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第十四章 第3节 《热机效率》
——教-学-评核心素养一体化教案
一、教学目标
（一）物理观念
理解热机效率的概念，认识到热机工作时能量的转化与损耗情况，构建能量有效利用的观念。
知道提高热机效率的重要性和主要途径，能从能量转化的角度分析热机工作过程中的效率问题。
（二）科学思维
通过对热机工作过程中能量流向的分析，培养逻辑推理能力，从能量的输入与输出来理解热机效率的本质。
运用比例关系等数学方法计算热机效率，提升将物理问题数学化的思维能力。
（三）科学探究
通过实验探究或案例分析，了解影响热机效率的因素，培养科学探究能力和数据分析能力。
在探究过程中，学会提出问题、作出假设、设计方案、收集证据并得出结论。
（四）科学态度与责任
培养严谨、实事求是的科学态度，在分析热机效率相关问题时，尊重实验数据和客观事实。
认识到提高热机效率对节约能源、保护环境的重要意义，增强社会责任感和节能意识。
二、教学重难点
（一）教学重点
热机效率的概念和计算。
提高热机效率的途径。
（二）教学难点
理解热机工作过程中能量损失的原因及对热机效率的影响。
从能量转化与守恒的角度深入理解热机效率的本质。
三、教学方法与教学道具素材
（一）教学方法
讲授法：讲解热机效率的概念、计算公式等重要知识点，确保学生准确理解。
讨论法：组织学生讨论影响热机效率的因素、提高热机效率的方法等，促进学生思维交流。
案例分析法：通过具体热机案例，分析其能量转化和效率问题，帮助学生掌握应用知识解决实际问题的方法。
实验演示法：通过简单实验演示热机工作过程中的能量损耗，让学生直观感受影响热机效率的因素。
（二）教学道具素材
多媒体课件：包含热机工作原理动画、热机能量流向图、提高热机效率的相关图片和视频等。
实验器材：小型热机模型（或类似演示装置）、酒精灯、温度计、烧杯、水等。
四、教学过程
（一）新课导入（5分钟）
生活场景导入：展示一段汽车在公路上行驶的视频，视频中汽车尾气排放明显。提问学生：“汽车行驶需要消耗燃料，燃料燃烧释放的能量都用来让汽车行驶了吗？尾气排放说明了什么问题？”引导学生思考热机工作时能量的利用情况。
设计意图：从常见的生活场景引入，引发学生对热机能量利用效率的思考，激发学生的学习兴趣，自然引出本节课主题。
及时性评价：对积极思考并回答问题的学生给予肯定，如“你观察得很细致，能从汽车尾气现象联想到能量利用问题，非常棒”。
（二）知识讲解与活动环节（30分钟）
活动一：热机中的能量损失（8分钟）
实验演示：用小型热机模型（或类似装置）进行简单演示，在热机工作时，用温度计测量热机周围空气温度的变化，同时观察热机排出的废气情况。演示后提问学生：“从实验中可以看出，热机工作时能量有哪些去向？”
多媒体展示：展示热机工作过程中能量流向的示意图，详细讲解燃料燃烧释放的能量一部分用来做有用功，推动活塞运动使热机对外做功；一部分能量散失在废气中，还有一部分能量由于热传递散失到周围环境中，以及克服机械部件间的摩擦做功消耗能量等。
学生讨论：组织学生分组讨论生活中其他热机（如蒸汽机、柴油机等）可能存在的能量损失方式。每个小组派代表发言，教师进行总结和补充。
设计意图：通过实验演示和多媒体展示，让学生直观地了解热机工作时的能量损失情况，通过讨论加深对不同热机能量损失的认识，为理解热机效率概念奠定基础。
及时性评价：对能准确观察实验现象并分析能量去向的学生给予表扬，如“你对实验现象观察入微，能量去向分析准确，对热机能量损失有了很好的理解”。对小组讨论积极且发言有价值的小组给予肯定，如“这个小组讨论热烈，提出的关于其他热机能量损失的观点很有见地”。
活动二：热机效率的概念（8分钟）
概念引入：基于对热机能量损失的分析，提出问题：“既然热机工作时能量有这么多损失，那么如何衡量热机对燃料能量的有效利用程度呢？”从而引出热机效率的概念。
讲解定义：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，叫做热机的效率，用符号η表示，公式为。结合之前的演示实验和能量流向图，进一步解释公式中各物理量的含义。
案例分析：给出一个简单的热机工作案例，已知燃料完全燃烧放出的热量为，热机做的有用功为，引导学生根据公式计算热机效率。
设计意图：通过问题引导，自然引出热机效率概念，结合案例分析帮助学生掌握热机效率的计算方法，加深对概念的理解。
及时性评价：对能快速理解热机效率概念并准确计算案例中热机效率的学生给予赞扬，如“你对热机效率概念理解深刻，计算准确，掌握得非常好”。对理解概念较慢但积极思考的学生给予鼓励，如“虽然你理解概念花费了一些时间，但通过努力已经逐渐掌握，继续加油”。
活动三：提高热机效率的途径（14分钟）
小组讨论：提出问题“根据热机能量损失的原因，我们可以采取哪些措施来提高热机效率呢？”组织学生分组讨论，每个小组记录讨论结果。
小组汇报：各小组派代表汇报讨论结果，教师将各小组的观点记录在黑板上，如使燃料充分燃烧、减少废气带走的能量、减小机械摩擦等。
深入分析：针对每个提高热机效率的途径进行深入分析。例如，讲解如何通过改进燃烧设备、调整燃料与空气的比例等方法使燃料充分燃烧；通过加隔热装置、利用废气余热等方式减少废气带走的能量；通过使用润滑油、优化机械结构等措施减小机械摩擦。同时展示一些实际热机采用这些措施提高效率的图片或视频资料。
拓展思考：引导学生思考提高热机效率除了对热机本身进行改进，还可以从能源管理、使用方式等方面入手，如合理规划行程减少热机不必要的工作时间等。
设计意图：通过小组讨论和汇报，培养学生的合作交流和归纳总结能力，深入分析提高热机效率的途径，拓宽学生的思维，让学生认识到提高热机效率的多种方法和重要性。
及时性评价：对讨论全面、提出有效提高热机效率途径的小组给予高度评价，如“这个小组讨论非常深入，提出的途径切实可行，对提高热机效率有很深入的思考”。对能提出新颖观点或拓展思考方向的小组或学生给予表扬，如“你提出的从能源管理角度提高热机效率的观点很新颖，拓宽了我们的思路”。
（三）典型例题讲解（10分钟）
例1：一台柴油机，完全燃烧2kg柴油时，放出了的热量，其中有的能量用来做有用功，求这台柴油机的效率。（柴油的热值）
分析：已知燃料完全燃烧放出的热量，有用功，根据热机效率公式可直接计算。
解答：
讲解要点：强调代入公式时各物理量的准确取值，以及计算过程中的规范书写。
例2：为了提高锅炉的效率，某工厂的工人想了以下一些方法，其中正确的是（ ） A. 把大的煤块送进炉膛，并加大送风量 B. 把煤粉送进炉膛，并加大送风量 C. 把大的煤块送进炉膛，并减小送风量 D. 把煤粉送进炉膛，并减小送风量
分析：要提高锅炉效率，需使燃料充分燃烧。把煤粉送进炉膛，可增大燃料与空气的接触面积，加大送风量可提供更充足的氧气，都有利于燃料充分燃烧，从而提高效率。大煤块与空气接触面积小，不利于充分燃烧，减小送风量也不利于充分燃烧。所以答案选B。
解答：答案为B。通过该例题帮助学生理解提高热机（锅炉属于热机的一种）效率的实际措施。
讲解要点：分析每个选项对燃料燃烧充分程度的影响，进而理解其对热机效率的作用。
设计意图：通过典型例题，帮助学生巩固热机效率的计算方法，加深对提高热机效率途径的理解，提高学生运用知识解决实际问题的能力。
（四）课堂小结（5分钟）
一、热机中的能量损失
1. 废气带走能量：热机排出的废气温度较高，含有大量能量。
2. 热传递散失能量：热机工作时会向周围环境散热。
3. 克服摩擦消耗能量：机械部件间的摩擦会消耗能量。
二、热机效率
1. 概念：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。
2. 公式：
三、提高热机效率的途径
1. 使燃料充分燃烧：如改进燃烧设备、优化燃料与空气比例等。
2. 减少能量损失：减少废气带走能量、减小机械摩擦等。
（五）课后作业
基础性作业：完成课本上关于热机效率计算和提高热机效率措施的练习题；分析一个生活中常见热机（如摩托车发动机）的能量损失情况，并提出至少两条提高其效率的建议。
拓展性作业：查阅资料，了解目前新能源汽车（如电动汽车、氢燃料电池汽车）与传统燃油汽车在能量利用效率方面的差异，写一篇简短的报告阐述两者的优缺点及发展前景。
五、教学反思
在本节课教学中，通过生活场景导入和多种教学活动，学生对热机效率的概念和提高途径有了一定的认识。在讲解热机能量损失时，实验演示和多媒体展示相结合的方式让学生有了较直观的感受，但部分学生在理解能量损失对热机效率的具体影响时仍存在困难，后续可增加更多定量分析的案例。在小组讨论提高热机效率途径环节，学生参与度较高，但部分小组提出的措施缺乏可行性，在今后教学中可加强对学生讨论的引导，培养学生解决实际问题的能力。另外，在热机效率计算的教学中，虽然通过例题进行了练习，但部分学生在计算时仍出现公式运用错误或计算不规范的问题，需要在后续作业批改和辅导中加强纠正。
六、教学评价
（一）及时性评价
在学生回答问题、参与讨论、计算例题等过程中及时给予评价。如学生准确分析热机能量损失原因时，表扬“你对热机能量损失原因分析透彻，理解很到位”；学生在小组讨论中提出有创意的提高热机效率方法时，鼓励“你提出的方法很有创新性，为小组讨论增添了亮点”；学生正确计算热机效率例题时，肯定“你对热机效率公式运用熟练，计算准确”。
（二）达成性评价
通过课堂提问，了解学生对热机能量损失、热机效率概念的掌握情况，例如询问热机能量损失的主要方式、热机效率的定义等。
通过例题解答，评估学生运用热机效率公式进行计算以及分析提高热机效率措施的能力，观察学生能否准确计算效率、能否合理分析选项中提高热机效率的方法。
观察学生在小组讨论活动中的表现，评价其合作交流和解决问题的能力，如小组讨论是否积极有序、能否提出有价值的观点和解决方案等。
（三）评价结果反馈与教学调整
若学生对热机能量损失对热机效率的影响理解不深，在后续教学中增加更多具体案例分析，通过定量计算展示能量损失与热机效率变化的关系，帮助学生加深理解。
如果学生在运用热机效率公式计算时频繁出错，加强公式的推导讲解和针对性练习，强调计算规范，通过课堂小测等方式及时巩固。
针对学生在小组讨论中提出措施缺乏可行性的问题，在今后教学中提供更多实际案例作为参考，引导学生从实际出发思考问题，提高学生解决实际问题的能力。

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