第14章 内能的利用（知识清单）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理单元知识清单全面梳理了“内能的利用”单元内容，涵盖能量转化与守恒、热机原理及效率、跨学科实践三大知识范畴，搭建了从概念辨析到规律应用再到实践操作的递进式学习支架。 清单采用“知识点分级+易错点专项突破”呈现知识体系，如标注“1421”工作循环规律为必考重点，用“消耗XX能，得到XX能”口诀强化转化判断，培养能量观念与科学思维。设置热机模型制作及故障分析，融入安全规范，助力科学探究，教师可利用对点训练精准教学，学生能自主攻克难点。

第十四单元 内能的利用 第1节 能量的转化与守恒 知识点一、多种形式的能量 自然界中存在多种能量，常见分类： 1. 机械能： 与 的总和即为机械能。 2. 内能：物体内 与 总和， 都有内能；例：热水、高温燃气 3. 电能：电荷定向移动产生；例：电池、电网供电 4. 光能：发光物体携带；例：太阳光、灯光 5. 化学能：储存在燃料、食物、电池中；例：汽油、煤炭、水果、干电池 6. 核能：原子核裂变、聚变释放的能量；例：核电站、太阳发光发热 知识点二、能量的转化与转移 1. 能量转化（能量形式发生改变） 判断口诀：消耗 XX 能，得到 XX 能 2. 能量转移（能量形式不变） 只有热传递属于能量转移：高温物体内能转移到低温物体，始终是内能，形式不变。 易错提醒：转化≠转移：形式变 = 转化；形式不变 = 转移。 知识点三、能量守恒定律 1. 定律完整内容 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持 。 2. 两层核心含义 （1）能量不会凭空产生 / 消失（无中生有、凭空消失都不可能）； （2）转化、转移全过程，所有能量加起来总和不变。 教材延伸：永动机问题 （1）永动机设想：不消耗任何能量，却能源源不断对外做功的机器； （2）无法制造的原因：违背能量守恒定律，机器对外做功必然消耗能量，能量不可能无限凭空产生。 特别提醒 能量转化过程中，总会有一部分能量以热量形式散失（损耗），但散失的内能依然属于总能量，总能量不变。 第2节 热机 知识点一、热机 1. 热机定义 利用 的机械，统称为热机。 2. 工作原理 通过燃料燃烧将 转化为 ，再通过做功将 转化为 。 3. 常见热机分类 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。其中 是生活中最常用的热机，分为 和 。 特别提醒： 1. 热机的核心能量转化：化学能→内能→机械能； 2. 热机是将内能转化为机械能的装置，区别于电热器（电能转内能）。 教材延伸：压缩空气引火仪实验 下压活塞，活塞对筒内空气做功，空气内能增大、温度升高，点燃硝化棉，证明外界做功内能增加。 4. 做功和热传递改变物体内能的本质上是 的。 知识点二、汽油机 1. 汽油机主要构造 气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆。 关键部件：火花塞（点火）、气门（进气、排气）、活塞（往复运动做功）。 2. 汽油机四冲程完整工作循环 汽油机一个工作循环由 、 、 、 四个冲程组成，循环往复持续工作。 冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 工作 示意图 （1）吸气冲程 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入 和 的混合物；无能量转化。 （2）压缩冲程 进气门、排气门全部关闭，活塞向上运动，压缩气缸内混合气体； 转化为 ，气体内能增加、温度升高。 （3）做功冲程（唯一做功冲程） 气门全部关闭，火花塞点火，燃料剧烈燃烧产生高温高压燃气，推动活塞向下运动，带动曲轴转动； 转化为 ，为热机提供动力。 （4）排气冲程 排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，排出气缸内废气；无能量转化。 3. 汽油机工作循环核心规律（必考） 一个工作循环 = 个冲程 → 活塞往复 次 → 曲轴转动 圈 → 对外做功 次。 特别提醒 （1）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程依靠飞轮惯性完成； （2）压缩冲程：机械能→内能；做功冲程：内能→机械能；其余冲程无能量转化。 知识点三、柴油机与汽油机的异同 1. 构造差异 汽油机顶部是 ；柴油机顶部是 （无火花塞）。 2. 工作过程差异 （1）吸气冲程：汽油机吸入 和 混合物；柴油机只吸入 。 （2）点火方式：汽油机 （火花塞点火）；柴油机 （压缩空气升温，柴油自燃）。 3. 性能特点 柴油机压缩比更大、功率更大、更省油，多用于货车、拖拉机、轮船；汽油机转速快、噪音小，多用于轿车、摩托车。 特别提醒：汽油机和柴油机工作循环规律完全相同，均为：1工作过程、4冲程、2圈、1次做功。（1421） 第3节 热机的效率 知识点一、燃料的热值 1. 定义 1kg（或1m³）某种燃料 放出的热量，叫做这种燃料的热值。符号：q。 关键词：完全燃烧（充分燃烧，无燃料残留）。 2. 单位 （1）固体、液体燃料： ； （2）气体燃料： 。 3. 计算公式 （1）固、液体燃料完全燃烧放热：__________ （2）气体燃料完全燃烧放热：__________ 4. 物理意义（必考表述） 例：酒精热值，表示：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×10⁷J。 5. 热值的特性（易错重点） 热值是燃料本身的一种 ，只与燃料的 有关，与燃料的质量、体积、燃烧是否充分、是否燃烧均无关。 特别提醒： （1）燃料燃烧不充分，只是放出热量变少，热值不变； （2）热值越大，代表相同质量燃料完全燃烧放热能力越强。 知识点二、热机的效率 1. 燃料的有效利用 （1）燃料的利用率 有效利用的 与燃料 的比值，叫做燃料的利用率； 计算公式： （2）影响燃料利用率的因素 ①燃料未完全燃烧；②高温烟气带走的热量；③被容器、炉具、周围的空气等吸收的热量。 （3）提高燃料利用率的途径： ①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等； ②减少热量损失，如加大有效受热面积等。 2. 内燃机中燃料燃烧的能量流向图 3. 热机效率 （1）定义：用来做 与 的比值。 （2）计算公式： 对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。 （3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。 （4）常见热机效率：蒸汽机6%—15%，汽油机20%—30%，柴油机30%—45%。 易错提醒 （1）效率是比值，无单位，用百分数表示。 （2）热值高低与热机效率无必然联系；热值大不代表效率高，且热机效率小于100%（存在能量损耗，无法完全利用）； （3）效率越高，代表燃料能量利用率越高，越节能。 4. 提高热机效率的主要途径 （1）改善燃烧的条件，使 （将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）； （2） （I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）； （3）在热机设计和制造上， ； （4）保障良好的润滑， 。 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 知识点一、热机知识 1.热机定义：利用 ，将 转化为 的装置。 2.完整能量转化：燃料 。 3.真实内燃机局限：结构复杂、体积大，课堂可用简易模型模拟核心做功过程。 4.实践核心目标：模拟 “内能推动物体运动” 这一热机本质，不复刻完整四冲程。 知识点二、两种简易热机模型 方案一：蒸汽推动叶轮模型（推荐，安全易操作） 1. 所需材料 空金属易拉罐 / 铝盒、细吸管、塑料瓶盖叶轮、橡皮泥、蜡烛、支架、剪刀、清水。 2. 制作步骤 （1）易拉罐侧面扎小孔，插入吸管，橡皮泥密封缝隙（保证气密性）； （2）罐内装入少量清水，放置在支架上； （3）吸管出口对准塑料叶轮叶片； （4）蜡烛放在易拉罐底部加热。 3. 工作原理 蜡烛燃烧化学能→水内能，水汽化产生高温高压水蒸气；水蒸气高速喷出冲击叶轮，内能转化为叶轮转动的机械能。 方案二：气球喷气小车（极简喷气热机） 1. 所需材料：塑料瓶盖车轮、吸管、架车身、气球、胶带 2. 制作步骤 吸管固定在硬纸板上，气球口套在吸管一端密封，纸板下方安装车轮；吹大气球后堵住管口，松开手小车向前运动。 3. 工作原理 气球内压缩空气内能释放，向后喷出气流，内能转化为小车运动机械能，模拟喷气发动机。 易错提醒 气密性是模型能否正常工作的关键，漏气会导致内部气压不足，动力微弱或不转动。 知识点三、安全操作规范 1.加热类模型（蒸汽款）禁止用手触碰金属罐体、喷出蒸汽，防止烫伤； 2.蜡烛远离纸张、塑料等易燃物品，实验结束立刻熄灭火源； 3.剪刀、美工刀使用时规范操作，避免划伤； 4.喷气模型不对准人、眼睛，防止气流冲击。 知识点四、模型故障分析与优化改进 1. 故障 1：叶轮不转动 / 小车不动 原因：装置漏气、水量太少、加热温度不足、喷气口堵塞； 改进：橡皮泥加固密封、增加适量水、调大火焰、疏通吸管。 2. 故障 2：动力很小，转动缓慢 原因：蒸汽喷出量不足、叶轮过重、喷气口过大； 改进：减轻叶轮质量、缩小出气小孔、增加加热时间。 3. 能量损耗分析（跨学科拓展） 模型能量损耗：罐体散热、漏气损失内能、摩擦损耗机械能； 优化思路：加厚隔热外壳、完全密封、转轴处涂抹润滑油减小摩擦。 易错点01：能量的“转化”与“转移”判断错误 【错因辨析】 转化：能量形式发生改变的过程，本质是不同种类能量之间的相互转换。例如，燃料燃烧时化学能变为内能，电动机工作时电能变为机械能，均属于转化。判断关键在于“形式是否变化”——若输入和输出的能量类型不同，则为转化。 转移：能量从一个物体传到另一个物体，但形式不变，仅发生空间位置或归属的改变。在初中物理范畴内，只有热传递属于能量转移，且始终是内能的传递。例如，热水袋暖手、太阳辐射使地面升温，都是高温物体将内能转移给低温物体，过程中能量始终是内能，未变成其他形式。 【对点训练】 1．下列四种现象中，只发生能量的转移而不发生能量的转化的过程是（     ） A．烧水时，水蒸气顶起壶盖 B．植物吸收太阳光进行光合作用 C．冬天，用手摸户外的金属杆时手感到凉 D．给电动车的蓄电池充电 2．（25-26九年级上·甘肃临夏·阶段检测）下列过程中，能量发生转移的是（     ） A．杯中的热水慢慢变凉 B．水沸腾时，水壶盖被向上顶起来 C．在磨刀石上磨刀时，刀会变热 D．飞驰而过的流星拖着一条发光的尾巴 易错点02：不理解能量守恒，相信永动机可以实现 【错因辨析】 能量不会凭空产生，永动机希望不消耗能量源源不断对外做功，违背能量守恒定律，永远无法实现；注意：能量守恒≠能量可以随意利用，能量转化具有方向性。 【对点训练】 3．记忆合金是一种特殊的材料，能够记住自身的形状，不论发生怎样的形变，稍微加热就会恢复如初。如图所示为“记忆合金魔轮”，安装在魔轮上的记忆合金弹簧在高于其“转变温度”的水中缩短，在空气中伸长，在力的作用下，魔轮便转动起来了。若在下面放上热水，魔轮就会不停地转下去，就制成了一个“永动机”。下列有关说法正确的是（     ） A．此魔轮“永动机”的设想遵循能量守恒定律 B．“魔轮”不停转动过程中不会消耗任何能量，节约能源 C．记忆合金弹簧在空气中伸长、在热水中缩短时，是自己创造的能量 D．“永动机”是不可能实现的 4．（25-26九年级上·河南焦作·阶段检测）有人设计出如图所示的“永动机”，认为小球的重力势能和动能之间会不断地相互转化，从而实现“永动”，根据你所学的知识，能判断下列说法正确的是（     ） A．这款永动机没有重力势能和动能之间的转化 B．这款永动机能实现“永动”是因为机械能守恒 C．即使科学技术不断发展永动机也不可能实现 D．按照能量守恒定律，永动机是可能被制造的 易错点03：内燃机工作过程中相关计算 【错因辨析】 学生常混淆内燃机工作循环中冲程数、活塞运动次数、曲轴转数与做功次数的数量关系，易误判做功次数、错算单位时间做功次数。例如已知汽油机飞轮转速为XX r/min，计算每秒做功次数时，易直接用转速除以60，忽略“每2圈做功1次”，结果偏大一倍。 正确解题需紧扣“1个工作循环 = 4冲程 = 活塞往复2次 = 曲轴转2圈 = 对外做功1次”：若飞轮转速为n r/min，则每秒做功次数为n/120；能量转化计算中，只有做功冲程将内能转化为机械能，其余冲程不产生有用功，勿将压缩冲程消耗的机械能计入输出功。 典型错误还包括：混淆柴油机与汽油机的吸气内容，误认柴油机吸入柴油与空气混合物；效率计算中气体燃料误用Q=mq，忽视热值单位和燃料状态的对应关系。 解决关键是回归四冲程本质，结合数据分步分析，不凭直觉套用结论。 【对点训练】 5．（25-26九年级上·四川泸州·阶段检测）高速行驶的汽车，汽油机高效做功保动力。某四冲程汽油机工作过程中提供动力的冲程是___________，汽油机的转速是1500 r/min，那么1 min里，该汽油机的冲程数为___________个，燃气做功次数为___________次。 6．（25-26九年级上·江苏泰州·阶段检测）四冲程汽油机中的__________冲程是提供动力的，已知该汽油机飞轮转速为，能量输出效率为20%，则该汽油机每秒钟对外做功__________次；若该发动机完全燃烧的汽油能够输出的有用功为__________。（汽油的热值为） 易错点 04 对热值概念理解错误 【错因辨析】 热值是燃料固有属性，只看燃料种类，和质量、是否充分燃烧无关。 的指完全燃烧放出的热量；燃料不完全燃烧，实际放热小于该计算值。 【对点训练】 7．关于燃料的热值，以下说法正确的是（     ） A．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 B．5g汽油和2kg汽油，它们的热值是一样的 C．当燃料未燃烧时，其热值为零 D．煤油的热值比酒精大，就是说煤油完全燃烧放出的热量比酒精多 8．（23-24九年级上·辽宁辽阳·阶段检测）关于燃料的热值，以下说法正确的是（     ） A．燃烧1千克某种燃料放出的热量叫这种燃料的热值 B．燃料燃烧时，质量越大，热值越大 C．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 D．燃料的热值与燃料的种类有关系，与燃料的质量和燃烧状况无关 易错点 05 混淆热机效率、功率；误认为效率可以达到 100% 【错因辨析】 热机效率：有用的能量占燃料总放热的比值；功率：做功快慢；两者无关联。 热机工作一定有废气散热、摩擦损耗，效率永远小于 100%，不可能达到百分之百。 【对点训练】 9．（23-24九年级上·山东潍坊·阶段检测）关于热机效率，下列说法中正确的是（     ） A．热机做的有用功多，效率一定高 B．热机使用的燃料的热值越大，它的效率越高 C．热机单位时间内耗费的燃料少，效率一定高 D．热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高 10．（24-25九年级下·江苏泰州·阶段检测）一款无人驾驶汽车以20m/s的速度在一段平直的公路上匀速行驶了7km时，消耗汽油1.4kg。若汽油机转速1800r/min，则每秒发动机完成___________个冲程；水箱里用水给汽车发动机降温，这是因为水的___________较大，这个过程是通过___________的方式使水的内能增大。假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为30%，则在这段运动过程中，该汽车做的有用功是___________J，汽车行进过程中受到的阻力为___________N。（汽油的热值是）。 易错点 06 简易热机模型的能量转化顺序搞错 【错因辨析】 模型完整顺序：酒精化学能→内能（加热水）→蒸汽内能→叶轮机械能；不是直接化学能转化机械能，中间经过内能。 【对点训练】 11．（25-26九年级上·湖北恩施·期末）如图某小组同学设计的简易热机模型，他们设想：点燃酒精灯，当导气管出气口有蒸气喷出时，小风车就转动起来，此过程中烧瓶中水蒸气的内能______（选填“增大”或“减小”），是通过______（选填“做功”或“热传递”）方式改变的，但在实验过程中，发现小风车不转动，你的解决办法是______。 12．（25-26九年级上·陕西榆林·期末）如图是小明制作的简易“蒸汽船”模型。将盛有一定量水的玻璃容器安装在“船体”上，用蜡烛对玻璃容器底部加热，一段时间后铜管会向右喷蒸汽，“蒸汽船”就向左行驶。蜡烛对玻璃容器底部加热导致容器内水温升高，这是通过________的方式改变水的内能。当铜管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，该过程将内能转化为________能，该过程中能量的总量________。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第十四单元 内能的利用 第1节 能量的转化与守恒 知识点一、多种形式的能量 自然界中存在多种能量，常见分类： 1. 机械能：动能与势能的总和即为机械能。 2. 内能：物体内分子动能与分子势能总和，一切物体都有内能；例：热水、高温燃气 3. 电能：电荷定向移动产生；例：电池、电网供电 4. 光能：发光物体携带；例：太阳光、灯光 5. 化学能：储存在燃料、食物、电池中；例：汽油、煤炭、水果、干电池 6. 核能：原子核裂变、聚变释放的能量；例：核电站、太阳发光发热 知识点二、能量的转化与转移 1. 能量转化（能量形式发生改变） 判断口诀：消耗 XX 能，得到 XX 能 2. 能量转移（能量形式不变） 只有热传递属于能量转移：高温物体内能转移到低温物体，始终是内能，形式不变。 易错提醒：转化≠转移：形式变 = 转化；形式不变 = 转移。 知识点三、能量守恒定律 1. 定律完整内容 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。 2. 两层核心含义 （1）能量不会凭空产生 / 消失（无中生有、凭空消失都不可能）； （2）转化、转移全过程，所有能量加起来总和不变。 教材延伸：永动机问题 （1）永动机设想：不消耗任何能量，却能源源不断对外做功的机器； （2）无法制造的原因：违背能量守恒定律，机器对外做功必然消耗能量，能量不可能无限凭空产生。 特别提醒 能量转化过程中，总会有一部分能量以热量形式散失（损耗），但散失的内能依然属于总能量，总能量不变。 第2节 热机 知识点一、热机 1. 热机定义 利用内能做功的机械，统称为热机。 2. 工作原理 通过燃料燃烧将化学能转化为内能，再通过做功将内能转化为机械能。 3. 常见热机分类 蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。其中内燃机是生活中最常用的热机，分为汽油机和柴油机。 特别提醒： 1. 热机的核心能量转化：化学能→内能→机械能； 2. 热机是将内能转化为机械能的装置，区别于电热器（电能转内能）。 教材延伸：压缩空气引火仪实验 下压活塞，活塞对筒内空气做功，空气内能增大、温度升高，点燃硝化棉，证明外界做功内能增加。 4. 做功和热传递改变物体内能的本质上是一致的。 知识点二、汽油机 1. 汽油机主要构造 气缸、活塞、火花塞、进气门、排气门、曲轴、连杆。 关键部件：火花塞（点火）、气门（进气、排气）、活塞（往复运动做功）。 2. 汽油机四冲程完整工作循环 汽油机一个工作循环由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成，循环往复持续工作。 冲程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 工作 示意图 （1）吸气冲程 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动，吸入汽油和空气的混合物；无能量转化。 （2）压缩冲程 进气门、排气门全部关闭，活塞向上运动，压缩气缸内混合气体；机械能转化为内能，气体内能增加、温度升高。 （3）做功冲程（唯一做功冲程） 气门全部关闭，火花塞点火，燃料剧烈燃烧产生高温高压燃气，推动活塞向下运动，带动曲轴转动；内能转化为机械能，为热机提供动力。 （4）排气冲程 排气门打开，进气门关闭，活塞向上运动，排出气缸内废气；无能量转化。 3. 汽油机工作循环核心规律（必考） 一个工作循环 = 4个冲程 → 活塞往复2次 → 曲轴转动2圈 → 对外做功1次。 特别提醒 （1）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程依靠飞轮惯性完成； （2）压缩冲程：机械能→内能；做功冲程：内能→机械能；其余冲程无能量转化。 知识点三、柴油机与汽油机的异同 1. 构造差异 汽油机顶部是火花塞；柴油机顶部是喷油嘴（无火花塞）。 2. 工作过程差异 （1）吸气冲程：汽油机吸入汽油和空气混合物；柴油机只吸入空气。 （2）点火方式：汽油机点燃式（火花塞点火）；柴油机压燃式（压缩空气升温，柴油自燃）。 3. 性能特点 柴油机压缩比更大、功率更大、更省油，多用于货车、拖拉机、轮船；汽油机转速快、噪音小，多用于轿车、摩托车。 特别提醒：汽油机和柴油机工作循环规律完全相同，均为：1工作过程、4冲程、2圈、1次做功。（1421） 第3节 热机的效率 知识点一、燃料的热值 1. 定义 1kg（或1m³）某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。符号：q。 关键词：完全燃烧（充分燃烧，无燃料残留）。 2. 单位 （1）固体、液体燃料：J/kg； （2）气体燃料：J/m³。 3. 计算公式 （1）固、液体燃料完全燃烧放热： （2）气体燃料完全燃烧放热： 4. 物理意义（必考表述） 例：酒精热值，表示：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0×10⁷J。 5. 热值的特性（易错重点） 热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、燃烧是否充分、是否燃烧均无关。 特别提醒： （1）燃料燃烧不充分，只是放出热量变少，热值不变； （2）热值越大，代表相同质量燃料完全燃烧放热能力越强。 知识点二、热机的效率 1. 燃料的有效利用 （1）燃料的利用率 有效利用的热量与燃料完全燃烧放出总能量的比值，叫做燃料的利用率； 计算公式： （2）影响燃料利用率的因素 ①燃料未完全燃烧；②高温烟气带走的热量；③被容器、炉具、周围的空气等吸收的热量。 （3）提高燃料利用率的途径： ①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等； ②减少热量损失，如加大有效受热面积等。 2. 内燃机中燃料燃烧的能量流向图 3. 热机效率 （1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。 （2）计算公式： 对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。 （3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。 （4）常见热机效率：蒸汽机6%—15%，汽油机20%—30%，柴油机30%—45%。 易错提醒 （1）效率是比值，无单位，用百分数表示。 （2）热值高低与热机效率无必然联系；热值大不代表效率高，且热机效率小于100%（存在能量损耗，无法完全利用）； （3）效率越高，代表燃料能量利用率越高，越节能。 4. 提高热机效率的主要途径 （1）改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）； （2）减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）； （3）在热机设计和制造上，采用先进的技术； （4）保障良好的润滑，减少机械摩擦。 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 知识点一、热机知识 1.热机定义：利用内能做功，将内能转化为机械能的装置。 2.完整能量转化：燃料化学能内能机械能。 3.真实内燃机局限：结构复杂、体积大，课堂可用简易模型模拟核心做功过程。 4.实践核心目标：模拟 “内能推动物体运动” 这一热机本质，不复刻完整四冲程。 知识点二、两种简易热机模型 方案一：蒸汽推动叶轮模型（推荐，安全易操作） 1. 所需材料 空金属易拉罐 / 铝盒、细吸管、塑料瓶盖叶轮、橡皮泥、蜡烛、支架、剪刀、清水。 2. 制作步骤 （1）易拉罐侧面扎小孔，插入吸管，橡皮泥密封缝隙（保证气密性）； （2）罐内装入少量清水，放置在支架上； （3）吸管出口对准塑料叶轮叶片； （4）蜡烛放在易拉罐底部加热。 3. 工作原理 蜡烛燃烧化学能→水内能，水汽化产生高温高压水蒸气；水蒸气高速喷出冲击叶轮，内能转化为叶轮转动的机械能。 方案二：气球喷气小车（极简喷气热机） 1. 所需材料：塑料瓶盖车轮、吸管、架车身、气球、胶带 2. 制作步骤 吸管固定在硬纸板上，气球口套在吸管一端密封，纸板下方安装车轮；吹大气球后堵住管口，松开手小车向前运动。 3. 工作原理 气球内压缩空气内能释放，向后喷出气流，内能转化为小车运动机械能，模拟喷气发动机。 易错提醒 气密性是模型能否正常工作的关键，漏气会导致内部气压不足，动力微弱或不转动。 知识点三、安全操作规范 1.加热类模型（蒸汽款）禁止用手触碰金属罐体、喷出蒸汽，防止烫伤； 2.蜡烛远离纸张、塑料等易燃物品，实验结束立刻熄灭火源； 3.剪刀、美工刀使用时规范操作，避免划伤； 4.喷气模型不对准人、眼睛，防止气流冲击。 知识点四、模型故障分析与优化改进 1. 故障 1：叶轮不转动 / 小车不动 原因：装置漏气、水量太少、加热温度不足、喷气口堵塞； 改进：橡皮泥加固密封、增加适量水、调大火焰、疏通吸管。 2. 故障 2：动力很小，转动缓慢 原因：蒸汽喷出量不足、叶轮过重、喷气口过大； 改进：减轻叶轮质量、缩小出气小孔、增加加热时间。 3. 能量损耗分析（跨学科拓展） 模型能量损耗：罐体散热、漏气损失内能、摩擦损耗机械能； 优化思路：加厚隔热外壳、完全密封、转轴处涂抹润滑油减小摩擦。 易错点01：能量的“转化”与“转移”判断错误 【错因辨析】 转化：能量形式发生改变的过程，本质是不同种类能量之间的相互转换。例如，燃料燃烧时化学能变为内能，电动机工作时电能变为机械能，均属于转化。判断关键在于“形式是否变化”——若输入和输出的能量类型不同，则为转化。 转移：能量从一个物体传到另一个物体，但形式不变，仅发生空间位置或归属的改变。在初中物理范畴内，只有热传递属于能量转移，且始终是内能的传递。例如，热水袋暖手、太阳辐射使地面升温，都是高温物体将内能转移给低温物体，过程中能量始终是内能，未变成其他形式。 【对点训练】 1．下列四种现象中，只发生能量的转移而不发生能量的转化的过程是（     ） A．烧水时，水蒸气顶起壶盖 B．植物吸收太阳光进行光合作用 C．冬天，用手摸户外的金属杆时手感到凉 D．给电动车的蓄电池充电 【答案】C 【详解】A．水蒸气顶起壶盖是内能转化为机械能，故A不符合题意； B．植物进行光合作用是将光能转化为化学能的过程，故B不符合题意； C．冬天，用手摸户外的金属杆时手感觉到冷，是通过热传递改变内能，是能量的转移过程，故C符合题意； D．给电动车的蓄电池充电，是电能转化为化学能储存起来，是能量的转化过程，故D不符合题意。 故选C。 2．（25-26九年级上·甘肃临夏·阶段检测）下列过程中，能量发生转移的是（     ） A．杯中的热水慢慢变凉 B．水沸腾时，水壶盖被向上顶起来 C．在磨刀石上磨刀时，刀会变热 D．飞驰而过的流星拖着一条发光的尾巴 【答案】A 【详解】A．杯中的热水慢慢变凉，是热水的内能通过热传递的方式转移到周围空气中，内能的形式没有改变，属于能量的转移，故A符合题意。 B．水沸腾时，水壶盖被向上顶起来，是水蒸气的内能转化为水壶盖的机械能，属于能量的转化，故B不符合题意。 C．在磨刀石上磨刀时，刀会变热，是克服摩擦做功，机械能转化为内能，属于能量的转化，故C不符合题意。 D．飞驰而过的流星拖着一条发光的尾巴，是流星克服空气摩擦做功，机械能转化为内能和光能，属于能量的转化，故D不符合题意。 故选A。 易错点02：不理解能量守恒，相信永动机可以实现 【错因辨析】 能量不会凭空产生，永动机希望不消耗能量源源不断对外做功，违背能量守恒定律，永远无法实现；注意：能量守恒≠能量可以随意利用，能量转化具有方向性。 【对点训练】 3．记忆合金是一种特殊的材料，能够记住自身的形状，不论发生怎样的形变，稍微加热就会恢复如初。如图所示为“记忆合金魔轮”，安装在魔轮上的记忆合金弹簧在高于其“转变温度”的水中缩短，在空气中伸长，在力的作用下，魔轮便转动起来了。若在下面放上热水，魔轮就会不停地转下去，就制成了一个“永动机”。下列有关说法正确的是（     ） A．此魔轮“永动机”的设想遵循能量守恒定律 B．“魔轮”不停转动过程中不会消耗任何能量，节约能源 C．记忆合金弹簧在空气中伸长、在热水中缩短时，是自己创造的能量 D．“永动机”是不可能实现的 【答案】D 【详解】A．这个魔轮看似能持续转动，实际是消耗热水的内能来获得动力，它的“永动”设想是想不消耗能量永久工作，本质违背了能量守恒定律，故A错误； B．魔轮转动的能量来自热水的内能，转动过程中需要持续消耗热水的内能，并非不消耗任何能量，故B错误； C．记忆合金弹簧在空气中伸长、在热水中缩短时，是内能与机械能之间发生了转化，并不是自己创造的能量，故C错误； D．所有不消耗能量就永远工作的“永动机”都违背能量守恒规律，不可能实现，故D正确； 故选D。 4．（25-26九年级上·河南焦作·阶段检测）有人设计出如图所示的“永动机”，认为小球的重力势能和动能之间会不断地相互转化，从而实现“永动”，根据你所学的知识，能判断下列说法正确的是（     ） A．这款永动机没有重力势能和动能之间的转化 B．这款永动机能实现“永动”是因为机械能守恒 C．即使科学技术不断发展永动机也不可能实现 D．按照能量守恒定律，永动机是可能被制造的 【答案】C 【详解】A．小球运动时高度和速度变化，存在重力势能和动能的转化，故A错误； B．转动过程中克服摩擦做功，机械能转化为内能，机械能不守恒，无法“永动”，故B错误； CD．永动机违背能量守恒定律，不可能被制造，故C正确，D错误。 故选C。 易错点03：内燃机工作过程中相关计算 【错因辨析】 学生常混淆内燃机工作循环中冲程数、活塞运动次数、曲轴转数与做功次数的数量关系，易误判做功次数、错算单位时间做功次数。例如已知汽油机飞轮转速为XX r/min，计算每秒做功次数时，易直接用转速除以60，忽略“每2圈做功1次”，结果偏大一倍。 正确解题需紧扣“1个工作循环 = 4冲程 = 活塞往复2次 = 曲轴转2圈 = 对外做功1次”：若飞轮转速为n r/min，则每秒做功次数为n/120；能量转化计算中，只有做功冲程将内能转化为机械能，其余冲程不产生有用功，勿将压缩冲程消耗的机械能计入输出功。 典型错误还包括：混淆柴油机与汽油机的吸气内容，误认柴油机吸入柴油与空气混合物；效率计算中气体燃料误用Q=mq，忽视热值单位和燃料状态的对应关系。 解决关键是回归四冲程本质，结合数据分步分析，不凭直觉套用结论。 【对点训练】 5．（25-26九年级上·四川泸州·阶段检测）高速行驶的汽车，汽油机高效做功保动力。某四冲程汽油机工作过程中提供动力的冲程是___________，汽油机的转速是1500 r/min，那么1 min里，该汽油机的冲程数为___________个，燃气做功次数为___________次。 【答案】 做功冲程 3000 750 【详解】四冲程汽油机的做功冲程为工作过程提供动力；由四冲程汽油机工作规律可知，飞轮每转动2周，完成4个冲程，对外做功1次，1min内飞轮转动1500周，汽油机冲程数为 个；1min内燃气做功次数为 次 6．（25-26九年级上·江苏泰州·阶段检测）四冲程汽油机中的__________冲程是提供动力的，已知该汽油机飞轮转速为，能量输出效率为20%，则该汽油机每秒钟对外做功__________次；若该发动机完全燃烧的汽油能够输出的有用功为__________。（汽油的热值为） 【答案】 做功 10 【详解】四冲程汽油机做功冲程，内能转化为机械能，对外提供动力； 飞轮每秒转速为 因四冲程汽油机飞轮每转动2周对外做功1次，故每秒对外做功10次。 汽油完全燃烧放出的总热量为 输出的有用功为 易错点 04 对热值概念理解错误 【错因辨析】 热值是燃料固有属性，只看燃料种类，和质量、是否充分燃烧无关。 的指完全燃烧放出的热量；燃料不完全燃烧，实际放热小于该计算值。 【对点训练】 7．关于燃料的热值，以下说法正确的是（     ） A．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 B．5g汽油和2kg汽油，它们的热值是一样的 C．当燃料未燃烧时，其热值为零 D．煤油的热值比酒精大，就是说煤油完全燃烧放出的热量比酒精多 【答案】B 【详解】ABC．热值是燃料的特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否燃烧、是否完全燃烧等均无关，故AC错误，B正确； D．由可知，燃料完全燃烧放出的热量与热值、质量均有关，不知燃料质量的大小，无法比较放出热量多少，故D错误。 故选B。 8．（23-24九年级上·辽宁辽阳·阶段检测）关于燃料的热值，以下说法正确的是（     ） A．燃烧1千克某种燃料放出的热量叫这种燃料的热值 B．燃料燃烧时，质量越大，热值越大 C．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 D．燃料的热值与燃料的种类有关系，与燃料的质量和燃烧状况无关 【答案】D 【详解】A．热值定义要求燃料完全燃烧，选项未提及完全燃烧条件，故A错误； B．热值是燃料的固有属性，与燃料质量无关，故B错误； C．热值仅由燃料种类决定，与燃烧是否充分无关，故C错误； D．热值是燃料的特性，仅与燃料种类有关，与燃料质量、燃烧状况均无关，故D正确。 故选D。 易错点 05 混淆热机效率、功率；误认为效率可以达到 100% 【错因辨析】 热机效率：有用的能量占燃料总放热的比值；功率：做功快慢；两者无关联。 热机工作一定有废气散热、摩擦损耗，效率永远小于 100%，不可能达到百分之百。 【对点训练】 9．（23-24九年级上·山东潍坊·阶段检测）关于热机效率，下列说法中正确的是（     ） A．热机做的有用功多，效率一定高 B．热机使用的燃料的热值越大，它的效率越高 C．热机单位时间内耗费的燃料少，效率一定高 D．热机做一定的有用功，消耗的燃料越少，效率一定越高 【答案】D 【详解】A．根据，仅大时，若更大，则η可能更低，故A错误； B．根据，燃料热值q大时，若占的比值小，η仍较低，故B错误； C．耗费燃料少即小，若也更小，则η可能更低，故C错误； D．一定时，消耗燃料越少则越小，由可知η越大，效率越高，故D正确。 故选D。 10．（24-25九年级下·江苏泰州·阶段检测）一款无人驾驶汽车以20m/s的速度在一段平直的公路上匀速行驶了7km时，消耗汽油1.4kg。若汽油机转速1800r/min，则每秒发动机完成___________个冲程；水箱里用水给汽车发动机降温，这是因为水的___________较大，这个过程是通过___________的方式使水的内能增大。假设汽油完全燃烧，汽油机的效率为30%，则在这段运动过程中，该汽车做的有用功是___________J，汽车行进过程中受到的阻力为___________N。（汽油的热值是）。 【答案】 60 比热容 热传递 2700 【详解】汽油机转速为即每秒转周。四冲程汽油机每转周完成个冲程，每秒完成冲程数为个。 水的比热容较大，相同质量的水和其他物质升高相同温度时，水能吸收更多热量，适合作为发动机冷却剂。 发动机与水之间存在温度差，热量从发动机传递给水，水通过热传递的方式吸收热量，内能增大。 汽油完全燃烧放出的热量为 汽车做的有用功为 汽车匀速行驶时，牵引力与阻力大小相等。功的计算公式为变形并代入数值可得 易错点 06 简易热机模型的能量转化顺序搞错 【错因辨析】 模型完整顺序：酒精化学能→内能（加热水）→蒸汽内能→叶轮机械能；不是直接化学能转化机械能，中间经过内能。 【对点训练】 11．（25-26九年级上·湖北恩施·期末）如图某小组同学设计的简易热机模型，他们设想：点燃酒精灯，当导气管出气口有蒸气喷出时，小风车就转动起来，此过程中烧瓶中水蒸气的内能______（选填“增大”或“减小”），是通过______（选填“做功”或“热传递”）方式改变的，但在实验过程中，发现小风车不转动，你的解决办法是______。 【答案】 减小 做功 换用更细的导管 【详解】[1][2]点燃酒精灯，化学能转化为内能，给水加热，产生水蒸气，水蒸气从导管喷出，对外做功，推动小风车转动，即水蒸气对外做功，水蒸气的内能减小，这是通过做功的方式改变内能。 [3]实验过程中，发现小风车不转动，通常是因为气流不够大、不够集中，可以换用更细的导管或减小出气口横截面积、换更轻的风车，这样小风车就可以转动起来了。 12．（25-26九年级上·陕西榆林·期末）如图是小明制作的简易“蒸汽船”模型。将盛有一定量水的玻璃容器安装在“船体”上，用蜡烛对玻璃容器底部加热，一段时间后铜管会向右喷蒸汽，“蒸汽船”就向左行驶。蜡烛对玻璃容器底部加热导致容器内水温升高，这是通过________的方式改变水的内能。当铜管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，该过程将内能转化为________能，该过程中能量的总量________。 【答案】 热传递 机械 保持不变 【详解】[1]蜡烛燃烧放出热量被水吸收，水温升高，增大了水的内能，这是通过热传递的方式改变水内能。 [2]当铜管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，此时气体内能减小，“船体”机械能增大，这个过程将内能转化为机械能。 [3]根据能量守恒定律可知，该过程中能量的总量保持不变。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $