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14.3 热机效率——“教-学-评核心素养”一体化教案
一、核心素养目标
（一）物理观念
1.深入理解热机效率的概念，明确其定义和物理意义。
（1）能够准确阐述热机效率是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值。
（2）认识到热机效率是衡量热机性能的重要指标，反映了热机对燃料能量的有效利用程度。
2.知道提高热机效率的重要性，并了解提高热机效率的常见方法。
（1）理解提高热机效率对节约能源和减少环境污染的重要意义。
（2）掌握使燃料充分燃烧、减少热量损失、减小摩擦等提高热机效率的具体途径及其原理。
（二）科学思维
1.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。
（1）能够从燃料燃烧开始，逐步分析能量在热机各部分的转化和传递过程，明确有用功和能量损失的去向。
（2）依据能量守恒定律，推理出提高热机效率的可行方法和理论依据。
2.运用数学方法处理热机效率相关问题，培养科学计算和数据分析能力。
（1）能够根据热机效率的定义式进行相关计算，如已知有用功和燃料热值计算热机效率，或已知热机效率和燃料能量计算有用功等。
（2）通过对热机效率数据的分析，总结影响热机效率的因素，并能对不同热机的效率进行比较和评估。
（三）科学探究
1.通过实验或案例分析，探究影响热机效率的因素，培养科学探究能力。
（1）能够提出关于影响热机效率因素的合理问题，如“燃料的种类对热机效率有什么影响？”
（2）设计实验方案或收集相关案例数据，控制变量进行探究，如研究燃料燃烧充分程度对热机效率影响时，保持其他条件不变，改变燃料的燃烧方式。
（3）对实验数据或案例信息进行分析处理，得出影响热机效率的因素，并能对结果进行合理的解释和讨论。
2.在探究过程中，培养观察能力和问题解决能力。
（1）在实验操作或案例观察中，仔细观察热机工作过程中的现象，如温度变化、能量输出情况等，从中获取有用信息。
（2）针对探究过程中发现的问题，如热机效率较低的原因，提出切实可行的解决方案，并通过进一步探究或分析验证方案的有效性。
（四）科学态度与责任
1.培养严谨、实事求是的科学态度，尊重实验数据和事实。
（1）在实验探究和数据分析过程中，如实记录实验数据，不篡改、不伪造，确保数据的真实性和可靠性。
（2）依据实验结果和数据分析得出结论，不主观臆断，对不符合预期的结果进行深入思考和分析，培养科学的质疑精神。
2.认识热机效率与能源利用、环境保护的关系，增强节约能源和保护环境的社会责任感。
（1）了解提高热机效率对缓解能源危机和减少环境污染的重要作用，认识到物理知识在能源领域的重要应用。
（2）在日常生活中，积极宣传节约能源和提高能源利用效率的理念，倡导绿色出行、合理使用能源等环保行为。
二、教学重难点
（一）教学重点
1.热机效率的概念、定义式及相关计算。
（1）透彻理解热机效率的概念，明确有用功和燃料完全燃烧放出能量的含义。
（2）熟练运用热机效率的定义式有用放进行各类计算，如已知部分量求解热机效率，或已知热机效率求解其他未知量。
2.提高热机效率的方法及其原理。
（1）掌握使燃料充分燃烧、减少热量损失（包括废气带走的热量、热传递损失的热量等）、减小摩擦等提高热机效率的常见方法。
（2）理解每种提高热机效率方法背后的物理原理，能够解释这些方法如何提高热机对燃料能量的有效利用程度。
（二）教学难点
1.从能量转化和守恒的角度理解热机效率的概念。
（1）理解热机工作过程中能量的转化和转移路径，明确有用功和能量损失在整个能量转化过程中的位置和关系。
（2）运用能量守恒定律分析热机效率的高低，理解为什么热机效率总是小于。
2.综合运用热机效率知识解决实际问题，如分析实际热机效率不高的原因并提出改进措施。
（1）能够将热机效率的概念、影响因素和提高方法等知识应用到实际情境中，对复杂的热机系统进行能量分析。
（2）针对实际热机存在的问题，提出全面、可行的提高热机效率的方案，并能预估方案实施后的效果。
三、教学方法
1.讲授法：系统讲解热机效率的概念、计算方法以及提高热机效率的原理，确保学生掌握扎实的理论基础。
2.实验探究法：通过简单的实验演示，如不同燃烧条件下燃料燃烧的充分程度对能量输出的影响，引导学生探究影响热机效率的因素，培养学生的探究能力和实验操作技能。
3.案例分析法：结合实际生活中的热机案例，如汽车发动机、蒸汽机等，分析热机效率的相关问题，让学生学会将理论知识应用到实际情境中。
4.讨论法：组织学生讨论提高热机效率的方法和意义，激发学生的思维，促进学生之间的交流与合作，培养学生的团队协作能力和创新思维。
四、教学道具素材
1.实验器材：酒精灯、三脚架、石棉网、烧杯、水、不同种类的燃料（如酒精、木块）、温度计、天平、活塞式发动机模型（可选）。
2.多媒体课件：包含热机工作过程的动画、不同热机的效率数据图表、提高热机效率的相关图片和视频等资料。
五、教学过程
（一）新课导入
1.生活实例引入：展示汽车加油的图片，提问学生：“汽车加的汽油完全燃烧释放的能量，是不是都用来让汽车行驶了呢？”
（1）引导学生思考汽车行驶过程中的能量去向，如发动机发热、尾气排放带走热量等。
（2）引出本节课的主题——热机效率，让学生意识到研究热机效率对于了解热机性能和能源利用的重要性。
（二）新课教学
1.热机效率的概念
能量分析与概念讲解：通过多媒体动画展示热机工作过程中能量的转化和转移情况。燃料燃烧释放化学能，一部分转化为机械能对外做功，推动热机运转，这部分机械能就是有用功；而另一部分能量则通过废气排放、热传递等方式散失掉了。
（1）讲解热机效率的定义：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，叫做热机效率，用表示。
（2）给出热机效率的定义式有用放，强调公式中各物理量的含义和单位。
概念强化：举例说明热机效率的概念，如一台热机消耗的汽油，汽油完全燃烧放出的热量，而热机对外做的有用功为，计算该热机的效率。通过这个例子，让学生熟悉热机效率的计算过程，加深对概念的理解。
2.热机效率的计算
例题讲解：展示一道典型的热机效率计算例题，如“某柴油机燃烧柴油时，对外做的有用功为，求该柴油机的热机效率。（柴油的热值）”
（1）引导学生分析题目，明确已知量和所求量，确定解题思路。首先根据燃料质量和热值计算燃料完全燃烧放出的热量放，然后根据热机效率公式有用放计算热机效率。
（2）规范解题步骤，在黑板上详细写出计算过程：
放
有用放
- **课堂练习**：让学生做几道类似的练习题，如已知热机效率和燃料能量求有用功，或已知有用功和热机效率求燃料质量等。教师巡视，及时指导学生，纠正学生在计算过程中出现的错误，强化学生对热机效率计算的掌握。
3.提高热机效率的方法
**实验演示与讲解**：进行一个简单的实验，用酒精灯分别加热装有等量水的烧杯，一次使用适量的酒精并充分燃烧，另一次使用相同质量但燃烧不充分的酒精，观察水升高的温度。
（1）讲解实验现象：充分燃烧酒精时，水升高的温度更高，说明燃料充分燃烧能释放更多的能量被有效利用。从而引出使燃料充分燃烧是提高热机效率的一种方法，并解释其原理：燃料充分燃烧可以减少不完全燃烧造成的能量损失，使更多的化学能转化为内能进而转化为机械能。
（2）展示一些热机工作时热量损失的图片或视频，如热机尾气排放、热机机体散热等，讲解减少热量损失也是提高热机效率的重要途径。例如，给热机加隔热层可以减少热传递损失的热量，改进热机的排气系统可以减少废气带走的热量。
（3）利用活塞式发动机模型，演示活塞在气缸内运动时的摩擦情况，讲解减小摩擦对提高热机效率的作用。如使用合适的润滑油、优化部件表面光滑程度等可以减小摩擦，减少机械能在摩擦过程中的损耗，使更多的能量用于对外做功。
**小组讨论**：组织学生分组讨论在实际生活中，如何综合运用这些方法提高热机效率。例如，对于汽车发动机，可以采取哪些具体措施来提高其效率。
（1）每个小组讨论后，推选一名代表发言，分享小组讨论的结果。
（2）教师对各小组的发言进行点评和总结，补充一些学生未考虑到的方面，如改进发动机的燃烧方式、优化热机的设计结构等，加深学生对提高热机效率方法的理解和应用能力。
（三）课堂活动
1.热机效率影响因素探究汇报
（1）提前布置学生分组进行关于影响热机效率因素的探究，可以通过查阅资料、设计简单实验等方式进行。在课堂上，每个小组派代表向全班汇报探究的过程、结果和结论。
（2）其他小组的学生可以提问、发表自己的看法和建议。
设计意图：培养学生的自主探究能力、信息收集与整理能力以及团队协作能力，让学生深入理解影响热机效率的因素。
及时性评价：对各小组的汇报进行评价，肯定学生在探究过程中的努力和创新点，纠正探究过程中存在的问题和错误结论，引导学生正确认识影响热机效率的因素。
2.热机效率提升方案设计
（1）给出一个实际的热机案例，如某小型工厂使用的蒸汽动力装置，要求学生以小组为单位，根据所学知识设计提高该热机效率的具体方案。
（2）小组讨论后，制定详细的方案，包括改进措施、预期效果、所需成本等，并以书面形式呈现。
（3）各小组展示自己的方案，其他小组进行评估和讨论，评选出最具可行性和经济效益的方案。
设计意图：培养学生运用所学知识解决实际问题的能力，提高学生的创新思维和综合分析能力，让学生认识到提高热机效率在实际生产中的重要性。
及时性评价：对各小组的方案进行全面评价，从方案的科学性、可行性、创新性和经济性等方面进行分析，肯定学生的优秀设计思路，引导学生进一步完善方案，对表现突出的小组给予表扬和奖励。
3.热机效率与能源环保辩论赛
（1）将学生分成正反两方，正方观点为“提高热机效率是解决能源和环保问题的关键”，反方观点为“提高热机效率对解决能源和环保问题作用有限”。
（2）双方学生通过收集资料、分析数据等方式准备辩论内容，然后进行辩论。
设计意图：培养学生的批判性思维和语言表达能力，让学生从不同角度深入思考热机效率与能源利用、环境保护之间的关系，增强学生的环保意识和社会责任感。
及时性评价：在辩论过程中，对学生的观点阐述、论据运用和辩论技巧进行评价，引导学生客观看待热机效率在能源和环保问题中的作用，鼓励学生提出更多创新性的想法和观点。
（四）典型例题分析
1.例题1：一台汽油机的热机效率为，若该汽油机消耗汽油，汽油的热值为，则该汽油机对外做的有用功是多少？
分析：本题考查根据热机效率和燃料相关量计算有用功，培养学生对热机效率公式的逆向运用能力，体现科学思维素养中的逻辑推理和计算能力。
解答：首先根据燃料完全燃烧放出热量的公式放，计算出汽油完全燃烧放出的热量放。然后由热机效率公式有用放可得有用放，将，放代入，解得有用。
2.例题2：某热机在工作过程中，燃料完全燃烧放出的能量为，而用来做有用功的能量为，则该热机的热机效率为多少？若要使热机效率提高到，在有用功不变的情况下，燃料完全燃烧放出的能量应为多少？
分析：本题第一问考查热机效率的基本计算，第二问考查在有用功不变时，根据热机效率的变化计算燃料完全燃烧放出能量的变化，培养学生对热机效率概念的理解和灵活运用公式进行计算的能力，属于科学思维素养的考查。
解答：第一问，根据热机效率公式有用放，将有用，放代入，可得。第二问，已知，有用，由有用放可得放有用。
3.例题3：关于提高热机效率的措施，下列说法中错误的是（ ）
A.尽量使燃料充分燃烧
B.尽量减少热机部件间的摩擦
C.尽量减少废气带走的热量
D.尽量增加热机的工作时间
- **分析**：本题考查对提高热机效率方法的理解和判断，培养学生对提高热机效率原理的掌握和应用能力，体现科学思维素养中的辨析能力。
- **解答**：使燃料充分燃烧、减少热机部件间的摩擦、减少废气带走的热量都可以提高热机效率，而增加热机的工作时间并不能提高热机效率，热机效率与工作时间无关。所以答案是D。
（五）课堂小结
1.知识总结
热机效率概念：热机效率是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值，反映热机对燃料能量的有效利用程度，用公式有用放计算，其中有用是热机对外做的有用功，放是燃料完全燃烧放出的热量。
热机效率计算：根据热机效率公式，已知其中两个量可求第三个量。计算时要注意各物理量的单位及对应关系，确保计算准确。
提高热机效率方法：主要包括使燃料充分燃烧，可增加燃料释放能量的利用率；减少热量损失，如废气带走热量、热传递损失热量等；减小热机部件间摩擦，降低机械能损耗。这些方法能提高热机将燃料化学能转化为机械能的比例。
2.方法归纳
（1）通过实验演示、动画展示和案例分析，直观理解热机效率概念及能量转化过程，形成清晰的物理图像。
（2）运用数学方法，依据热机效率公式进行相关计算，在计算中加深对概念的理解，提高解决实际问题的能力。
（3）通过小组讨论、探究汇报等活动，培养合作学习、自主探究能力，从不同角度认识影响热机效率的因素及提高效率的方法。
（六）课后作业
3.基础性作业：课本练习与应用的1、2、3题。
（1）通过完成这些题目，巩固热机效率的概念、计算方法以及提高热机效率的途径等基础知识。
（2）强化对热机效率公式的运用，提升根据实际问题分析和计算的能力。
4.拓展性作业：假设你是一名汽车工程师，要对一款现有汽车发动机进行改进以提高热机效率。查阅资料，了解该发动机的基本参数和工作原理，撰写一份改进方案，内容包括改进措施、预期效果及理论依据。
（1）培养学生自主查阅资料、收集信息的能力，以及将物理知识应用于实际工程问题的能力。
（2）促使学生深入思考热机效率相关知识，提升综合运用知识解决复杂问题的能力，激发创新思维。
（七）达成性评价
1.通过课堂提问，了解学生对热机效率概念、计算及提高方法的理解程度。
（1）观察学生回答问题的准确性和完整性，判断学生对热机效率知识的掌握情况。对于回答不准确或不完整的学生，及时给予引导和补充讲解。
（2）通过提问不同层次的问题，了解不同学生对知识的理解深度，以便在后续教学中进行分层指导。
2.通过课堂活动，评价学生的探究能力、合作学习能力和创新思维能力。
（1）在热机效率影响因素探究汇报活动中，评估学生的探究方法是否科学合理，数据处理和分析能力如何，以及能否清晰准确地阐述探究结论，以此评价学生的探究能力。
（2）在热机效率提升方案设计活动中，观察学生在小组内的协作表现，如分工是否合理、交流是否顺畅等，评价学生的合作学习能力；同时，根据学生提出的改进措施的创新性和可行性，评价学生的创新思维能力。
（3）在热机效率与能源环保辩论赛中，从学生的观点阐述、论据支持、辩论技巧以及团队协作等方面进行评价，全面考查学生的综合素质。
3.通过课后作业，评估学生对知识点的掌握和应用能力，以及解决实际问题的能力。
（1）检查基础性作业，查看学生对热机效率计算和概念应用的熟练程度，对学生作业中出现的错误进行统计分析，了解学生在哪些知识点上存在薄弱环节，以便针对性辅导。
（2）分析拓展性作业，评估学生对实际问题的分析能力、知识迁移能力以及创新能力。关注学生改进方案的合理性、可行性以及理论依据的充分性，对优秀的方案进行整理和展示，供其他学生学习参考。
（八）教学反思
1.在热机效率概念的教学中，尽管采用了多种方式帮助学生理解，但部分学生在从能量转化和守恒角度深入理解热机效率小于的原因时，仍存在一定困难。后续教学可增加更多实例和互动环节，引导学生从能量流向的角度进行细致分析，帮助学生突破这一难点。
2.课堂活动方面，部分学生在小组讨论和探究活动中参与度不高。在今后的教学中，应进一步优化活动设计，明确每个学生在小组中的任务和角色，激发学生的参与积极性，确保每个学生都能在活动中有所收获，提高学生的团队协作能力和自主探究能力。
3.在时间把控上，由于课堂活动较为丰富，导致在典型例题讲解后的总结环节时间略显仓促。在今后的教学中，要更加合理地分配时间，确保在完成教学内容的同时，有足够时间对重点知识进行总结和强化，帮助学生构建完整的知识体系，提高学生对知识的掌握程度和应用能力。

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