资源简介

教学设计
课程基本信息
学科 物理 年级 九年级 学期 秋季
课题 第3节　热机的效率
教学背景
1．教学内容分析 《热机的效率》是物理九年级全一册（人教版）《第十四章　内能的利用》第3节的内容。本节课是学生在学习了能量守恒定律和热机后的一节综合应用规律解决问题的课程，既是对热机学习的进一步延续，又是对能量转化和内能高效利用的深入思考。 本节课主要内容由“燃料的热值”和“热机的效率”两部分构成。学生了解燃料的演变和常见的燃料，通过经验和实验事实，了解热值的概念，培养学生能制订简单的实验方案、观察实验现象和收集数据的能力。再次利用实验数据，讨论烧水的效率，得到效率的概念，培养学生用能量转化与守恒的规律对所研究问题进行推理和解释的能力，并能将知识进行迁移，总结归纳热机的效率。最后，联系实际，分析提高热机的效率的方法，体会提升热机效率的重要意义，意识到可持续发展的重要性，逐步形成将科学服务于人类的使命感。 2．学情分析 从知识上看，学生已经学习了内能、热机的工作原理、能量的转化与守恒。了解热机通过做功冲程将内能转化为机械能的工作方式。在生活中，学生能感受到不同燃料燃烧效果的差异，但难以从能量转化的角度分析本质原因，理解热值是固有属性，与质量和外界因素无关。热机的效率则涉及能量的损耗及利用率，学生容易混淆燃烧过程中“燃烧释放的总能量”“有用的机械能”“损耗的能量”，在计算效率时需要综合应用比热容、功等知识，对学生而言也存在挑战。 从思维方法上看，初三学生的思维能力正处于从具体形象思维向抽象思维发展的过渡阶段，抽象思维在逐步发展，将实际过程抽象为理想模型仍存在一定困难，比如难以理解“完全燃烧”这一理想条件。学生已经具备了一定观察和实验能力，能设计简单的实验来验证物理规律，能对观察到的现象进行初步的分析和归纳，但对于实验数据的处理和分析还缺乏严谨的科学思维。
教学目标
物理观念 通过实验和生活体验，能从能量转化和转移的角度认识燃料的热值和热机的效率，进一步深化和完善能量观念。 科学思维 通过分析烧水过程和热机工作过程中能量的主要流向，能用能量转化与守恒的规律对所研究问题进行推理和解释，具有初步的科学推理能力和科学论证能力。 科学探究 1．能够制订简单的实验方案，验证不同燃料燃烧时放热情况不同，具有对科学探究过程和结果作出解释的能力。 2．通过交流对生活中的燃料和汽油机的认识和体会，具有观察能力和提出问题的能力，能基于证据表述自己的观点，具有与他人交流的能力。 科学态度与责任 通过学习热机的效率，能意识到节约能源和可持续发展的重要性，激发为社会可持续发展做贡献的动力。
教学内容
教学重点 1．通过经验和实验事实，了解热值的概念，体会不同燃料的热值不同。 2．通过讨论烧水的效率，引导学生得到效率的概念，再过渡到热机的效率。 教学难点 由烧水过程体会能量的利用存在效率问题，结合四冲程汽油机的工作过程，理解热机的效率。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
新课导入 介绍人类使用燃料大致经历了植物秸秆、木柴、煤炭、石油衍生品以及替代品的历程。 提出问题：生活中，你都见过哪些燃料？ 展示几种燃料的图片，引导学生对燃料进行分类，概括燃料的共性，分析燃料燃烧过程中的能量转化。 了解人类使用燃料的大致历程。 根据生活经验，列举生活中用到的燃料。 根据物态，将燃料进行分类。发现燃料的共性。燃料燃烧是将化学能转化为内能的过程。 从常见的燃料和燃料的演变引入，引发学生思考燃料演变的背后反映出的人类对能源的需求和对环保的追求，激发学生的学习兴趣。通过分析发现燃料的共性和燃烧过程中的能量转化。
新知探究 一、热值的引入 1．提出问题，引发学生猜想。 根据你的经验，相等质量的不同燃料，燃烧时放出的热量相同吗？能否找出事实来支持你的观点？ 2．布置任务，设计实验。 提供以下实验器材：酒精、矿物油、电子秤、烧杯、水、温度计和铁架台等。请同学们利用上述器材设计实验验证猜想。 3．播放实验视频。 用电子秤称出质量相等的酒精和矿物油各5 g。用电子秤称出质量相等的水100 g，用温度计测量水的初温并记录。在相同的环境中，分别用酒精和矿物油给水加热，待燃料燃尽后记录水的末温。发现两烧杯中的水升高的温度不同。 4．观察数据并总结：相等质量的不同燃料燃烧时放出热量不同，能反映出不同燃料燃烧时放热本领不同。 ①我们用热值这一物理量来反映燃料燃烧释放热量的本领，用字母q表示。 ②热值的定义是某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。完全燃烧是指燃料燃烧后完全变成不可燃烧物的过程。 ③定义式为q=Q/m，这里Q指燃料完全燃烧放出的热量，m是燃料的质量，q是热值。 ④热值的单位是焦每千克。 提出问题：阅读教科书上的小资料，观察表中燃料的热值，有何发现？ 介绍某些气体燃料热值的定义式q=Q/V和单位J/m3。 布置任务，提出一系列问题，引导学生理解热值。 问题1：干木柴的热值是多少？它的物理意义是什么？ 问题2：汽油的热值是多少？如果给汽车加30 kg汽油，完全燃烧放出的热量为多少？ 二、热机的效率 1．以烧水过程为例，思考能量的去向和效率的概念。 刚才的实验中，我们利用水吸收的热量反映燃料燃烧放出的热量，水吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量是否相同？ 布置任务：请你以酒精为例，利用实验视频中的数据，计算说明。 总结，说明酒精燃烧放出的热量并没有完全被水吸收。 提出问题：请同学们仔细观察装置，回顾实验过程，你能分析出酒精燃烧放出的热量都去哪里了吗？ 提出问题：烧水过程中，有效利用的热量是哪部分？如何计算烧水的效率？ 如何提高烧水的效率？ 2．热机工作时能量的去向和热机的效率。 提出问题：热机中燃料燃烧释放的热量能被完全利用吗？仿照对烧水过程的分析，以四冲程汽油机为例，你能想到有哪些能量损失呢？有效利用的是哪部分能量？ 如何计算热机的效率？ 介绍计算热机效率的公式η=W有用/Q放。介绍热机的效率。蒸汽机的效率很低，只有6%~15%。内燃机的燃料在气缸内燃烧，与空气充分混合，燃烧的比较充分，因此内燃机效率比蒸汽机高。汽油机的效率为20%~40%，柴油机的效率为30%~45%。可见，随着科学技术的不断发展，热机的效率一直在提高。 提出问题：有哪些途径可以提高热机的效率呢？ 介绍在热机的能量损失中，废气带走的能量最多。设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。比如大型发电机常用汽轮机推动，为了提高燃料的利用率，人们利用汽轮机排出的废气供热，这就是热电站，比起一般的火电站，燃料的利用率大大提高。 提出问题：如果热机的效率提高1%，能带来哪些影响？请同学们完成教科书本节“练习与应用”的第4题。 通过举例，提出猜想：相等质量的不同燃料，燃烧时放出的热量不同。 思考、小组讨论，交流设计思路。 观看实验视频，分析数据，得出结论：相等质量的不同燃料，燃烧时放出的热量不同。 阅读小资料并回答：不同燃料的热值一般不同，但也有例外，比如煤油和汽油；固体和液体燃料热值的单位是J/kg，某些气体燃料热值的单位是J/m3等等。 问题1：干木柴的热值约1.2×107 J/kg，它表示1 kg的干木柴完全燃烧放出的热量为1.2×107 J。 问题2：汽油的热值是4.6×107 J/kg。 完全燃烧放出的热量Q放=qm油= 4.6×107 J/kg×30 kg= 1.38×109 J。 记录酒精的质量、酒精的热值，水的质量、比热容以及升高的温度，利用Q放=qm酒计算酒精完全燃烧放出的热量，利用Q吸=cm水Δt计算水吸收的热量，结果发现Q吸小于Q放。 思考，小组讨论，分析能量的去向。 有效利用的热量是被水吸收的热量。利用水吸收的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比计算烧水的效率。 让燃料充分燃烧释放更多的热量；用更隔热的材料减少热量的散失等。 思考并回答：不能完全利用。 完成能量去向图。能量的去向有：汽油在气缸内不能完全燃烧，损失一部分能量；由于机械传动等克服摩擦消耗一部分能量；机械装置吸收了一部分能量；废气的排出会带走大量能量；只有小部分能量真正用来做有用功。 只有对外做有用功的能量是被有效利用的。 对外做有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量之比。 学生从能量的流向中发现提高热机效率的途径有：增加供氧使燃料充分燃烧、减少热量的散失，同时在热机设计和制造上提高技术水平和使用新材料，还有保证热机运动部件良好的润滑，减少因摩擦额外消耗的功。 完成练习。 通过举例发现不同燃料燃烧释放的热量可能不同。 通过对生活场景的观察，得到初步猜想后，结合老师提供的器材，设计实验。通过前面的铺垫，辅助学生制订实验方案。经历猜想、设计方案、实验验证的过程。培养学生养成先设计再探究的习惯。 通过阅读小资料，创设“问题链”层层递进，帮助学生深入理解热值的概念。 从分析酒精烧水的效率入手，引发学生思考能量的去向，体会效率的概念和提升效率的措施。 结合四冲程汽油机的工作过程，找到有用功和损失的能量，理解热机的效率的定义。仿照烧水过程，提出提高热机的效率的方案。 了解不同热机效率的数据，意识到节约能源和可持续发展的重要性。 将烧水过程中提高效率的措施进行迁移，结合能量的去向进行分析，帮助学生将“效率”这个抽象的物理量与现实联系起来，提升解决实际问题的能力。 通过数据体会热机效率的提升带来的巨大影响。
课堂小结 学生从知识和方法等方面进行本节课的总结。 培养学生总结归纳的能力。
板书设计
14.3　能量的转化和守恒 一、热值 1．热值是反映燃料燃烧释放热量的本领的物理量 2．符号：q 3．定义式：q=Q/m q=Q/V 4．单位：J/kg J/m3 二、热机的效率 η=W有用/Q放
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