14.3 热机的效率 课件 2026-2027学年人教版九年级物理全一册

1 物理观念 建立热值概念，知道热值是燃料的一种特性；能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。 科学思维 知道可以怎样提高热机效率以及提高热机效率的意义所在；能简单计算燃料燃烧放出的热量。 科学探究 通过社会调查、分组交流合作，了解热机效率及热机带来的影响。 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。 教学重点 燃料的热值和热机的效率。 教学难点 对热机效率的理解。 发射人造卫星、宇宙飞船所用的火箭要用液态氢、氧做燃料。你知道这是为什么？用汽油、柴油做火箭燃料可以吗？ 液态氢、氧存储罐 探究一、燃料的热值 1. 燃料 想一想，你见过的燃料有哪些？ （1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。 人类在原始社会 用燃料柴薪取暖 天然气燃烧烧饭 汽油燃烧，释放内能， 转化为车的机械能 探究一、燃料的热值 1. 燃料 想一想，你见过的燃料有哪些？ （1）燃料的种类：固体燃料有木柴、煤炭等；液体燃料有汽油、柴油、酒精灯；气体燃料有煤气、天然气等。 人类在原始社会 用燃料柴薪取暖 天然气燃烧烧饭 汽油燃烧，释放内能， 转化为车的机械能 探究一、燃料的热值 （2）燃料燃烧时能量的转化 燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能。 喷气式飞机发动机用航空煤油做燃料。靠燃料燃烧时产生的气体向后高速喷射的反冲作用使飞机向前飞行。 火箭升空靠液态氢与液氧的燃烧获取内能。 探究一、燃料的热值 2. 燃料的热值 （1）研究相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是否相同？ 【交流讨论】根据你的经验，相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不是相同？有哪些事实来支持你的观点，进行交流列举。 【分析】日常生活中，常见的燃料有煤、木柴、天然气、液化气、酒精、汽油、柴油，在农村还有农作物的秸秆，有些地区还用牛粪作为燃料。若一个四口之家使用不同的燃料供家庭使用，如烧水、做饭等，经研究得出，一个月如果使用木柴需要200 kg；如果使用煤（蜂窝煤）需要多90kg；使用秸秆需要400kg；如果使用液化气需要30kg。 探究一、燃料的热值 【想一想】使用不同的燃料，消耗量是不同的，这是什么道理呢？ 【分析】不同的燃料燃烧释放热量的能力是不一样（选填“一样”或“不一样”）的。例如，根据实验发现1kg的煤燃烧释放出的热量是1kg木柴燃烧释放出的热量的两倍多。 【想一想】怎么比较燃料燃烧放出热量的能力呢？ 类比密度概念的建立方法：所有物体都取1m³，比较它们质量的多少。同理，把所有燃料都取1kg，让它们完全燃烧，比较它们放出的热量。在物理学中用热值来表示燃料完全燃烧时放热本领的大小。 探究一、燃料的热值 ①热值的定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值，用字母q表示。 ②热值的计算公式：q=q= Q表示放出的热量，单位是焦（J）； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克（kg）； q表示热值，单位是焦/千克（J/kg）。 （2）燃料的热值 探究一、燃料的热值 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。如木炭的热值为3.4×107J/kg，它表示1kg木炭完全燃烧时放出的热量是3.4×107J。同种燃料的热值相同，不同种燃料的热值一般不同（均选填“相同”或“不同”）。 ④燃料燃烧放出热量的计算： Q放=qm ⑤气体燃料的热值：q= V表示气体燃料的体积，单位是米3（m3）； Q表示放出的热量，单位是焦（J）； q表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3 （J/m3 ）。 q= 观察常见燃料的热值表 【思考】①热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？ ②火箭上为什么用液态氢作燃料？ ③热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？ 【回答】①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。 ②火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大。 ③热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值（选填“相同”或“不同”） 【例题1】某小组设计了一个实验来比较“煤油和菜籽油的热值大小关系”。他们的实验装置如图所示，实验中收集和记录的数据如下表所示。 燃烧前水的温度 燃烧后水的温度 煤油 25 44 菜籽油 25 34 （1）实验中，为了可以比较两种燃料的热值大小，除需要装置相同，甲、乙两杯水的初温和质量相同之外，还应保持相同的物理量是 ； （2）实验前，实验装置要按照 （“自上而下”或“自下而上”）的顺序进行组装。燃料燃烧过程中化学能转化为 。本实验是用 （选填“水温升高的多少”或“加热时间的长短”）来表示煤油和菜籽油放出热量的多少； （3）根据实验中收集的数据，可以看出煤油和菜籽油两种燃料中，热值较大的是 。 【答案】 燃料的质量 自下而上 内能 水温升高的多少 煤油 【详解】（1）比较“煤油和菜籽油的热值大小关系”时，采用的是控制变量法，实验中需要控制燃料的质量相同。 （2）因为需要用酒精灯的外焰的加热，所以需要自下而上的顺序组装实验器材。 [3]燃料燃烧过程中，消耗燃料的化学能，获得内能，所以燃烧的过程是化学能转化为内能。 [4]质量相同的煤油和菜籽油完全燃烧后，水升高的温度越多，水吸收的热量越多，表明燃料放出的热量越多，所以用水温升高的多少来表示煤油和菜籽油放出热量的多少。 （3）质量相同的煤油和菜籽油完全燃烧后，水升高的温度越高，水吸收的热量越多，表明燃料放出的热量越多，根据 可知，燃料的热值越大，根据表格中的数据可知，煤油烧水时水的 温度高，则煤油的热值大。 【例题2】 如图下图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同，燃料的质量都是0.1kg，烧杯内的液体质量也相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验； （2）比较不同物质的比热容，应选择 两图进行实验。 【答案】 甲、乙 甲、丙 【详解】（1）为了比较热值大小要用不同的燃料，加热同一种液体，让液体的质量相同，通过温度计的示数高低得出吸热多少，进而判断热值大小，应选择甲和乙两图进行实验。 （2）比较不同物质的比热容，应控制液体种类不同，燃料相同，由图可知，甲、丙两图所示实验符合要求。 探究二、热机的效率 1. 日常生活中的热效率 【想一想】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? 【分析讨论】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。 探究二、热机的效率 1. 日常生活中的热效率 （1）热效率（炉子、燃气灶的热效率等） 热效率的概念：吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。 η = = （2）提高锅炉中燃料热效率的方法： 把煤磨成煤粉，增大与氧气的接触面积；把空气吹进炉膛增大送氧量。 探究二、热机的效率 2. 热机的效率 （1）热机能量流向示意图 分析能量的流向：汽油在汽缸内不能（能/不能）完全燃烧，损失了一部分能量；废气带走了一部分能量；热机自身对外散热，带走了一部分能量；由于机械传动等克服摩擦要消耗一部分能量；热机自身吸收一部分能量，等等。 所以真正转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧所释放能量的一部分。只有对外做有用功的能量是被有效利用的。 探究二、热机的效率 2. 热机的效率 （2）热机的效率 ①定义：用来做有用功的这部分能量，与燃料完全燃烧释放的热量之比，叫作热机的效率。 ②公式： ③物理意义：热机的效率是热机性能的重要指标。热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，节约能源。 探究二、热机的效率 2. 热机的效率 瓦特蒸汽机的效率 6% ~ 15% 汽油机的效率 20～40% 喷气发动机的效率 50～60% （1）尽量减少各种热量损失，设法利用废气的能量 大型发电机常常用蒸汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热，这就是热电站。热电站既供电又供热，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 供电 供热 蒸汽轮机 3. 提高热机效率的主要途径 3. 提高热机效率的主要途径 （2）在热机的设计和制造上，采用先进的技术。 （3）减小摩擦。 使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整各零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量。 【例题3】如图是某内燃机能量流向图，据图可知该内燃机的工作效率是（　　） 【答案】B 【详解】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，即做有用功的能量在燃料完全燃烧产生的能量中所占的百分比，由图可知，该内燃机的工作效率是 【例题4】 质量为3t的载重汽车，额定功率为100kW，汽车先以10m/s的速度在平直公路上以20kW的功率匀速行驶了10min，消耗汽油1.2kg。试问： (1)1.2kg的汽油完全燃烧放出的热量为多少？（已知汽油的热值为4.5x107J/kg） (2)汽车在平直公路上匀速行驶时，受到的阻力为多少？ (3)汽车在平直公路上匀速行驶时汽油机的效率为多少？ 【答案】(1) (2)2000N (3) 22% 【详解】（1）汽油燃烧放出的热量为 （2）由 可得牵引力做功为 由 可得，汽车行驶的路程 由 可得，汽车的牵引力为： 由于汽车在平直公路上匀速行驶，则受到的阻力为 （3）汽车在平直公路上匀速行驶时能量转化的效率为 探究三、从火车到火箭 阅读教材《科学·技术·社会·环境》——从火车到火箭，了解热机的发展历程。 1. 蒸汽机 17世纪，人类发明了热机。最早的热机是蒸汽机。在锅炉里把水烧成水蒸气，水蒸气在汽缸里推动活塞做功。原始的蒸汽机不便于使用，后来许多人对它不断改进，其中贡献最大的是英国人瓦特，他在1782年发明了往复式蒸汽机，使蒸汽机成为可以广泛使用的动力机。 2. 蒸汽轮机 电力工业的发展需要功率巨大的热机来带动大型发电机。1884年出现的蒸汽轮机满足了这个需要。大型锅炉产生的高温高压水蒸气直接喷射到汽轮机的叶片上，使蒸汽轮机转动。 探究三、从火车到火箭 3. 内燃机 交通运输的发展迫切需要比较轻便的热机。于是，内燃机应运而生。内燃机有汽油机、柴油机两大类。汽油机是1876年发明的，柴油机是1892年发明的。内燃机运行时不需要携带很多水和煤，不但轻便，效率也提高了很多。 4. 空气喷气发动机 早期的飞机是由内燃机提供动力的。从上世纪40年代开始，飞机上越来越多地使用空气喷气发动机，它需要用大气中的氧气来助燃，向后喷出高速气体，从而获得前进的动力。 火箭上使用的喷气发动机自带燃料和氧化剂，工作时不需要空气，可以在大气层外工作。 【例题5】2024年9月19日09时14分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第五十九颗、六十颗北斗导航卫星（如图）。火箭的发动机____（选填“属于”或“不属于”）热机。火箭采用液态氢做燃料，是因为它的____大，燃料燃烧时将____能转化为内能。 【答案】属于，热值，化学。 【解析】 热机是指各种利用内能做功的机械，火箭发动机工作时，将燃料燃烧放出的内能转化为机械能，所以火箭发动机属于热机。 用液氢作为燃料，是因为液氢的热值较大，与其它燃料相比，燃烧相同质量的液氢放出的热量更多。 液态氢燃烧过程中，消耗燃料，放出热量，将燃料的化学能转化为内能。 汽油机甲，飞轮每分钟转2400转，汽油机的汽缸容积为150cm3，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为2.0×106Pa，且甲汽油机一分钟消耗25g汽油。汽油机甲与汽油机乙的效率比值为5∶4，汽油机甲的功率是乙的2.5倍，则汽油机甲的功率和甲、乙汽油机相同时间的油耗之比为（　　）（汽油的热值为4.8×107J/kg） A．3.6×106W；2∶1 B．6000W；2∶1 C．3.6×106W；1∶2 D．6000W；1∶2 【答案】B 【详解】根据题意知道，一个做功冲程中燃气对活塞做的功 曲轴每转两圈对外做功一次，所以1min转动2400转，完成1200个工作循环，对外做功1200次，则1min对外做的总功 汽油机甲的热功率 甲的功率为P甲，乙的功率为P乙，效率为η甲，效率为η乙，汽油的热值为q，做功时间为t，甲在时间t内做的有用功W甲=P甲t 则由题意知道，汽油机甲的功率是乙的2.5倍，汽油机甲与汽油机乙的效率比值为5:4，则甲在时间t内消耗的总能量 甲在时间t内的耗油量 同理可以得到乙在时间t内的耗油量的表达式 甲、乙两汽油机在相同时间内的耗油量之比就等于两表达式之比 故B正确。故选B。 1. 热值只与燃料的种类有关，与燃料是否充分燃烧，燃料的质量、体积均无关系。 2．固体燃料的计算公式： ，单位为焦/千克（J/kg）；气体燃料的计算公式： q= 单位为焦/米3（J/m3 ）。 q= 3. 计算热机效率的两个公式η= 一般先利用公式Q放=qm或Q放=qV计算出燃料完全燃烧放出的热量Q放，再根据有用能量计算热机的效率。 其本质是相同的，有用热量就是有用能量。 4．功率和效率是两个完全不同的概念，也没有联系，功率反映机械做功的快慢，热机效率是热机性能的一个重要指标，热机效率高的机械功率不一定大。 1．把一瓶酒精倒去一半，则剩下的酒精（    ） A．比热容和热值均变为原来的一半 B．比热容和热值均不变 C．热值变为原来的一半，比热容不变 D．比热容变为原来的一半，热值不变 【答案】B 【详解】酒精倒去一半，质量减半，但种类不变，所以比热容及热值均不变，故B符合题意，ACD不符合题意。 2．哈尔滨已进入供暖期，不法商贩将煤矸石掺在优质煤中高价销售，如果让我们提示客户不上当，最恰当的方法是检测下列物理量中的（　　） A．温度 B．比热容 C．热值 D．质量 【答案】C 【详解】比热容是指相同质量的不同物质升高相同的温度吸收的热量不同； 质量是物体所含物质的多少； 温度是指物体的冷热程度； 热值是燃料的一种特性，是指1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，热值越大的燃料在完全燃烧相同质量的燃料时放出的热量越多，掺假后煤的热值降低，所以可以用热值来区分。而从比热容、质量、温度无法区分。故ABD不符合题意，C符合题意。 故选C。 3．已知天然气的热值 ，完全燃烧 然气放出 J的热量。某天然气热水炉烧 天然气，使常温下5kg的水温度升高了 则水吸收的热量是 J，该热水炉的效率 为 。 [水的比热容为 ] 【答案】 42% 【详解】[1]完全燃烧0.05m3天然气放出的热量为 [2]常温下5kg的水温度升高了40℃，则水吸收的热量 [3]该热水炉的效率 3．如图所示，甲、乙、丙三图中的装置完全相同。燃料的质量都是10g，烧杯内的液体质量和初温也相同。 （1）比较不同燃料的热值，应选择 两图进行实验，燃料完全燃烧放出的热量，是通过 来反映的（选“温度计上升示数”或“加热时间”）； （2）比较不同物质吸热升温的特点： ①应选择 两图进行实验；需要的测量器材如图所示：还需秒表和 ②不同物质吸热的多少是通过 来反映的（选填“温度计示数”或“加热时间“）； ③如图丁，若液体B的比热容是4.0×103J/(kg·℃)，液体A的比热容是 J/(kg·℃)。 【答案】 甲、乙 温度计上升示数 甲、丙 天平 加热时间 2.0×103 【详解】（1）[1][2]比较不同燃料的热值，应选择不同的燃料加热相同的物质，即用甲、乙两图进行实验；质量相同的水，温度变化越大，说明吸收热量越多，所以实验中通过温度计上升示数来表示燃料放出热量的多少。 （2）①[3]比较不同物质吸热升温的特点，应控制燃料相同而吸热物质不同，应选择甲、丙两图进行实验。 [4]因要测量温度的变化和控制不同物质质量相同及控制加热时间，测量温度的工具为温度计，测量质量的工具是天平，测时间的工具为秒表，故还需要的测量器材是天平及秒表。 ②[5]不同物质吸热的多少是通过加热时间来反映的，加热时间越长，物质吸收的热量越多。 ③[6]如果质量和初始温度均相同的A、B两种液体，吸热后它们的温度随时间变化的图象如图丁所示，由图可以看出，A温度升高80℃用10分钟，B温度液体升高80℃用20分钟，升高相同的温度，B吸收热量是A的2倍，根据 可知，在质量和升高温度相同的情况下，比热容c与Q成正比， 故液体A的比热容是 4．建筑工地上，起重机在12s内将质量为 的重物沿竖直方向匀速提升6m，此过程起重机 ，求： 消耗柴油0.01kg。柴油的热值 1)完全燃烧0.01kg柴油放出的热量； (2)起重机提升重物克服物重力做功的功率； (3)此过程起重机的热机效率。 【答案】(1) (2) (3)30% （2）物重 起重机对重物所做的有用功为 起重机提升重物的功率 （3）起重机的提升效率 【详解】（1）完全燃烧0.01kg柴油放出的热量 $