12.4机械能和内能的相互转化（教学课件）物理新教材苏科版九年级上册

该初中物理课件聚焦热机的能量转化、四冲程内燃机工作原理及燃料热值，通过“水沸腾顶起壶盖”等生活现象导入，搭建从内能转化为机械能实例到热机定义、内燃机结构与冲程再到热值计算的学习支架，帮助学生逐步构建知识脉络。 其亮点在于以科学探究为核心，通过“水蒸气冲出橡胶塞”实验直观展示能量转化，结合四冲程对比表、汽油机与柴油机对比表等结构化呈现培养科学思维，采用“走马灯能量转化”类比等小结方法深化物理观念，既助学生理解抽象原理，又为教师提供清晰教学路径，提升教学效率。

物理九年级上册 •苏科版 第12章 机械能和内能 第4节 机械能和内能的相互转化 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 知道热机的概念，初步了解热机的工作原理；了解四冲程内燃机的构造及工作过程；知道热值是燃料的一种特性。 02 科学思维 知道内燃机各冲程的工作状态和能量转化；体会内能的利用对人类发展的重要作用；能简单计算燃料燃烧放出的热量。 03 科学探究 通过演示实验了解可以利用内能做功；通过实物模型结合课堂活动，自主探究学习理解四冲程内燃机的基本构造和原理。 04 科学态度与责任 了解热机的利用与人类社会发展的关系；培养环保意识，激发社会责任感。 教学重难点 教学难点 教学重点 1.了解四冲程汽油机的基本工作原理； 2.燃料的热值和热机的效率。 1.了解四冲程汽油机的基本工作原理。 2.对热机效率的理解。 热为什么能让机器动起来？ 水沸腾能顶起壶盖 共同点是什么？ 燃气可推动活塞 核心是内能转化为机械能 内能 → 机械能 汽车靠燃料持续获得动力 课堂引入 探索新知 什么是热机？ 常见有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 利用内能做功的机械叫热机 内能 热机做功 机械能 蒸汽机 内燃机 蒸汽机 内燃机 汽轮机 喷气发动机 本页教学任务：明确电流物理量和基本单位。 物理量符号：I。 国际单位：安培，简称安，符号A。 授课建议：先观察主视觉，再让学生用一句话说出本页结论；教师只补充必要的物理术语。 什么是热机？ 常见有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 利用内能做功的机械叫热机 内能 热机做功 机械能 蒸汽机 内燃机 热机的能量主线 1. 燃料先提供化学能 化学能 主要能量路径 2. 燃烧后转化为内能 内能 3. 高温气体推动机械 机械能 4. 内能最终转化为机械能 实验：水蒸气冲出橡胶塞 水蒸气膨胀，对塞子做功 装置 橡胶塞 加热 水蒸气 现象 少量水 结论 酒精灯 水蒸气的内能 橡胶塞的机械能 1. 试管装少量水并塞橡胶塞 2. 酒精灯加热至沸腾 3. 水蒸气把塞子冲出 4. 展示内能做功 实验中的能量怎样转化？ 酒精燃烧，加热水 水蒸气对塞子做功 这是蒸汽机 原理缩影 塞子获得机械能 酒精燃烧： 化学能 → 内能 热量传给水， 水蒸气内能增加 水蒸气对塞子做功： 内能 → 机械能 水吸热，水蒸气内能增加 1. 燃料直接在 什么是内燃机？ 气缸内燃烧 2. 燃烧产生高温高压气体做功 主要分为汽油机和柴油机 汽车常用内燃机 汽油机的主要结构 点火 → 做功 → 传给曲轴 1、气缸、活塞、连杆、曲轴 2、进气门和排气门 3、火花塞负责点火 4、飞轮帮助连续运转 一个循环有四个冲程 吸气冲程 压缩冲程 进气门开｜排气门关｜活塞向下 两气门关｜活塞向上 吸气、压缩、做功、排气 活塞往复四次 曲轴转2圈 做功冲程 点火｜两气门关｜活塞向下 排气冲程 进气门关｜排气门开｜活塞向上 完成1次做功冲程 吸气冲程 进气门（开） 汽油和空气 的混合物 活塞向下 排气门（关） ● 1. 进气门开、排气门关 ● 2. 活塞向下运动 ● 3. 吸入汽油和空气的混合物 ● 4. 此冲程不对外提供动力 只进不出！ 压缩冲程 进气门：关 机械能 → 内能 活塞对混合气做功，使混合气内能增大、温度升高。 吸气 做功 排气 当前 排气门：关 对混合气做功 两气门都关闭 活塞向上运动 混合气被压缩 机械能转化为内能， 温度升高 压缩一下， 温度上来！ 做功冲程 进气门关 排气门关 ● 两气门都关闭 ● 火花塞点火 ● 燃料燃烧产生高温高压气体 ● 推动活塞向下 ● 内能转化为机械能 排气冲程 排气门 进气门 废气 活塞 清场，下一轮！ ● 进气门关、排气门开 ● 活塞向上运动 ● 废气被排出气缸 ● 为下一循环做准备 四冲程一张表 四格对齐， 一眼看懂！ 比较气门开闭｜比较活塞方向｜比较气缸内物质｜比较能量转化 气门开闭 活塞方向 能量转化 吸气冲程 进气门开，排气门关 向下 汽油和空气的混合物 飞轮带动 压缩冲程 进气门关，排气门关 向上 被压缩的混合物 机械能 → 内能 做功冲程 进气门关，排气门关 向下 高温高压燃气 内能 → 机械能 排气冲程 进气门关，排气门开 向上 飞轮带动 只有做功冲程提供动力 为什么另外三冲程也能完成？ 飞轮接力 只有做功冲程对外提供动力 吸气、压缩、排气靠飞轮惯性完成 多个气缸可让动力输出更平稳 剩下三步 我带飞！ 气缸1 气缸2 气缸3 气缸4 吸气 靠惯性 靠惯性 飞轮（储存与释放动能） 做功冲程 → 飞轮获得动能 → 带动另外三冲程 压缩 靠惯性 做功 补充 转动动能 错峰做功，输出更平稳 看气门和活塞，判断冲程 1. 先看哪扇气门开 进气门开 + 活塞向下 → 吸气冲程 2. 再看活塞运动方向 排气门开 + 活塞向上 → 排气冲程 3. 两门关时结合点火或压缩判断 4. 按证据而不是凭记忆猜 门和方向 会说话！ 两门关 + 活塞向上 + 无点火 → 压缩冲程 两门关 + 点火 + 活塞向下 → 做功冲程 每个冲程的能量转化 吸气冲程 飞轮机械能驱动 压缩冲程 压缩冲程：机械能 → 内能 做功冲程 做功冲程燃烧： 化学能 → 内能 做功冲程推动活塞： 内能 → 机械能 做功冲程：一次完成两次能量转化 排气冲程 飞轮机械能驱动 其他冲程主要消耗飞轮机械能 一个冲程能转两次！ 柴油机顶部有什么不同？ 火花塞 ● 电火花点火 柴油机没有火花塞 气缸顶部装 喷油嘴 ● 压燃：喷油后自行燃烧 柴油在高温空气 中自行燃烧 结构适合较高 压缩比 柴油机吸气只吸空气 柴油机吸气： 吸气冲程只吸入空气 不吸入柴油与空气混合物 为高压缩升温做准备 这是与汽油机的重要区别 这一口只有空气！ 为压燃创造条件 汽油机吸气：汽油和空气的混合物 柴油机怎样完成做功？ 压燃：高温空气使柴油自行燃烧 压缩末期喷油嘴喷出雾状柴油 柴油遇高温空气立即燃烧 高温高压气体推动活塞 喷到高温里就燃！ 内能转化为机械能 汽油机与柴油机对比 对比维度 点火方式 吸气物质 压缩比 效率 特点 汽油机 火花塞 汽油和空气的混合物 较小 20%～40% 较轻巧 柴油机 喷油嘴 压燃（喷油嘴喷油） 空气 较大 30%～45% 功率大、较笨重 点火：火花塞 vs 压燃 混合物 vs 空气 压缩比：较小 vs 较大 各有岗位，各有脾气！ 柴油机效率30%～45% 汽油机20%～40% 汽油 柴油机功率大但较笨重 柴油 谁的火力更猛？ 同样一锅水，选什么燃料？ 木柴、汽油、天然气 先比较放热本领，再追问能量利用率 放热本领不同 燃料质量相同， 放热量可能不同 发动机也 不能把能量全部 变成有用功 两者是相关但不同 的问题，需要分别研究 先不要急着给结论，请学生观察画面并描述差异。核心问题是：木柴、汽油、天然气放热本领不同。让学生带着这个疑问进入后面的实验或模型。 --- 注意点： - 重点：木柴、汽油、天然气放热本领不同 - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“谁的火力更猛？”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 热值衡量什么？ 某种燃料完全燃烧 放出的热量与其质量之比 热值 热值比较单位质量燃料 的放热本领 符号q 先统一成1kg！ 这页先给出核心结论：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫热值。请学生按照画面的阅读顺序继续解释：热值比较单位质量燃料的放热本领；符号q。讲完后用表情包气泡做一次轻量停顿，再回到物理依据。 --- 注意点： - 重点：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比叫热值 - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“先统一成1kg！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 热值的单位和物理意义 单位质量（或体积）的 某种燃料完全燃烧放出的热量 J/kg 固体、液体燃料常用 J/m³ 气体燃料常用 固体、液体 1 m³ 气体 J/m³ q=4.6×10⁷ J/kg 表示1kg燃料完全燃烧放热4.6×10⁷ J 1kg×4.6×10⁷ J/kg = 4.6×10⁷ J 热值 q： 1 kg 1 m 1 m 1 m 这页先给出核心结论：固体、液体燃料常用J/kg。请学生按照画面的阅读顺序继续解释：气体燃料常用J/m³；q=4.6×10⁷J/kg表示1kg燃料完全燃烧放热4.6×10⁷J。讲完后用表情包气泡做一次轻量停顿，再回到物理依据。 --- 注意点： - 重点：固体、液体燃料常用J/kg - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“kg和m³别串门！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 固体、液体燃料： Q放=mq 燃料完全燃烧放出的热量（J） 燃料的质量（kg） 统一单位 燃料的热值（J/kg） 先读公式结构，再解释每个量和单位。重点是m用kg。接着结合右侧情境说明：q用J/kg；Q放用J；公式计算的是完全燃烧的理论放热量；先统一单位。最后请学生先判断过程，再代入数据。 --- 注意点： - 重点：m用kg - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“质量乘热值！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 气体燃料： Q放=Vq 燃料完全燃烧放出的热量（J） 燃料的质量（m3） 统一单位 燃料的热值（J/m3） 先读公式结构，再解释每个量和单位。重点是m用kg。接着结合右侧情境说明：q用J/kg；Q放用J；公式计算的是完全燃烧的理论放热量；先统一单位。最后请学生先判断过程，再代入数据。 --- 注意点： - 重点：m用kg - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“质量乘热值！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 常见燃料热值有多大？ 这页先给出核心结论：干木柴约1.2×10⁷J/kg。请学生按照画面的阅读顺序继续解释：汽油约4.6×10⁷J/kg；氢气约1.4×10⁸J/kg；氢气在常见燃料中很高。讲完后用表情包气泡做一次轻量停顿，再回到物理依据。 --- 注意点： - 重点：干木柴约1.2×10⁷J/kg - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“这个柱子有点高！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 热值大，总放热一定多吗？ 误区： 热值大，总放热一定多 q大 m小 m大 正确认识： 总放热Q=mq同时取决于质量和热值 少量无烟煤可能比大量木柴放热少 比较前必须看m和q 先请学生判断左侧说法是否正确，再追问理由。正确认识从不一定开始，并结合右侧对照澄清：总放热Q=mq同时取决于质量和热值；少量无烟煤可能比大量木柴放热少；比较前必须看m和q。不要只背结论，要说明错误因果在哪里。 --- 注意点： - 重点：不一定 - 画面引导：先看主视觉，再读知识点，最后看表情包气泡“只看q，会翻车！”。 - 节奏：结论先行，必要时停顿提问，不逐字照读页面。 热机把内能转化为机械能 四冲程依次吸气、压缩、做功、排气 曲轴2圈做功1次 走马灯：化学能→内能→机械能， 类似做功冲程 四冲程， 发动完成！ 排气 热机 压缩 热机把内能转化为机械能 内能 → 机械能 吸入汽油和空气 的混合物 火花点火 先吸入空气并 强烈压缩 喷油后压燃/自燃 3. 曲轴2圈做功1次 做功 加热空气 汽油机 柴油机 课堂小结 课堂练习 1．热机的发明及广泛使用，对人类社会的发展起到了重要的作用，下列不属于热机应用的是（    ） A．喷气式飞机B．柴油拖拉机 C．纯电动汽车D．燃油摩托车 C 2．如图甲所示，用酒精灯加热试管中适量水。当塞子被推开时，可以看到试管口有“白气”产生。这是由于试管内气体对塞子做功，使得试管内气体内能       （选填“增大”或“减小”或“不变”），此过程发生的能量转化与图乙中的内燃机在       （选填“A”或“B”）图所示的能量转化是一致的，某四冲程汽车飞轮转速为3000r/min，则每秒钟对外做功       次。 减小 A 25 3．一台四冲程内燃机的飞轮转速为1800 r/min，则下列说法正确的是(      ) A．1 min飞轮转3600圈，完成1800个冲程 B．1 min完成900个冲程，做功450次 C．1 s飞轮转30圈，完成60个冲程 D．1 s完成30个冲程，做功15次 C 谢谢聆听 谢谢聆听 $