14.3 热机的效率 （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燃料的热值与热机效率核心知识点，通过生活情境提问如不同燃料放热差异、汽车能量损耗现象导入，承接热机工作原理，搭建从定性现象到定量分析的学习支架。 以核心素养为导向，融合物理观念（建立能量认知）、科学思维（构建能量分配模型）、科学态度（树立节能意识），通过实验对比、动画演示能量损耗、例题辨析易错点，助学生掌握概念与计算，为教师提供清晰教学流程与丰富资源。

14.3 热机的效率（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第3节 热机的效率 教学 目标 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。 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。 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。 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。 教材 分析 本节是第十四章内能的利用第三节内容，承接上一节热机的工作原理，是热机知识的延伸与实际应用。教材首先引入燃料的热值概念，量化不同燃料的放热能力，给出燃料完全燃烧放热计算公式；再通过分析热机工作时的各类能量损耗，引出热机效率的定义、公式与取值范围，最后总结提高热机效率的方法。本节是初中热学核心计算考点，中考高频考查热值计算、热机效率计算、效率偏低原因分析、节能措施简答，同时衔接能源与环保知识，是理论计算与生活应用、社会责任结合的重点课时。 学情分析 已有基础：学生已经掌握热机工作原理、四冲程能量转化、能量守恒定律，具备基础的物理公式计算能力，了解生活中煤炭、汽油、酒精等燃料的燃烧放热现象。 认知难点：极易混淆“燃料完全燃烧”与“实际燃烧”的区别；分不清热机中有用机械能、损耗内能的去向；容易记错热值单位与效率公式；错误认为“热机效率可以达到100%”；计算时容易遗漏公式单位、步骤不规范。 学习特点：学生对生活化燃料燃烧现象熟悉，但对热值、效率的量化概念陌生，数理结合能力薄弱，需要通过实例拆解、公式对比、错题辨析、规范步骤训练突破难点。 教学重点 燃料热值的概念、单位、物理意义及放热公式计算；热机效率的概念、公式、能量损耗途径； 提高热机效率的常用方法与生活应用。 教学难点 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；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；热机效率综合计算题的规范解题步骤与公式应用。 教学 器材 教师演示器材：酒精、煤油、火柴、烧杯、温水、天平； 多媒体资源：燃料燃烧能量分配动画、热机能量损耗示意图、热值与效率典型例题课件； 学生学习用具：草稿纸、计算题练习单。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 1. 生活情境提问，层层引导： 提问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？ 提问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？ 提问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？ 2. 现象总结： 不同燃料放热能力不同，热机工作时燃料释放的能量无法全部利用，存在大量能量损耗，物理学中用“热值”描述燃料放热能力，用“热机效率”描述能量利用程度。 3. 导入新课： 今天我们学习14.3《热机的效率》，学会量化燃料放热、计算能量利用率，掌握节能方法，板书课题。 【设计意图】从学生熟悉的燃料使用、汽车工作现象切入，制造认知冲突，自然引出热值、热机效率两大核心概念，贴合生活、降低抽象难度。 结合生活经验思考燃料放热差异、汽车发热现象； 思考老师提出来的问题，猜想能量损耗的原因，带着疑问进入新知学习。 学习新课 一、燃料的热值（12min） 1. 概念建构 教师引导学生回顾导入问题：“同样质量的酒精和煤炭，放热一样多吗？”引出热值定义： 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。 强调“完全燃烧”前提，指出热值是燃料本身的一种特性，与是否燃烧、燃烧多少无关。 2. 单位与公式 - 单位：焦每千克（J/kg），气体燃料常用焦每立方米（J/m³）； - 公式：（固体、液体）或 （气体），其中为热值， 为质量， V为体积。 教师板书公式，强调各物理量单位统一，举例说明：如酒精热值为 ，表示1kg酒精完全燃烧放出 热量。 3. 实例辨析 展示常见燃料热值表（教材PXX），对比汽油、柴油、干木柴、氢气等热值差异，提问： - “为什么火箭常用液氢作燃料？”（热值高，单位质量放热多） - “若实际燃烧不充分，放出的热量还等于 qm 吗？”（否，强调“完全燃烧”是公式适用前提） 4. 易错点强化 通过判断题辨析： - “热值大的燃料，燃烧时放热一定多。”（×，还需看质量） - “热值与燃料质量成反比。”（×，热值是固有属性） 5. 过渡衔接 提问：“燃料放出这么多热量，热机真的能全部用来做功吗？”引出下一环节——热机效率，自然过渡到能量利用的实际问题。 【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 【答案】C 【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。 故选C。 知道了热值的概念、表达式和单位 通过例题练习，加深理解热值的概念 学习新课 二、热机的效率（15min） 1. 问题驱动，引出效率概念 教师承接上一环节提问：“燃料完全燃烧放出的热量 ，这部分能量是否全部转化为有用功？”引导学生结合汽车发动机发热、尾气烫手等生活现象思考。 播放热机能量损耗示意图动画，展示燃料燃烧释放的总能量中，一部分转化为推动活塞做功的有用机械能 ，其余则通过废气带走、散热损失、摩擦损耗等途径散失。 2. 定义与公式建构 师生共同归纳： 热机效率是指热机用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的总热量之比。 板书公式： 强调： - 无单位，通常用百分数表示； - 因能量损耗不可避免，故 ； - 公式中 必须按“完全燃烧”计算， 是实际输出的机械功。 3. 典型例题示范 【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 【答案】D 【详解】A．根据图乙，机械自身消耗能量占35%，废气带走能量占40%，有用机械能占比为 有用机械能所占比例不是最大，故A错误； B．由图乙可知，废气带走的能量占比为40%，不是25%，故B错误； C．汽油机的效率等于有用机械能占燃料完全燃烧放出内能的比例，即25%，不是35%，故C错误； D．减少机械摩擦，可以减少机械自身消耗的能量，使更多内能转化为有用机械能，能提高汽油机效率，故D正确。 故选D。 【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？ 【答案】(1) (2)70% 【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 【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。 【答案】(1) (2) (3) 【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 理解热机效率的概念 通过例题练习，加深理解热机能量的走向示意图 通过例题练习，掌握了热水器效率问题的计算方法和技巧 通过例题练习，掌握了热机效率的的计算方法和技巧 课堂练习 课堂练习 课堂练习 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 【答案】D 【详解】ABD．热值是物质的一种特性，大小与质量和温度无关，它的热值不变，比热容是物质的一种特性，大小与质量和温度无关，它的比热容不变，故AB不符合题意，D符合题意； C．热量是热传递过程中传递的能量，不能用具有形容，故C不符合题意； 故选D。 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 【答案】B 【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℃。 故选B。 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 【答案】D 【详解】A．热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，燃料放出的热量未知，做功不一定越多，故A不符合题意； B．功率是表示热机做功快慢的物理量，热机的效率反映的是燃料能量的利用率，二者是不同的物理量，故B不符合题意； C．柴油的热值是燃料本身的一种特性，只和燃料的种类有关，与热机的效率无关，故C不符合题意； D．当热机的效率越高时，说明用来做有用功的能量占燃料完全燃烧产生的能量的比例越大，所以在做同样多的有用功的情况下，高效率的热机消耗的燃料能量会更少，故D符合题意。 故选D。 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． 【答案】A 【详解】A．有用机械能与燃料完全燃烧放出总热量的比值叫做机械效率，即 故A正确； B．只是气缸内实际放出的热量，不是燃料完全燃烧的总热量，故B错误； C．只有是有用机械能，真正对外做功，是实际放出的热量，其中大部分都损失了，并非全部用来做功，故C错误； D．根据能量守恒，， 则 故D错误。 故选A。 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 【答案】 不变 【详解】燃料油完全燃烧释放出的热量 热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与质量和燃烧情况等无关，因此燃烧时燃料油的热值不变； 水吸收的热量 根据可知水的质量为 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） 【答案】 【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 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； (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）。 ①速度    ②功率    ③密度    ④压强 【答案】(1) 质量 初温 (2)水升高的温度 (3)酒精 (4)不同 (5)③ 【详解】（1）本实验使用控制变量法，根据吸热公式，要通过水温变化反映燃料放热多少，需要控制燃料质量，以及烧杯中水的质量和初温相等，才能进行比较。 （2）本实验用转换法比较放热，两种燃料都充分燃烧完，水升高的温度大的，吸收的热量多，即燃料放出的热量多，所以通过观察水升高的温度判断放热多少。 （3）由表格数据可知，酒精燃烧使水温升高了，碎纸片使水温升高了，酒精燃烧使水温升高更大，说明质量相同的酒精完全燃烧放出的热量更多。 （4）实验结果表明，酒精和碎纸片燃烧放出的热量是不同的，即质量相等的不同燃料，充分燃烧放出的热量一般是不同的，这是不同燃料热值不同的体现。 （5）比值法定义且反映物质属性，速度描述运动快慢、功率描述做功快慢、压强描述压力作用效果，都不是物质本身固有的属性；密度是物质的固有属性，与质量和体积的大小无关，用质量和体积的比值定义，符合要求，因此选③。 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？ 【答案】(1) (2) (3)60℃ 【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℃ 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。 【答案】(1) (2)， (3) 【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 （3）消耗汽油质量 实际放出的热量 汽油机的效率 板 书 设 计 第3节 热机的效率 一、燃料的热值 1. 定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比 2. 公式： （固体、液体）；单位：J/kg 3. 物理意义：反映燃料放热能力，是燃料本身的特性 二、热机效率 1. 定义：有用机械能与燃料完全燃烧释放总热量的比值 2. 公式： 3. 能量去向： （ ：燃料完全燃烧放热； ：有用功） 三、提高热机效率的方法 1. 使燃料充分燃烧（如：改善供氧、粉碎燃料） 2. 减少热量损失（如：隔热材料、废气再利用） 3. 减少机械摩擦（如：润滑、精密加工） 4. 合理利用余热（如：热电联产、尾气加热） 四、能源与环保 - 热机效率低 → 能源浪费 + 废气排放 → 加剧环境污染 - 推广高效清洁技术，践行绿色低碳发展理念 课 堂 小 结 第3节 热机的效率 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 本节课进一步将比热容知识延伸至燃料与热机领域，明确了热值作为燃料特性的物理意义，理解了热机效率的定义及其能量分配关系。通过典型例题分析，掌握了利用 、 等公式解决实际问题的方法，并能结合能量流向图判断有效功与损失能量。 反思：是否真正区分了“效率”与“功率”的物理含义？在计算热机效率时，是否准确识别了“总放热”与“有用功”？面对复杂情境（如燃料未完全燃烧、多级能量转换），能否正确应用能量守恒思想进行分步分析？日常生活中，汽车油耗、发电厂选址、余热供暖等现象，又如何用本节知识加以解释？ 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $