12.4 热机与社会发展（教学设计）物理新教材沪粤版九年级上册

该初中物理教学设计聚焦热机概念、四冲程汽油机工作原理、能量转化及热机效率等核心知识，通过“水蒸气冲开瓶塞”演示实验直观展示内能转化为机械能，衔接前期内能做功知识，搭建从内能应用到热机原理的学习支架。 此资料特色在于融合科学思维与科学态度，借助汽油机模型、动画模拟建构四冲程物理模型，通过能量流向图分析热机效率（科学思维），结合小组讨论热机环境影响、播放新能源汽车发展视频渗透环保与社会责任（科学态度）。实验与多媒体结合突破难点，助力学生理解抽象过程，教师可直接使用丰富资源提升教学效果。

第4节 热机与社会发展（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第4节 热机与社会发展 教学 目标 物理观念 知道热机的概念，了解内燃机是热机的一种。理解热机工作过程中的能量转化情况。知道四冲程汽油机的工作原理，能识别吸气、压缩、做功、排气四个冲程。了解热机效率的概念及其提高途径。 科学思维 通过观察演示实验和动画模拟，建立热机工作的物理模型。运用能量守恒观点分析热机工作过程中的能量流向。通过分析热机效率低的原因，培养批判性思维和问题解决能力。 科学探究 观察试管中水蒸气推动塞子的实验，体验内能做功的过程。通过拆解或观察汽油机模型，探究活塞运动与气门开闭的关系。 科学态度 与责任 认识热机对人类社会发展的巨大推动作用。关注热机使用带来的环境污染问题，增强环保意识和可持续发展观念。了解我国在热机技术及新能源汽车领域的进步，激发民族自豪感。 教材 分析 本节内容是第十二章的最后一节，也是内能知识应用的综合体现。教材首先通过“水蒸气冲开瓶塞”的实验，直观展示内能可以转化为机械能，从而引出热机的定义。接着，以最常见的汽油机为例，详细介绍了四冲程内燃机的工作过程，这是本章的难点。最后，教材讨论了热机效率、燃料燃烧对环境的影响以及热机技术的发展，体现了从物理走向社会、从技术走向生活的课程理念。 重点：四冲程汽油机的工作原理；热机中的能量转化。 难点：四冲程的判断（特别是压缩冲程和做功冲程的区别）；热机效率的理解及提高途径。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已经学习了内能、改变内能的方式（做功和热传递），知道高温高压气体膨胀可以做功，这为理解热机原理奠定了基础。 2. 思维能力分析：九年级学生具备一定的逻辑推理能力，但热机内部结构复杂，运动部件多且快，学生难以直接观察清楚，需要借助多媒体动画或模型来辅助理解抽象的工作循环。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对汽车、摩托车等交通工具非常熟悉，但对发动机内部如何工作知之甚少，好奇心强，学习兴趣高。同时，学生对雾霾、温室效应等环境问题有感性认识，易于接受环保教育。 教学重点 四冲程汽油机的工作过程及能量转化。 热机效率的概念及提高方法。 教学难点 准确判断汽油机的四个冲程，特别是压缩冲程和做功冲程中能量转化的区别。 理解热机效率不可能达到100%的原因。 教学 器材 多媒体PPT（包含热机发展史视频、四冲程汽油机工作动画、能量流向图）、汽油机模型（可拆卸或透明演示模型）、铁架台、试管、水、酒精灯、橡胶塞。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【演示实验】 教师展示装置：在试管中装适量水，用橡胶塞塞住管口，加热至水沸腾。 【提出问题】 看到什么现象？ 现象：水沸腾产生大量水蒸气，最终橡胶塞被冲出，管口出现“白气”。 塞子被谁推出去的？能量是如何转化的？ 分析：水蒸气对塞子做功，将塞子推出。水蒸气的内能转化为塞子的机械能。 这个实验展示了哪种机器的工作原理？ 引出课题：利用内能做功的机器叫做热机。今天我们就来学习《热机与社会发展》。 观察实验，思考并回答问题，进入学习情境。 学习新课 一、热机的种类与发展 1. 汽油机 【过渡】 【教师讲解】 定义：各种利用内能做功的机械统称为热机。 分类：蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、汽轮机、喷气发动机等。 历史回顾：简要介绍瓦特改良蒸汽机引发第一次工业革命，内燃机的发明引发第二次工业革命，强调热机对人类文明进步的推动作用。 【例题1】下列常见机器中属于热机的是（　　） A．抽水机 B．电动机 C．发电机 D．柴油机 【答案】D 【详解】热机是将内能转化为机械能的装置； A．抽水机将其他形式能转化为水的机械能，故A不符合题意； B．电动机将电能转化为机械能，故B不符合题意； C．发电机将机械能转化为电能，故C不符合题意； D．柴油机将内能转化为机械能，故D符合题意。 故选D。 阅读课本，列举生活中见过的热机（如汽车发动机、火箭发动机等）。 做例题1，完成相关题目。 学习新课 二、内燃机 1. 汽油机 【过渡】 内燃机是现代社会应用最广泛的热机。燃料在气缸内燃烧产生高温高压燃气，直接推动活塞做功。我们以汽油机为例进行研究。 【展示模型/动画】 展示汽油机的主要构造：气缸、活塞、进气门、排气门、火花塞、连杆、曲轴、飞轮。 【核心探究】四冲程汽油机的工作循环 一个工作循环包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。 (1) 吸气冲程 动作：进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动。 结果：汽油和空气的混合物进入气缸。 (2) 压缩冲程 动作：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动。 能量转化：活塞压缩气体做功，机械能转化为内能。 状态：气体温度升高，压强增大。 (3) 做功冲程 动作：进气门和排气门都关闭，火花塞点火（产生电火花），燃料猛烈燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞向下运动。 能量转化：燃气的内能转化为活塞的机械能。 地位：这是唯一对外做功的冲程，其他三个冲程靠飞轮的惯性完成。 (4) 排气冲程 动作：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动。 结果：废气排出气缸。 【总结规律】 一个工作循环 = 4个冲程 = 活塞往复2次 = 曲轴转动2周 = 对外做功1次。 只有做功冲程是燃气对外做功，其余三个冲程是辅助冲程，靠飞轮惯性完成。 2. 柴油机 【对比分析】 柴油机的工作过程：柴油机是以柴油为燃料的内燃机。柴油机的气缸顶部没有火花塞，而是装有一个喷油嘴，在高温、高压下使柴油混合物被压燃，推动活塞做功。 展示柴油机与汽油机的区别表格： 项目 汽油机 柴油机 燃料 汽油 柴油 构造 顶部有火花塞 顶部有喷油嘴 吸入物质 汽油和空气混合物 只有空气 点火方式 点燃式 压燃式 效率 较低 (20%-30%) 较高 (30%-45%) 应用 小汽车、摩托车 卡车、轮船、坦克 【点拨】 柴油机压缩程度更大，效率更高，但机身笨重，噪音大。 【例题2】汽油机是热机的一种。如图所示是四冲程汽油机工作状态示意图，由图可以看出，此时它正处在___________冲程。若汽油机飞轮转速为3600 r/min，则该汽油机1 s内对外做功___________次。 【答案】 做功 30 【详解】两气门关闭、火花塞点火、活塞向下运动，此时为做功冲程 飞轮1s内的转数为 四冲程汽油机飞轮每转2圈对外做功1次，故1s内对外做功次数为 分组观察汽油机模型，了解汽油机重要部件。 手动转动曲轴，观察气门开闭和活塞运动方向，对应四个冲程。 简单了解汽油机和柴油机的区别。 做例题2并进行展示。 学习新课 三、热机效率与环境、社会发展 1. 热机效率 【引导学生推导出热量公式】 【提出问题】 燃料燃烧释放的能量是否全部用来做有用功了？ 【能量流向分析】 展示热机能流图： 燃料完全燃烧释放的能量 。 损失途径： 废气带走大量热量（主要损失，约占30%-40%）。 散热损失（气缸壁散热）。 机械摩擦损失。 有用功 。 【定义】 热机效率 ：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： 【讨论】如何提高热机效率？ 使燃料充分燃烧（如改进燃烧室结构）。 减少各种热量损失（如利用废气能量，加装涡轮增压）。 减少机械摩擦（如良好润滑）。 2. 热机与环境、社会发展 【小组讨论】 热机的大量使用给社会带来了什么？ 正面：交通便利，生产力提高，生活质量改善。 负面： 大气污染：排放二氧化碳（温室效应）、二氧化硫（酸雨）、氮氧化物、粉尘（PM2.5）。 噪声污染。 能源危机：化石燃料不可再生。 【对策与展望】 改进热机技术，提高效率，减少排放。 使用清洁能源（天然气、乙醇汽油）。 发展新能源汽车（电动汽车、氢燃料电池车）。 提倡绿色出行（公交、骑行）。 【视频播放】 《中国新能源汽车的发展》或《蓝天保卫战》，激发学生的社会责任感和科技感。 【例题3】汽车是现代生活中最常见的一种交通工具，如图是某汽油机的能量流向图。由图可知，该汽油机的效率为________。 【答案】28% 【详解】热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，由图可知，输出有用机械能所占比例为 即该汽油机的效率为。 思考问题，根据能量流向图，从而推导出热机效率的计算公式。 知道提高热机效率的方法。 知道热机使用的正面和负面影响，以及相关的对策。 做例题4并进行交流回答。会运用热机效率公式进行有关计算。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．汽油机工作循环中，属于内能转化为机械能的冲程是（     ） A．做功冲程 B．吸气冲程 C．排气冲程 D．压缩冲程 【答案】A 【详解】A.做功冲程中高温高压燃气推动活塞对外做功，将内能转化为机械能，故A符合题意； BC.吸气、排气冲程无能量转化，故BC不符合题意； D.压缩冲程将机械能转化为内能，故D不符合题意。 故选A。 2．如图所示为汽油机的四冲程示意图，下列说法中正确的是（     ） A．一个工作循环的正确顺序是：丁→乙→丙→甲 B．丙冲程是内能转化为机械能 C．乙冲程中存在着机械能转化为内能的过程 D．丁冲程吸入汽缸的是汽油和空气的混合物 【答案】D 【详解】由图可知：甲图进气门关闭、排气门打开，活塞向上运动，为排气冲程；乙图两气门关闭，活塞向下运动，为做功冲程；丙图两气门关闭，活塞向上运动，为压缩冲程；丁图进气门打开、排气门关闭，活塞向下运动，为吸气冲程。 A. 汽油机一个工作循环顺序为吸气(丁)→压缩(丙)→做功(乙)→排气(甲)，故A错误； B. 丙为压缩冲程，将机械能转化为内能，与B选项表述不符，故B错误； C. 乙为做功冲程，将内能转化为机械能，不存在机械能转化为内能的过程，与C选项表述不符，故C错误； D. 丁为吸气冲程，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，故D正确。 故选D。 3．如图所示的实验，用酒精灯加热试管里的水，产生的水蒸气将橡胶塞冲向空中。下列说法正确的是（     ） A．水蒸气对橡胶塞做功，水蒸气的内能不变 B．能量转化的顺序为：化学能内能机械能 C．加热试管中的水，是用做功的方式使水的内能增加 D．塞子被推出试管口的过程与内燃机吸气冲程的能量转化情况相同 【答案】B 【详解】AB．酒精燃烧将化学能转化为内能，水蒸气膨胀将橡胶塞冲出，将内能转化为机械能，水蒸气的内能减小，能量转化的顺序为：化学能→内能→机械能，故B正确，A错误； C．加热试管中的水，是通过热传递的方式使水的内能增加，故C错误； D．塞子被推出试管口的过程，内能转化为机械能，与内燃机做功冲程的能量转化情况相同，故D错误。 故选B。 4．关于汽油机和柴油机的主要区别，其中正确的是（     ） A．柴油机的顶部是火花塞，汽油机的顶部有喷油嘴 B．在做功冲程中，柴油机的点火方式叫点燃式，汽油机的点火方式叫压燃式 C．柴油机比汽油机笨重，功率较小 D．柴油机吸入汽缸的只是空气，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物 【答案】D 【详解】A．汽油机顶部为火花塞，柴油机顶部为喷油嘴，故A错误； B．做功冲程里，汽油机靠火花塞电火花点燃油气混合物，是点燃式；柴油机依靠压缩空气产生的高温直接点燃柴油，是压燃式，故B错误； C．柴油机比汽油机笨重，且压缩比更大，功率更大，故C错误； D．吸气冲程中柴油机吸入汽缸的只有空气，汽油机吸入的是汽油和空气的混合物，故D正确。 故选D。 5．提高热机效率能缓解能源紧缺问题。下列关于热机效率的说法中，正确的是（ ） A．热机效率高，就没有环境污染 B．柴油机的效率一般低于汽油机的效率 C．减少内部部件间的摩擦可提高热机效率 D．使用有热机的新能源汽车，热机效率可达到100% 【答案】C 【详解】A．热机效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，热机效率高只能说明有用功占比高，但热机工作时仍会有废气等产生，还是会有环境污染，故A错误； B．柴油机的压缩比更大，燃料燃烧更充分，所以柴油机的效率一般高于汽油机的效率，故B错误； C．减少内部部件间的摩擦，可以减少额外功的消耗，从而提高用来做有用功的能量占比，即提高热机效率，故C正确； D．热机在工作过程中，不可避免地要克服机械部件间的摩擦做额外功，同时废气也会带走一部分能量，所以热机效率不可能达到100%，故D错误。 故选C。 6．如图所示，汽油机在该冲程过程中，将____________能转化为____________能。一台单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1200r/min，则汽油机每秒钟完成____________个冲程。 【答案】 内 机械 40 【详解】由图中气门均关闭、火花塞点火、活塞向下运动，可知该冲程为做功冲程，将内能转化为机械能。 飞轮每秒转动的圈数为 因四冲程汽油机飞轮每转1圈完成2个冲程，故每秒完成的冲程数为个 7．除了燃料使用柴油以外，柴油机与汽油机的不同之处还在于：柴油机在结构上有__________（选填“火花塞”或“喷油嘴”），在吸气冲程中，____________（选填“空气”或“汽油和空气”）通过进气阀进入汽缸等。 【答案】 喷油嘴 空气 【详解】汽油机与柴油机的结构上不同之处是：汽油机顶部是个火花塞，柴油机的顶部是喷油嘴； 汽油机吸入汽缸的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入汽缸的是空气。 8．一台柴油机的热机效率为，表示的意义是：___________的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比为___________，用这台柴油机工作时，完全燃烧的柴油可做有用功___________。（柴油的热值为） 【答案】 热机用来做有用功 【详解】热机效率等于热机所做的有用功与燃料完全燃烧放出的能量之比；一台柴油机的热机效率为，表示的意思是热机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为； 完全燃烧柴油放出的热量为 由，可知做的有用功为 9．一柴油机完全燃烧柴油后，放出8×108J的热量，要损失4.8×108J的能量，得到了________J的机械能，该柴油机的效率是________。 【答案】 40% 【详解】柴油机得到的机械能为 该柴油机的效率为 板 书 设 计 第4节 热机与社会发展 一、热机 定义：利用内能做功的机械。 能量转化：内能 机械能。 种类：蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、汽轮机等。 二、汽油机（四冲程） 吸气冲程：进气门开，活塞下行，吸入混合物。 压缩冲程：两门关，活塞上行，机械能 内能。 做功冲程：两门关，点火，活塞下行，内能 机械能（对外做功）。 排气冲程：排气门开，活塞上行，排出废气。 关系：1循环 = 4冲程 = 2转 = 1次做功。 三、热机效率 公式： 提高途径：充分燃烧、减少散热、减少摩擦。 四、环境与社会 污染：废气、噪声。 对策：节能减排、新能源开发。 课 堂 小 结 第4节 热机与社会发展 作 业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $