14.3 热机的效率（教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件聚焦“热机的效率”，核心知识点为燃料的热值和热机效率。课堂导入通过生活问题如不同燃料放热差异、汽车能量损耗等引发思考，衔接内能利用知识，为热机效率学习搭建认知支架。 其亮点在于以实验探究为基础，通过对比不同燃料热值的实验培养科学探究能力，结合规范公式计算强化科学思维。融入环保意识教育，如热机能量损耗与节能方法，助力科学态度与责任养成。丰富的典例和分层练习帮助学生巩固知识，教师可直接用于重难点教学，提升效率。

物理九年级全一册 •人教版 第十四章 内能的利用 第3节 热机的效率 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 掌握燃料热值的定义、单位及物理意义，理解热机效率的概念，明确燃料完全燃烧放热公式与热机效率公式的内涵，建立燃料放热与能量利用的物理认知。 02 科学思维 通过分析燃料燃烧能量去向，区分完全燃烧与不完全燃烧、有用机械能与损耗内能，构建热机能量分配模型，学会利用公式进行规范计算。 03 科学探究 通过对比不同燃料放热差异、分析热机工作能量损耗途径，自主归纳热机效率偏低的原因，总结提高热机效率的有效方法。 04 科学态度与责任 认识热机能量损耗带来的能源浪费与环境污染问题，树立节约能源、绿色低碳、优化能源利用的环保意识与科学责任。 教学重难点 教学重点 教学难点 1. 燃料热值的概念、单位、物理意义及放热公式计算； 2. 热机效率的概念、公式、能量损耗途径； 3. 提高热机效率的常用方法与生活应用。 1. 区分热值、热量、内能的概念差异，理解热值是燃料本身的特性； 2. 分析热机工作的全部能量去向，准确判断有用能量与损耗能量； 3. 热机效率综合计算题的规范解题步骤与公式应用。 热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。 热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？ 课堂引入 课堂引入 问题1：生活中煮饭、取暖、开车都会用到燃料，同样质量的酒精和煤炭，放出的热量一样多吗？ 问题2：汽车加满汽油，汽油完全燃烧放出的热量全部用来让汽车前进了吗？ 问题3：为什么汽车行驶过程中发动机温度会升高、尾气会发热？多余的能量去哪里了？ 知识点1 燃料的热值 种类 燃料 固体燃料 燃料燃烧时能量的转化 液体燃料 气体燃料 木柴、煤等 柴油、汽油、煤油、酒精等 煤气、 天然气等 1. 燃料（可燃烧的物质） 知识点1：燃料的热值 探究新知 化学能转化为内能 【设计与进行试验】 知识点1：燃料的热值 探究新知 如右图所示，用天平分别测出质量均 为10g的酒精和碎纸片，将其分别放入两 个燃烧皿中，点燃它们，分别给装有质量 和温度均相同的水（约200g）的两个相同 的烧杯加热，使酒精和碎纸片充分燃烧，记录下两温度计示数的变化情况。 2. 探究燃料的放热本领 温度计 等质量 燃料 加热前的水温/℃ 燃料燃完后的水温/℃ 水温的变化/℃ 10g酒精 10g碎纸片 20 55 35 20 34 14 知识点1：燃料的热值 探究新知 【试验分析】 由实验数据可知，用10g酒精加热，水温升高得多，而用10g碎纸片加热，水温升高得少。 说明质量相等的酒精充分燃烧，放出的热量比碎纸片多。 【探究归纳】 燃烧质量相等的不同燃料，放出的热量通常是不同的。 例如，燃烧1 kg 煤放出的热量，是燃烧1 kg 干木柴放出热量的两倍多。 知识点1：燃料的热值 探究新知 3. 燃料的热值 由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出的热量不同，在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 （1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，用字母 q 表示。 （2）公式：q= Q放 表示放出的热量，单位是焦，符号为 J； m 表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg； q 表示热值，单位是焦/千克，符号为 J/kg。 （3）一些燃料的热值 知识点1：燃料的热值 探究新知 （4）热值的物理意义： 热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。 同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。 对于某些气体燃料，其热值在数值上等于标准状态下1m3燃料完全燃烧放出的热量，单位是：焦耳每立方米，符号J/m3。 知识点1：燃料的热值 探究新知 知识点1：燃料的热值 探究新知 （5）燃料燃烧放出热量的计算： q 燃料完全燃烧时放出的热量，单位：J 热值，单位：J/kg 质量，单位：kg 体积，单位：m3 热值，单位：J/m3 适用条件： 固体和液体燃料 气体燃料 知识点1：燃料的热值 探究新知 【典例1】小莘散步结束，坐车回家，听到发动机的轰鸣声……汽车需要加油，下列关于燃料的热值说法正确的是（　　） A．燃料燃烧越充分，其热值越大 B．燃料的热值越小，完全燃烧放出的热量越少 C．天然气的热值是3.5×107J/m3，完全燃烧2m3天然气能放出7.0×107J的热量 D．一瓶酒精用去三分之一，剩余酒精的热值将减小 【详解】AD．热值是燃料的特性，其大小仅与燃料的种类有关，而与燃料的质量和燃烧程度无关，故AD错误； B．根据Q=mq可知，放出的热量与热值、质量有关，故B错误； C．天然气的热值是3.5×107J/m3，完全燃烧2m3天然气能放出的热量Q放=Vq=2m3×3.5×107J/m3=7.0×107J，故C正确。 C 知识点2 热机的效率 1. 热效率 【提出问题】 用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗? 【分析讨论】 煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量，装水的容器吸收了一部分能量，煤气灶本身也会吸收一部分能量，高温的烟气带走了一部分能量，还有一部分能量直接散失掉了，等等。水吸收的热量只占煤气完全燃烧放出热量的一部分，只有水吸收的热量才是被有效利用的。 知识点2：热机的效率 探究新知 （1）热效率的概念（炉子、燃气灶的热效率等） 吸收的热量占燃料完全燃烧放出热量的比值叫作热效率。 （2）公式：热效率η = （3）提高锅炉中燃料热效率的方法 把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；把空气吹进炉膛增大送氧量。 知识点2：热机的效率 探究新知 1. 热效率 2. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 知识点2：热机的效率 探究新知 由图可知，燃料燃烧到对外做功，转化为有用功的那部分能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做有用功的能量是被有效利用的，并且废气带走的热量最多。 某品牌汽车能量流向图 （2）热机的效率 ①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧放出的热量之比，叫作热机的效率。 ②公式： η 或 η ③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，可以节约能源。 知识点2：热机的效率 探究新知 （3）一些热机的效率 瓦特蒸汽机的效率 6% ~ 15% 汽油机的效率 20～40% 喷气发动机的效率 50～60% 知识点2：热机的效率 探究新知 (4) 提高热机效率的主要途径 ①使燃料充分燃烧 把煤磨成煤粉或煤粒，加大煤与氧气的接触面积，使其燃烧得更充分，从而提高燃料的利用率。 ②尽量减少各种热量损失 对锅炉进行外部隔热处理，可以避免热能向外丢失。 知识点2：热机的效率 探究新知 ③尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量 热电站：大型发电机常常由蒸汽轮机推动 ，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热。这种既供电又供热的热电站，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 发电 供暖 知识点2：热机的效率 探究新知 ④热机设计制造，提高技术和使用新材料。 ⑤保证良好润滑，减少摩擦额外消耗的功。 拉力赛车进站维修 汽车发动机添加机油 知识点2：热机的效率 探究新知 知识点2：热机的效率 探究新知 【典例2】如图是某汽油机的主要能量流向和相关参数图，下列说法正确的是（     ） A．有用机械能所占比例最大 B．废气带走的能量占比为25% C．该汽油机的效率为35% D．减少机械摩擦能提高汽油机效率 D 知识点2：热机的效率 探究新知 【典例3】狮山镇不少家庭浴室使用燃气热水器提供热水，小红家安装了天然气热水器，已知水进入热水器前的温度是20℃，洗澡时热水器输出热水的温度设定为40℃；水的密度，水的比热容，求： (1)如果洗一次澡用热水50L，这些热水从热水器中吸收了多少热量？ (2)若洗一次澡消耗的天然气。已知天然气的热值为，根据上述数值，这个天然气热水器的加热效率是多少？ 知识点2：热机的效率 探究新知 【详解】（1）根据密度公式可知， 水的质量 根据比热容公式可知，水吸收的热量 （2）根据热值公式可知， 天然气放出的热量 根据效率公式可知， 该热水器的加热效率 知识点2：热机的效率 探究新知 【典例4】一辆燃油汽车沿平直公路匀速行驶了108km，所用时间为1h，消耗汽油10kg，汽车行驶过程中所受阻力恒为1380N（汽油的热值取）。求解下列问题： (1)牵引力所做的功。 (2)燃料完全燃烧放出的热量。 (3)汽车发动机的效率。 【详解】（1）汽车在该过程中匀速直线行驶，牵引力与阻力是一对平衡力，大小相等， 牵引力做的功 （2）汽油完全燃烧放出的热量 （3）汽车发动机的效率 知识点2：热机的效率 探究新知 科学·技术·社会·环境 1. 蒸汽机 生产的发展需要强大的动力。17世纪，人类发明了热机。最早的热机是蒸汽机。在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在汽缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用，后来许多人对它不断改进，其中贡献最大的是英国人瓦特，他在1782年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以 广泛使用的动力机。 这种蒸汽机在之后的一百多年里对工业的发展起了极其 重要的作用。斯蒂芬森以此为基础最先研制了的“火箭号” 蒸汽机车。 从火车到火箭 科学·技术·社会·环境 探究新知 “火箭号”蒸汽机车 2. 蒸汽轮机 电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机。1884年出现的蒸汽轮机满足了这个需要。大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，使蒸汽轮机转动。 蒸汽轮机 科学·技术·社会·环境 探究新知 3. 内燃机 交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机。于是，内燃机应运而生。内燃机有汽油机、柴油机两大类。 汽油机是1876年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机运行时不需要携带很多水和煤，不但轻便，效率也提高了很多。内燃机的出现和不断改进，对交通运输事业的现代化起到了决定性的作用。 内燃机——摩托车使用汽油机，挖土机使用柴油机，货船使用大型柴油机。 4. 喷气发动机 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从上世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用空气喷气发动机，它需要用大气中的氧气来助燃，向后喷出高速气体，从而获得前进的动力。 火箭上使用的喷气发动机自带燃料和氧化剂，工作时不需要空气，可以在大气层外工作。 目前最常用的是液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。 空气喷气发动机 科学·技术·社会·环境 探究新知 5. 中国火箭 在“中国航天之父”钱学森的带领下，一代代中国航天人不断发展火箭技术，将人造卫星、宇宙飞船、空间站等送入太空，使我国成为航天强国。 长征五号火箭发射 钱学森（1911—2009） 科学·技术·社会·环境 探究新知 课堂小结 热机效率 燃料 热值 热机的效率 分类：固体燃料、液体燃料、气体燃料。 燃料燃烧过程中化学能转化为内能。 定义：燃料完全燃烧时放出的热量与燃料质量之比。 定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比。 公式： 单位： 焦/千克（J/kg） 焦/立方米，（J/m³） 或 公式： 提高热机效率的方法 课堂小结 课堂练习 课堂练习 1．一瓶酒精，如果倒去一半，再使它的温度降低一半，则（     ） A．它的热值变为原来的一半 B．它的比热容变为原来的一半 C．它具有的热量变为原来的四分之一 D．它的比热容和热值都不变 D 课堂练习 2．在一个标准大气压下，在不计热量损失的情况下，完全燃烧热值为的干木柴1kg，能使、的水温度升高到（     ） A． B． C． D．无法确定 B 课堂练习 【详解】根据热值公式可知，完全燃烧放出热量 不计热量损失，水吸收的热量 根据比热容公式可知， 水升高温度 理论末温 但一个标准大气压下水的沸点为100℃，水沸腾时持续吸热，温度保持不变，因此水的温度最终只能升高到100℃。 课堂练习 3．2024年4月，我国研制的全球首款本体热效率达53.09%的柴油机正式亮相世界内燃机大会，刷新了柴油机热效率的世界纪录。热机的效率越高说明（    ） A．做功越多 B．功率越大 C．柴油的热值越大 D．做同样多的有用功消耗的能量越少 D 课堂练习 4．某汽油机的能量流向如图所示，以下说法正确的是（　　） A．热机效率 B．热机效率 C．真正对外做功的能量是和 D． A 水吸收的热量 根据可知水的质量为 课堂练习 5．合理分类和利用垃圾可以变废为宝，在一定条件下，1kg垃圾能“榨”出燃料油，若燃料油的热值为，则这些燃料油完全燃烧释放出的热量为_________J，燃烧时燃料油的热值______，如果这些热量的被水吸收，则可以使______kg的水温度从升高到。[水的比热容为 【详解】燃料油完全燃烧释放出的热量 不变 课堂练习 6．如图所示是我国自行研制的大型客机C919，若它在高空水平定速巡航飞行消耗的航空煤油为，受到的阻力为，航空煤油完全燃烧放出的热量是________J；飞机发动机的热机效率为________（航空煤油热值为） 【详解】[1]航空煤油完全燃烧放出的热量 [2]飞机水平定速巡航时，牵引力与阻力是一对平衡力，大小相等，即 飞行距离 牵引力所做的功 飞机发动机的热机效率 课堂练习 7．小明采用如图所示的装置探究“比较质量相等的不同燃料燃烧时放出的热量”。 燃料 加热前水温/℃ 燃料燃尽后的水温/℃ 酒精 25 65 纸片 25 44 (1)探究过程中，要控制两套装置中燃料的质量和烧杯中水的________和________相等； (2)实验时，可以通过比较________________（选填“加热时间”或“水升高的温度”）来比较酒精和碎纸片放出热量的多少； 质量 初温 水升高的温度 课堂练习 (3)从表格中数据可以发现，质量相同的酒精和碎纸片都充分燃烧后，________放出的热量多； (4)通过实验表明，质量相等的不同燃料，充分燃烧所放出的热量一般是________（选填“相同”或“不同”）的； (5)在学习时，我们把燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量之比（）称为热值，用q表示，这里定义热值的方法，我们称为比值法，热值是能够燃烧的物质的属性。下列用比值法定义，并反映物质属性的物理量有：________（填写序号）。 酒精 不同 ③ 课堂练习 8．据报道，山东烟台一家烤肉店使用玉米作为燃料引发热议。为此小明也存在疑惑，经过查阅资料了解到科学家已经开发出了“乙醇汽油”-即用玉米生产乙醇（酒精），然后按一定的比例与汽油混合，就得到了“乙醇汽油”，可以作为燃料使用，成了一种畅销能源。用10kg的该燃料加热500kg、的水，烧水灶具的效率为，求解下列问题：［，］ (1)10kg的该燃料完全燃烧放出的热量是多少？ (2)水吸收的热量是多少？ (3)水升高的温度是多少？ 课堂练习 【详解】（1）10kg的该燃料完全燃烧放出的热量为 （2）根据知， 水吸收的热量为 （3）根据可得水升高的温度为 此时水的末温是 符合实际。故水升高的温度是60℃ 课堂练习 9．某单缸四冲程汽油机的气缸活塞面积为，一个冲程活塞在气缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为，飞轮1min转动1800周，当汽油机满负荷工作时（不计摩擦，汽油的热值为），求： (1)做功冲程中燃气对活塞的平均压力； (2)一个做功冲程中燃气对活塞做的功和汽油机的功率。 (3)若1min内消耗汽油22.5g，燃料只有90%完全燃烧，该汽油机的效率。 课堂练习 【详解】（1）燃气对活塞的平均压力 （2）已知活塞移动距离 一个做功冲程中燃气对活塞做的功 单缸四冲程汽油机飞轮每转动2周完成1次做功冲程，飞轮1min转动1800周，则1min内做功次数 1min内总功 则汽油机的功率 课堂练习 （3）消耗汽油质量 实际放出的热量 汽油机的效率 课后作业 探究新知 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 $