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/ 让教学更有效 高效备课 | 物理学科
第3节 热机的效率（教学设计）
年级 九年级 学科 物理 教师
课题 第3节 热机的效率
教学 目标 物理观念 建立热值的概念，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 知道提高热机效率的途径以及提高热机效率的意义；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对环境的影响。
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。
教材 分析 本节内容是上一节内燃机知识的延续，通过本节课的学习，可以使学生认识到内燃机工作时，燃料燃烧放出的热量并不能全部被利用，这样对内能的利用有一个更全面的认识，并为下节能量的转化与守恒作好准备。本节内容由“燃料的热值”和“热机的效率”两个部分组成。 燃料的热值和热机的效率是本节内容的学习重点，难点是对热机效率的理解。
学情分析 1. 知识储备分析：在八年级研究机械效率的基础上，学生对效率有了初步的认识，这就为这节课的研究打下了良好的基础。对本堂课的内容，学生需要了解热机的效率及如何提高热机的效率，此外，学生对燃料燃烧的过程也有一定的了解，知道燃料燃烧是将化学能转化为内能的过程。 2. 思维能力分析：九年级的学生已经具备了一定的逻辑思维能力和抽象思维能力，能够理解和分析较为复杂的概念和现象。然而，对于热机效率这一抽象概念，学生可能会感到有一定的难度。因为热机效率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热量之比，所以还要求学生对能量转化和守恒有一定的理解。 3. 学习兴趣与态度分析：学生对于热机的效率这一话题可能会有一定的兴趣，因为这与日常生活中的许多现象密切相关，如汽车、摩托车等交通工具的燃油效率问题。同时，通过提高热机效率可以节约能源、 减少污染，这也有助于培养学生的环保意识和社会责任感。 综上所述，学生在知识基础、认知能力、学习兴趣和困难点等方面存在一定的差异和挑战。因此，教师在教学过程中需要充分考虑学生的实际情况，采用合适的教学方法和手段来帮助学生理解和掌握这一章节的知识。
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。
教学 器材 多媒体ppt，包含视频：《汽油机的工作过程分解》、《四冲程汽油机工作过程》、《课堂总结》等。
教学过程
教师活动 学生活动
导入新课 【播放图片并提问】 （1）热机工作时需要消耗煤、汽油、柴油等燃料，对外做功的目的是将燃料中的化学能转化为机械能。热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗 （2）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？ 观察图片，思考问题，进入情景。
学习新课 一、燃料的热值 1. 燃料 【提问】你能说出常用的一些燃料吗？燃料燃烧时能量发生怎样的转化？ 【总结】（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、酒精等；气体燃料有煤气、天然气等。 （2）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。 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？ 【提问】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。 【事例分析】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，请同学们估计，一个月如果使用木柴需要多少千克？如果使用煤（蜂窝煤）需要多少千克？如果使用液化气需要多少千克？如果使用秸秆需要多少千克？ 经实验得出：约需要木柴200 kg，煤90kg，液化气30kg，秸秆400kg。使用不同的燃料，消耗量是不同的，这是什么道理呢？ 【分析论证】 ①不同的燃料燃烧释放热量的能力是不一样的。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。 ②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） 比较密度大小的方法：不同物体的体积都取1m ，比较它们的质量。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。 （2）燃料的热值 ①热值的定义：把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）。 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。 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 ）。 （3）常见燃料的热值表 【提问】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. 【例题1】关于燃料的热值，下列说法正确的是（ D ） A. 热值在数值上等于1kg某种燃料燃烧放出的热量 B. 10kg木炭比1kg木炭的热值大 C. 热值大的燃料比热值小的燃料燃烧时放出的热量多 D. 燃料燃烧时放出热量的多少与是否完全燃烧有关 【例题2】在标准大气压下，使用煤气灶将2kg的水从20℃加热到100℃，水吸收的热量是 J，若不计热量损失，此过程需要完全燃烧 kg的煤气，这是通过 的方式增加了水的内能。未使用完的煤气的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）［水的比热容c水=4.2×103J/（kg·℃），煤气的热值q煤气=4.8×107J/kg］ 【答案】 6.72×105 1.6×10-2 热传递 不变 列举出生活中常见的一些燃料并进行分类。 交流讨论并列举事例说明相同质量的不同燃料，燃烧时放出的热量是不相同的。 运用与密度类比的方法建立热值的概念。 了解热值的定义、计算、单位及物理意义。 知道固体燃料热值与气体燃料热值的不同表示方法。 观察热值表，思考回答老师所提3个问题。 做例题1并回答，理解热值的概念。 做例题2并回答，会计算燃料燃烧释放热量的问题，理解热值的概念。
学习新课 二、热机的效率 1. 日常生活中的热效率 【提出问题】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。 【分析讨论】引导学生总结得出热效率的概念： 吸收的能量占燃料完全燃烧放出能量的比值。 ①热效率（炉子、燃气灶的热效率等） 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。 2. 热机的效率 【提问】在内燃机中燃料是否能够完全燃烧？燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？ （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；机械装置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。 （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： η= 或 η= 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。 （3）一些热机的效率 蒸汽机的效率很低，只有6%~15%。内燃机的效率比蒸汽机的高，汽油机的效率为20%~30%，柴油机的效率为30%~45%。 3. 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. 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。 （2）在热机的设计和制造上，采用先进的技术。 （3）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。 【播放视频】——《动画讲解：热机的效率》 【例题3】如图是某内燃机的能量流向图。下列有关说法正确的是（　C　） A．①是废气带走的热量 B．该内燃机是在压缩冲程获得动力 C．该内燃机的效率为28% D．改进构造减小摩擦可提高③所占百分比 【例题4】用烟煤烧水时，将10kg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），烟煤的热值约为3×107J/kg。试求： （1）水吸收的热量是多少？ （2）1.4 kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少？ （3）热效率是多少 （4）分析热效率不高的两种原因。 【答案】（1）3.36×106J；（2）4.2×107J；（3）8%；（4）热效率不高的原因有：烟煤没有完全燃烧，热传递的过程中有热量损失等。 思考讨论问题，初步建立生活中热效率的概念。 根据能流图分析：知道有用的机械能只占其中的一部分，知道损失的能量的流向。在此基础上建立热机效率的概念。 理解热机效率的定义、计算、公式及物理意义。 联系实际情况，简单分析提高热机效率的方法。 观看动画，了解热机的效率。 做例题3，并进行交流回答，会分析内燃机的能量流向图，知道热机、热机的效率等知识。 做例题4，会运用热值、热效率进行有关计算。 知道影响热效率的一些因素。
学习新课 三、从火车到火箭 指导学生阅读教材《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。这种蒸汽机在之后的一百多年里对工业的发展起了极其重要的作用。斯蒂芬森以此为基础最先研制了的“火箭号”蒸汽机车。 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。 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。 阅读教材《从火车到火箭》 ，了解热机的发展历程。 做例题5，知道我国在航天领域取得的成就，知道热值、热机等概念。
课 堂 练 习 课 堂 练 习 1. 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，其热值等于零 B．燃料的热值与其质量和燃烧状态无关 C．燃料完全燃烧时，它的热值最大 D．燃料燃烧时温度越高，放出的热量越多 【答案】B。 【解析】ABC. 1kg某种燃料完全燃烧放出的能量，叫做这种燃料的热值，热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃烧程度等均无关，故AC错误，B正确； D.由Q=mq可知，燃料燃烧放出的热量与热值和质量有关，与温度无关，D错误。 所以选B. 2. 2022年11月，神舟十五号载人火箭将了名航天员送入中国空间站。下列关于神舟十升空过程中分析正确的是（　　） A．神舟十五号火箭的发动机不是热机 B．神舟十五号火箭利用氢做燃料是因为氢的热值大 C．神舟十五号火箭对氢能的利用效率可以达到100% D．神舟十五号火箭加速升空过程中机械能守恒 【答案】B。 【解析】A．神舟十五号火箭的发动机工作时把燃烧燃料时产生的内能转化为机械能，因此属于热机，故A错误； B．火箭选用液态作氢燃料是因为氢的热值大，与质量相同的其它热值小的燃料相比，氢燃烧能放出更多的热量，故B正确； C．氢燃烧产生的热量并不能被火箭完全利用，一部分转化成火箭的内能，使火箭温度升高，还有一部分散失在周围环境，因此火箭对氢能的利用效率小干100%，故C错误； D．神舟十五号火箭加速升空的过程中，质量不变（忽略燃料质量的变化），速度增大，动能增大，高度增大，重力势能增大，机械能等于动能与势能之和，因此机械能增大，故D错误。 故选B。 3. 小越参加一次长跑，身体消耗的能量为6.6×106J，这些能量相当于完全燃烧0.55kg的干木柴才能得到，则干木柴的热值为________J/kg，如果用掉一半后，干木柴的热值将_______（选填“变大”“变小”或“不变”）。 【答案】1.2×107；不变。 【解析】干木柴的热值为q=== 1.2×107J/kg 热值是燃料的特性，其大小只与燃料的种类有关，而与燃料的质量无关，用掉一半后，干木柴的热值仍为1.2×107J/kg 4. 有一台汽油机在一个工作循环中消耗了10g汽油（热值为4.6×107J/kg），这些汽油完全燃烧产生的热量是________J。若这台汽油机的效率为30%，则一个工作循环中输出的有用机械能为__________J。 【答案】4.6×105J，1.38×105J. 【解析】由题意知消耗汽油的质量m=10g=0.01kg 汽油完全燃烧产生的热量Q=mq=0.01kg×4.6×107J/kg=4.6×105J 根据热机效率η=，汽油机输出的有用机械能 W有= Q放η=4.6×105J × 30%=1.38×105J 5. 如图所示，是汽车能量转化示意图，关于汽车的效率其中正确的是（ 　） A．33% B．30% C．37% D．40% 【答案】B. 【解析】用总功减去各种能量损失即得汽车的效率为 η＝1-33%-30%-7%＝30% 故B符合题意，ACD不符合题意。所以选B. 6．如图所示是我国自行设计研制的AG600全状态新构型灭火飞机。若该飞机以270km/h的速度匀速直线航行20min，消耗航空燃油1.35t，飞机发动机的功率为2.25×107W。（航空燃油的热值为4×107J/kg）求： （1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是多少？ （2）飞机在航行过程中的阻力是多少？ （3）发动机的效率是多少？ 【答案】（1）5.4×1010J；（2）3×105N；（3）50% 【详解】（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量 Q放=mq=1.35×103kg×4×107J/kg=5.4×1010J （2）飞机航行20min牵引力做功 W=Pt=2.25×107W×20×60s=2.7×1010J 飞机运动的路程 飞机受到的牵引力 因为飞机做匀速直线运动，受到牵引力和阻力是平衡力，所以飞机受到的阻力 f=F=3×105N （3）发动机的效率 答：（1）消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量是5.4×1010J； （2）飞机在航行过程中的阻力是3×105N； （3）发动机的效率是50%。
板 书 设 计 第3节 热机的效率 一、燃料的热值 1. 定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比. 2. 公式：q=（固体燃料）；q=（气体燃料） 3. 单位： J/kg（固体燃料）； J/m3（气体燃料） 二、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. 2. 公式：η=×100% 3. 提高热机效率的方法 （1）使燃料充分燃烧; （2）减少各种热量损失； （3）利用废气的能量； （4）减少摩擦阻力。
课 堂 小 结 第3节 热机的效率
作 业
教学反思
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