14.4 跨学科：热机效率和环境保护 （教学课件）物理新教材沪科版九年级全一册

该初中物理课件围绕燃料的热值、热机效率及环境保护展开，通过生活中煤炭、木材等燃料使用实例提问，引导学生从比较放热能力理解热值，再过渡到热机效率的能量转化与损失分析，构建连贯的知识学习支架。 其亮点在于以科学思维为核心，通过实验探究和能量守恒推理理解热机效率本质，结合环境保护跨学科内容培养科学态度与责任，如分析“碳中和”意义。教学方法注重问题驱动与实例计算，小结系统梳理概念，助力学生形成节能意识，也为教师提供清晰的教学逻辑与丰富资源。

第十四章 内能与热机 第4节 跨学科：热机效率和环境保护 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 建立“热值”概念，理解其物理意义。建立“热机效率”概念，理解效率公式 ，知道效率不可能达到100%。 从能量守恒定律视角，认识能量转化中的损耗与总量不变性。 02 科学思维 通过“永动机”的分析，运用能量守恒定律进行逻辑推理，反驳违背科学原理的方案。 能从跨学科角度综合分析燃料使用与效率提升的路径。 03 科学探究 查阅热值表，比较不同燃料的放热能力。调研当地燃料结构变化，收集数据分析经济与环保效益。开展“空气质量”探究，了解PM2.5 来源与危害，结合政策与科技提出改善建议。 04 科学态度与责任 认识热机效率提升的重要意义，形成节能意识。关注热机使用带来的环境问题。 了解我国在全球气候治理中的积极作为，增强参与环境保护的社会责任感。 教学重难点 教学难点 教学重点 1.热值的定义、物理意义及简单计算 2.热机效率的概念、公式 ，知道效率不可能达到 100%。 3.热机能量损失的主要途径及提高效率的基本思路。 4.热机使用带来的环境问题及绿色低碳的理念。 1.热机效率与热值是两个容易混淆的概念。 2.从能量守恒视角解释效率不可能为100%的逻辑推理。 3.将热学知识与化学、环境科学、工程结合，对学生综合分析能力要求较高。 课堂引入 烧水做饭、火力发电、直入苍穹的火箭等都离不开燃料。从人类学会用火至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃料的燃烧获得的。燃料燃烧是化学能转化为内能的过程。释放相同的热量，不同燃料燃烧掉的质量是否相同？ 煤炭 木材 汽油 天然气 知识点1 燃料的热值 探索新知 结论：释放相同的热量，不同燃料燃烧掉的质量是不同的。 探究：释放相同的热量，不同燃料燃烧掉的质量是否相同？ 知识点1 燃料的热值 探索新知 那如何比较不同燃料的放热能力呢？ 这意味着不同燃料燃烧时的放热能力是不同的。 知识点1 燃料的热值 回忆：我们是如何比较物体运动快慢的？ 时间相同比路程，路程相同比时间。 燃料放出的热量相同时，比较燃烧掉的质量，质量小的放热能力强。 燃料燃烧掉的质量相同时，比较放出的热量，热量多的放热能力强。 如果燃料放出的热量不相同，燃烧掉的质量也不相同，该如何比较呢？ 探索新知 知识点1 燃料的热值 人们把某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。热值用字母 q 表示。 Q：燃料完全燃烧释放的热量，单位：J m：燃料的质量，单位：kg q：燃料的热值 ，单位：J/kg 1、公式 公式变形： 探索新知 知识点1 燃料的热值 2、热值表 你能从表里找到哪些规律？ ①同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同。但有例外。 类似于密度和比热容，热值是燃料的一种固有性质。所以不同 的燃料有不同的热值。 探索新知 知识点1 燃料的热值 2、热值表 你能从表里找到哪些规律？ ②表中热值最大的是氢，热值1.4×108J/kg，热值最小的是干木柴，热值1.2×107J/kg. ③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。如氢的热值为1.4×108J/kg，它表示：1kg氢完全燃烧时放出的热量是1.4×108J。 探索新知 知识点1 燃料的热值 ④气体燃料的热值： q= V 表示气体燃料的体积，有时汽油作为燃料也用体积表示 ， 而不用质量，单位是米3 ，符号为m3 Q 表示放出的热量，单位是焦，符号为 J q 表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3 ，符号为J/m3 探索新知 知识点1 燃料的热值 热值的定义、单位及计算公式 探索新知 知识点1 燃料的热值 热值理解及简单计算 探索新知 知识点1 燃料的热值 [例]对于燃料的热值,下列说法正确的是( ) A.燃料的热值跟燃料燃烧时放出的热量成正比 B.燃料没燃烧时就没有热值 C.就某种确定的燃料而言,它的热值是一个确定的值,跟燃料的质量 及燃料燃烧放出的热量无关 D.容易燃烧的燃料的热值一定大 C 探索新知 知识点1 燃料的热值 [例]关于热机效率,下列说法正确的是( ) A.蒸汽机的效率通常高于汽油机的效率 B.有些新型燃料汽车实现了零排放,其效率达到100% C.热机效率不一定小于100% D.即使在无摩擦的道路,汽车发动机的效率也无法达到100% D 知识点2 热机效率 知识点2 热机效率 思考：这是一辆冒黑烟的汽车，它为什么会冒黑烟呢？ 这是因为燃料燃烧不充分导致的，排出的气体中还有很多没有燃烧掉的燃料。 知识点2 热机效率 热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外 做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。可见，真正能转化为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。 热机运转中，做的有用功与燃料完全燃烧所释放的能量之比称为热机效率。用η表示。 知识点2 热机效率 1、热机效率公式 2、常用相关公式 知识点2 热机效率 2、常用相关公式 知识点3 炉子的效率 知识点3 炉子的效率 思考：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? 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3 炉子的效率 效率公式： 变形式： 知识点3 炉子的效率 相关公式： 1、Q吸=cm△t 2、Q放＝qm Q放＝qV 1L=1dm³=10-3m³ 1mL=1cm³=10-6m³ 1L=103mL 体积单位换算 知识点3 炉子的效率 思考：热机和炉子的效率可不可以达到100％？为什么？ 不可能，因为Q放>W有（Q放>Q吸），一定会有一部分能量会被浪费掉。 知识点3 炉子的效率 提高热机效率的主要途径 （1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量，如火力发电站把多余的热量用来给居民供暖。 供热 知识点3 炉子的效率 （2）使燃料尽量充分燃烧，如将燃料研磨成粉，吹入空气。 （3）使用时，涂润滑油，减小摩擦。 知识点3 炉子的效率 热机效率 知识点3 炉子的效率 [例]已知天然气的热值为3.8×107 J/m3,水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)。求: (1)完全燃烧1.4×10-2 m3天然气放出多少热量? (2)若某天然气灶的效率为60%,则(1)中的这些天然气可将质量为3.8 kg、初温为25 ℃的水加热到多少摄氏度(当地的大气压强为1个标准大气压)? 知识点3 炉子的效率 [例]小明家买了一辆以汽油为燃料的小汽车,经查阅资料,小明了解到以下信息:该车如以80 km/h的速度匀速行驶时,发动机的牵引力为780 N,油耗为(指汽车行驶100 km,需要消耗8 L汽油)。已知汽油密度ρ=0.7×103 kg/m3,汽油热值q=4.6×107 J/kg。请你运用所学知识解答下列问题: (1)8 L汽油的质量是多少千克? (2)完全燃烧8 L汽油所放出的热量是多少焦耳? (3)该车以80 km/h的速度匀速行驶时,它的发动机效率是多少(结果保留到1%)? 知识点3 炉子的效率 [例]小明家买了一辆以汽油为燃料的小汽车,经查阅资料,小明了解到以下信息:该车如以80 km/h的速度匀速行驶时,发动机的牵引力为780 N,油耗为(指汽车行驶100 km,需要消耗8 L汽油)。已知汽油密度ρ=0.7×103 kg/m3,汽油热值q=4.6×107 J/kg。请你运用所学知识解答下列问题: (1)8 L汽油的质量是多少千克? 知识点3 炉子的效率 [例]小明家买了一辆以汽油为燃料的小汽车,经查阅资料,小明了解到以下信息:该车如以80 km/h的速度匀速行驶时,发动机的牵引力为780 N,油耗为(指汽车行驶100 km,需要消耗8 L汽油)。已知汽油密度ρ=0.7×103 kg/m3,汽油热值q=4.6×107 J/kg。请你运用所学知识解答下列问题: (2)完全燃烧8 L汽油所放出的热量是多少焦耳? 知识点3 炉子的效率 [例]小明家买了一辆以汽油为燃料的小汽车,经查阅资料,小明了解到以下信息:该车如以80 km/h的速度匀速行驶时,发动机的牵引力为780 N,油耗为(指汽车行驶100 km,需要消耗8 L汽油)。已知汽油密度ρ=0.7×103 kg/m3,汽油热值q=4.6×107 J/kg。请你运用所学知识解答下列问题: (3)该车以80 km/h的速度匀速行驶时,它的发动机效率是多少(结果保留到1%)? 知识点4 永动机 知识点4 永动机 机械工作时，其工作效率能否无限提高？ 不少人曾经设想制造出 一种不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器。 但是大量的研究表 明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒 定律，即能量既不会消灭，也不会创生，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，而能的总量保持不变。 知识点4 永动机 从能量守恒定律看，机械并不能创生能量，我们无法制造出既不消耗能量 又能对外做功的装置。右图是有人 设想的一种能永远运动的装置——“永动机”。想一想，它真的能一直不停地运 动下去吗？ 知识点4 永动机 1、什么是永动机 2、各种永动机集锦 知识点5 环境保护 知识点5 环境保护 热机使用加快了人类文明的进程，但也带来了环境污染问题。现代工业大量燃烧煤炭、石油和天然气排放的烟尘使大气十分浑浊，排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，危害植物，污染环境等。如何在保持工业发展、交通发达的同时，减少废气与粉尘的污染，提高空气质量，保护我们生存的家园，已引起科学工作者和世界各国政府的关注。 知识点5 环境保护 1992 年，联合国专门制定了《联合国气候变化框架公约》，并于同年在巴西城市里约热内卢签署生效。截至 2023年 7 月，该公约共有 198 个缔约方。我国坚持走绿色、低碳、可持续发展道路，在应对全球气候变化上作出了积极的贡献。 知识点6 探究空气质量 知识点5 探究空气的质量 空气质量不仅影响人类生存的质量，还影响着地球上的其他生物。上网查询，从跨学科的视角了解影响空气质量的因素，认识PM2.5 对人体的伤害，了解我国及世界各国治理空气污染的举措。在此基础上，完成一份关于如何净化空气、保护环境的调研报告，提出相关的改进建议。 课堂小结 课堂小结 炉子的效率 永动机 燃料的热值 探究空气的质量 环境保护 01 02 03 04 05 06 跨学科：热机效率和环境保护 J/kg J/m3 热机的效率 课堂练习 课堂练习 解析：通过查阅资料可知，质量为1kg的煤、汽油、木炭完全燃烧，根据热量计算公式Q=mq可知，释放的热量分别为2.9×107J、4.6×107J、3.4×107J,汽油的热值更大。 1. 查阅资料并比较，质量为 1 kg 的煤、汽油和木炭完全燃烧，释放的热 量分别是多少？哪个的热值最大？ 课堂练习 2. 为区分优质煤粉与掺杂了矸石粉末的劣质煤粉，最恰当的方法是检测 下列物理量中的哪个？请说明理由。 A. 热值 B. 比热容 C. 温度 D. 质量 解析：A 取相同质量的优质煤粉与掺杂了研石粉末的劣质煤粉进行充分燃烧，比较其热值是检测区 分的重要方法. A 课堂练习 3. 现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有（ ）。 A. 较大的比热容 B. 较低的沸点 C. 较大的热值 D. 较高的凝固点 解析：相同质量的燃料完全燃烧，热值大的液态氢释放的热量更多，是现代火箭的理想燃料之一- C 课堂练习 4. 下列与火箭燃料有关的说法中，正确的是（ ）。 A. 火箭燃料燃烧越充分，其热值越大 B. 燃料燃烧释放的热量越多，热机效率越高 C. 燃料用了一部分后，质量变小，热值变小 D. 火箭发射升空时发动机内的能量转化与汽油机的做功冲程类似 解析:燃料的热值是燃料完全燃烧释放的热量与燃料质量的比值，与燃料质量、燃烧过程中是否充分、 热机效率等无关，与燃科的种类有关,故选项A,B,C均不正确;火箭发射升空时，发动机内的能登转化与汽 油机的做功冲程类似，都是由内能转化为机械能，故选项D正确。 D 课堂练习 5. 为了缓解能源紧缺问题，提高热机的效率变得越来越重要。下列有关热机效率的说法中，正确的是（ ）。 A. 尽量减少热机内部各部件间的摩擦可提高热机效率 B. 使用的燃料热值越高，热机的效率越高 C. 目前有些新型燃料汽车实现了“零排放”，它们的热机效率可达到 100% D. 柴油机的效率一般低于汽油机的效率 解析:减少热机内部各部件间的摩擦，可以减少能量损耗，提高热机效率，故选项A正确;热机的效率 取决于有用功和燃料完全燃烧释放的热量的比值，与燃料本身的热值无直接关联,故选项B不正确;热机的 能量耗散不可避免,所以效率不可能达到100%,故选项C不正确;柒油机的效率一般高于汽油机的效率,故 选项D不正确 A 课堂练习 6. 干木柴的热值是 1.2×107J/kg，它的物理意义是 ____________________________________________________。 4 kg 的干木柴完全燃烧，能放出 ________________J 的热量。 1kg的干木柴完全燃烧释放的热量为1.2×107J 解析:1kg的干木柴完全燃烧释放的热量为1.2×107J Q=mq=4 kgX1.2×107J /kg=4.8×107J 4.8×107J 课堂练习 7. 热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量，并且会对环境 造成一定程度的污染。请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失，同时说明可能造成哪些环境污染。 解析:能量损失主要来源于部分燃料未能完全燃烧、克服摩擦力消耗能量、废气排放带走能量、机械传动损失能量等。使用燃烧化石燃料(如煤、石油和天然气)的热机会排放废气，包括二氧化硫、氮氧化物。和颗粒物等,这些物质可以导致大气污染和酸雨，热机的运行通常伴随着噪声污染，这可能会对人类和野生动物造成干扰 课后作业 作业 内容 同步作业 完成《能力培养与测试》14.4 自主安排 配套同步分层作业 本 章 练习 课堂练习 1. 下列事例中，属于内能转化为机械能的过程是（ ）。 A. 用电炉加热水 B. 衣服在阳光下暴晒升温 C. 火箭升空 D. 双手摩擦生热 解析:用电炉加热水是将电能转化为内能;衣服在阳光下暴晒升温是热传递过程;火箭升空是将内能转化为机械能;双手摩擦生热是将机械能转化为内能。 C 课堂练习 2. 关于燃料及其热值，下列说法中正确的是（ ）。 A. 没有燃烧的燃料，热值等于零 B. 燃料完全燃烧时，它的热值最大 C. 燃料的热值与质量和燃烧状态无关 D. 燃料燃烧时温度越高，释放的热量越多 解析:燃料的热值是燃料本身的一种特性，与其质量和燃烧状态无关;燃料燃烧释放热量的多少与燃料的质量、燃料的热值及燃烧情况有关，与燃烧时的温度无关。 C 课堂练习 3. 关于热量、功、内能的概念，下列说法中正确的是（ ）。 A. 热量、功、内能的单位都是焦耳，所以三者的物理意义相同 B. 热传递和做功是改变物体内能的两种方式 C. 克服摩擦力做功可使物体的热量增加 D. 对物体做了功，物体内能一定增加 解析:热量、功、内能的单位虽然相同，但物理意义不同;克服摩擦力做功可使物体的内能增加，而不是使物体的热量增加;对物体做功，物体内能不一定增加，如将杠铃举高，我们对杠铃做了功，但杠铃的内能不增加。 B 课堂练习 4. 新能源太阳灶是一种烧水做饭的器具，太阳灶烧水时将太阳能转化为水的 __________ 能，将 2 kg 的水从 20℃加热到 70℃，水吸收的热量为 ____________J。 解析:本题的解题关键点是明确太阳灶的能量转化形式，以及熟练运用水的吸热公式计算水吸收的热量。分析太阳灶的能量转化过程太阳灶利用太阳能对水进行加热，使水的温度升高，水的内能增大，这个过程中太阳能转化为水的内能。计算水吸收的热量已知水的质量m=2kg，水的初温to=20°C，末温t=70°C，水的比热容 c水=4.2x103J/(kg.°C)。根据物体吸收热量的计算公式: Q吸=c水m(t一to)=4.2 x 103 J/(kg·°C)x2 kg x (70°C-20°C)=4.2x103 J/(kg·°C)x2kg x 50°C=4.2 x 105J 4.2 x 105 内 课堂练习 5. 某汽油机用来做有用功的那部分能量是燃料完全燃烧所释放能量的 1/4，则此汽油机的热机效率是（ ）。 A. 20% B. 25% C. 50% D. 75% 解析: B 课堂练习 6. 北方常用热水向千家万户供暖。用水供暖，主要是利用了水有（ ）。 A. 较大的比热容 B. 较低的沸点 C. 较大的热值 D. 较高的凝固点 解析:本题围绕水作为供暖介质的特性展开分析，解题的关键点是明确供暖场景需要介质能够携带并释放更多热量，结合水的物理特性逐一排除错误选项。明确供暖的核心需求供暖过程中，需要输送热量的介质在降低相同温度时，可以向室内释放更多的热量，以此提升供暖效率，减少介质的输送成本。分析各选项的合理性.选项A:水的比热容较大，根据放热公式Q放=cmΔt可知，质量相同的水和其他介质相比，在降低相同温度时，水可以释放出更多的热量，完全匹配供暖的核心需求，该特性是用水供暖的主要原因。选项B:水的沸点在标准大气压下为100°C，并不属于较低的沸点，同时较低的沸点和供暖:需要释放更多热量的需求无关，该选项错误。选项C:热值是描述燃料燃烧放热能力的物理量，水不属于燃料，不存在“较大的热值”这一特性，该选项错误。选项D:如果水的凝固点较高，在低温环境下会更容易凝固成冰，无法在管道中流动输送热量，这反而会对供暖造成阻碍，该选项错误。答案:A A 解析:酒精灯给试管内的水加热，水沸腾后产生大量高温水蒸气，使试管内气压远大于外界大气压;高温高压的水蒸气对软木塞做功，将自身的内能转化为软木塞的机械能，水蒸气内能减小、软木塞获得动能，因此软木塞会斜向上冲起。 课堂练习 7. 在试管里注入少量水，用软木塞塞紧管口，再用酒精灯加热。一会儿试管里的水沸腾了，水蒸气使软木塞斜向上冲起，请你分析该现象产生的原因。 课堂练习 8.“炖汤”因味道香醇深受人们喜爱。“炖汤”就是把汤料和水置于炖盅内，而炖盅则浸在大煲的水中，并用蒸架将炖盅与煲底隔离。在大煲内的水沸腾过程中，煲盖与煲的缝隙间冒出大量的“白气”，这是 ________（选填物态变化）现象，煲盖不断跳动，这是水蒸气的 ________ 能转化为煲盖的机械能。若汤的沸点与水的沸点相同，则炖盅内的汤________（选填“会”或“不会”）沸腾。 解析:本题围绕炖汤过程中的物态变化、能量转化和沸腾条件展开，解题的关键点是准确掌握液化的定义、能量转化的判断逻辑以及液体沸腾的两个必要条件。分析“白气”对应的物态变化大煲内的水沸腾会产生大量高温的水蒸气，水蒸气从煲盖和煲的缝隙溢出后，遇到温度相对更低的外界空气，气态的水蒸气遇冷转变为液态的小水滴，这类由气态变为液态的物态变化叫做液化，所以“白气”是液化现象。分析煲盖跳动的能量转化大煲内的高温水蒸气具有大量内能，水蒸气推动煲盖向上运动、使煲盖不断跳动的过程中，水蒸气对外做功，自身的内能减小，煲盖获得动能与重力势能组成的机械能，因此是水蒸气的内能转化为煲盖的机械能。分析炖盅内的汤是否会沸腾液体沸腾需要同时满足两个条件:1温度达到自身的沸点;2可以持续从外界吸收热量。大煲内的水沸腾时温度会保持在沸点不变，炖盅内的汤可以通过热传递从大煲的水中吸热，最煲内的水沸腾时温度会保持在沸点不变，炖盅内的汤可以通过热传递从大煲的水中吸热，最终温度也能达到和大煲内水相同的沸点;但此时汤的温度和大煲内水的温度完全相等，两者之间不存在温度差，汤无法继续从大煲的水中吸收热量，不满足沸腾的第二个条件，因此炖盅内的汤不会沸腾。 液化 内 不会 课堂练习 9.* 完全燃烧 200 g 焦炭所释放的热量有 60% 被质量为 10 kg 的水吸收 （q 焦炭 = 3.0×107J/kg）。问： （1）水吸收的热量是多少？ （2）若水的初温度是 5℃，那么，吸收了这些热量后，温度将升高到多少？ （保留整数） 解析:（1）焦炭完全燃烧释放的热量：Q放=mq=0.2kg×3.0×107J/kg=6×106J； 水吸收的热量：Q吸=Q放η=6×106J×60%=3.6×106J； （2）根据Q吸=cm△t可知， 水升高的温度：△t= ≈85.7℃； 水的末温t=t0+△t=20℃+85.7℃=105.7℃， 因为在1标准大气压下，水的沸点为100℃，所以吸收了热量后，水的温度将升高到100℃． = 谢谢聆听 谢谢聆听 Lavf52.31.0 Lavf52.31.0 Lavf52.31.0 Lavf52.31.0 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) $