；区分外燃机、内燃机核心差异。 2.掌握热机通用能量转化：燃料化学能→内能→机械能；熟记四冲程汽油机每一个冲程的气门状态、活塞运动、能量转化。 3.了解涡轮增压、多缸内燃机改良原理；认识空气喷气、火箭喷气发动机结构与适用场景。 重点 1.动力机械发展顺序；外燃机、内燃机区分标准；热机总能量转化。 2.汽油机四冲程工作过程、气门开闭、活塞运动、各冲程能量转化。 3.喷气发动机分类、火箭发动机优势。 难点 1.区分压缩、做功冲程能量转化；理解单缸内燃机运行缺陷与多缸改良逻辑。 2.涡轮增压工作原理；定滑轮场景中物体上升高度与做功计算。 【知识回顾】 1.由“轮”和“轴”中的轮轴组成的系统，该系统能绕共同的轴旋转。习惯上，半径较大的是轮，半径较小的是轴。 2.轮轴本质是连续旋转的杠杆，支点在中心转轴 O；轮半径 R 是动力臂，轴半径 r 是阻力臂。 3.轮轴平衡公式：FR=Gr。 4.动力加在轮上：拉力小于物重，属于省力轮，省力、费距离； 动力加在轴上：拉力大于物重，属于费力轮，费力、省距离。 【课前预习】 1.早期水力动力机械：水车，依靠水流冲击叶片转动，功率低，现已很少大规模使用。 2.热机定义：消耗燃料，将燃料化学能先转化为内能，再转化为机械能的动力机械。 3.热机分类：燃料在汽缸外燃烧为外燃机（蒸汽机）；燃料在汽缸内部燃烧为内燃机（汽油机、柴油机）。 4.汽油机四个冲程依次：吸气、压缩、做功、排气；其中只有做功冲程将内能转化为机械能。 5.喷气发动机分两类：空气喷气（依靠空气中氧气，用于飞机）；火箭喷气自带燃料与氧化剂，可在水下、水下工作。 1、 课堂探究一 动力机械发展历程 1. 第一代动力：水车 结构与原理 水车属于大型轮轴，外圈加装叶片，水流冲击叶片带动轴旋转，联动磨坊、灌溉机械。 局限性 思考：为什么现代工农业很少用水车作为主力动力？ 单人做功功率约 100W，水车输出功率有限，受水源、地形限制，无法远距离运输动力，蒸汽机普及后逐步淘汰。 2. 第二代动力：蒸汽机（外燃机） （1）发展时间线 ①1712 纽可门：初代实用蒸汽机，无独立冷凝器，热能损耗大； ②1769 瓦特改良蒸汽机，增设独立冷凝器，热效率大幅提升； ③1781 增加齿轮结构，把活塞往复运动转为旋转，适配更多机械。 （2）外燃机核心特点 燃料在汽缸外部锅炉燃烧，加热水生成高温高压水蒸气，通入汽缸推动活塞做功。 （3）纽可门 vs 瓦特蒸汽机对比 纽可门：汽缸、冷却共用同一腔体，每次冷凝都会冷却汽缸，大量内能浪费； 瓦特：独立冷凝器持续冷却蒸汽，汽缸始终保持高温，大幅减少热量损耗，热效率提升。 （4）蒸汽机缺陷：热效率仅 5%~8%，体积庞大、笨重，催生内燃机。 3. 第三代动力：内燃机 （1）分类 汽油机（汽油为燃料、火花塞点火）、柴油机（柴油为燃料，压燃点火） （2）优势 体积小、功率大、热效率远高于蒸汽机，广泛用于汽车、农机。 4. 第四代动力：喷气发动机（新型内燃机） （1）空气喷气发动机：工作时吸入空气助燃，用于民航、战斗机； （2）火箭喷气发动机：自带燃料 + 氧化剂，无需空气，太空、深海均可使用。 2、 汽油机四冲程完整循环 （1）基础定义 活塞从汽缸一端运动到另一端，称为一个冲程；四冲程汽油机每完整循环包含 4 个冲程，曲轴转动 2 圈，仅 1 次对外做功。 （2）四冲程分步解析 ①吸气冲程：进气门打开，排气门关闭；活塞向下运动；汽油与空气混合气吸入汽缸；无能量转化。 ②压缩冲程：两门全部关闭；活塞向上运动，压缩混合气体；机械能→内能（气体温度升高，为点火做准备）。 ③做功冲程（唯一做功冲程）：两门关闭；压缩终点火花塞点火，燃料剧烈燃烧，高温高压燃气推动活塞向下；内能→机械能，向外输出动力。 ④排气冲程：进气门关，排气门开；活塞向上运动，燃烧废气排出；无能量转化。 （3）思考讨论 一台四冲程汽油机，只有做功冲程输出动力，单缸发动机有什么缺点？如何改进？ 单缸仅四分之一时间做功，其余冲程无动力，振动大、动力不连续；多缸交替做功，动力持续输出，运行平稳。 （4）内燃机改良方案 ①多缸内燃机（4 缸 / 6 缸 / 8 缸）： 各汽缸做功冲程交替错开，持续输出动力，振动小、运行平稳； ②涡轮增压： 利用高温废气推动涡轮，压缩更多空气进入汽缸，燃料燃烧更充分，最大功率提升约 40%。 3、 喷气发动机 1. 空气喷气发动机 结构：风扇、燃烧室、涡轮、喷管； 原理：吸入空气，燃料燃烧产生高压燃气向后喷出，利用力的相互作用获得向前推力；依赖大气中的氧气，不能太空飞行。 2. 火箭喷气发动机 结构：燃料舱、氧化剂舱、燃烧室、喷口； 自带燃料与氧化剂，不需要外界空气，可在真空太空、水下工作；分为固体、液体燃料两类； 拓展：我国长征系列火箭使用液体火箭发动机，航天事业成就世界领先。 课堂小结： 1．关于“热机”，下列说法中不正确的是（   ） A．四冲程汽油机在工作过程中，飞轮每转两周完成一次做功冲程 B．柴油机的效率比汽油机的高，这是因为柴油的热值比汽油的大 C．四冲程内燃机的吸气、压缩、排气冲程是靠飞轮的惯性完成的 D．汽油机的压缩冲程将活塞的机械能转化为混合气体的内能 【答案】B 【详解】A．四冲程汽油机在工作过程中，飞轮每转两周完成一次做功冲程，选项A符合题意； B．柴油机的效率比汽油机的高，主要是因为柴油机为压燃式，压缩的程度更高，气缸内温度更高，能量转化的程度更高，和热值无关，选项B不符合题意； C．内燃机的四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其它三个冲程都是依靠惯性完成的，因此吸气、压缩、排气冲程是靠飞轮的惯性完成的，选项C符合题意； D．汽油机的压缩冲程将活塞的机械能转化为混合气体的内能。选项D符合题意。 2．（2025·浙江温州·二模）如图为礼花喷射器的内部结构，气罐通过气阀与纸筒相连。使用时转动纸筒，气罐内的高压气体便将纸筒内的礼花喷向远处。下图所示的热机四冲程与上述能量转化原理相同的是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】在喷出礼花的过程中，罐内的压缩空气对礼花做功，空气内能转化为礼花的机械能，罐内气体内能减少，将内能转化为机械能。 A．图中进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，是吸气冲程，故A不符合题意； B．图中进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，是压缩冲程，将机械能转化为内能，故B不符合题意； C．图中进气门和排气门都关闭，活塞向下运动，是做功冲程，将内能转化为机械能，故C符合题意； D．图中进气门关闭，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。 3．关于热机，下列说法中正确的是 A．效率越高的热机功率也越大 B．热机所用燃料的化学能转化成的内能越多，效率越高 C．寒冷的冬天，晚上要把热机水箱中的水放掉是为了防止水箱被冻裂 D．使用热值高的燃料可提高热机的效率 【答案】C 【详解】A. 热机的效率与热机功率无关，二者是两个不同的概念，效率高的热机功率不一定大，所以A错误； B. 热机效率是指热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值，所以B错误； C. 水凝固时体积变大，就会胀坏水箱，所以冬天要把水箱中的水放出，所以C正确； D. 用热值大的燃料，燃烧相同燃料可以放出更多的热量，但用来做有用功的能量不一定多，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量的比值不一定大，热机效率不一定得到提高，所以D错误。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 3 学科网（北京）股份有限公司 $