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/ 让教学更有效 高效备课 | 物理学科
《14.4跨学科：热机效率和环境保护》教学设计
课题 4.跨学科：热机效率和环境保护 单元 14 学科 物理 年级 九
教材分析 本节课是沪科版九年级物理“第十四章 内能与热机”的第四节，以“内能利用的效率”和“环境影响”为核心，从“燃料放热差异（热值）”到“热机能量利用率（效率）”再到“能量利用的环境代价（环保）”，形成“‘用能’ - ‘节能’ - ‘护环境’”链条，呼应“内能利用”目标；融合物理、化学、地理、社会等学科知识，体现“科学 - 技术 - 社会 - 环境”（STSE）教育理念；借助“热值表”“热机能量走向图”“永动机示意图”等素材降低抽象概念理解难度，通过“物理聊吧”“学科综合”等活动培养学生实践能力。本节课是“能量观”和“环保观”的重要渗透课，为后续学习“能源与可持续发展”奠基，还承担“科学态度与社会责任”育人功能。
2022新课标要求 1.能从跨学科视角认识燃料的热值、热机效率和环境保护的意义等；能认识热机对社会发展所起的作用和对环境的影响。2.能认识热机效率不能达到 100% 的原因，知道提高热机效率与环境保护的关联，能主动关心空气质量。
学习目标与核心素养 1.物理观念：知道热值的定义、公式、热机效率、对环境的影响。2.科学思维：从 “能源利用 - 环境影响” 的关联中，建立 “可持续发展” 的跨学科思维。3.科学探究：开展 “热机效率影响因素” 小组讨论，基于能量损失途径，提出提高效率的猜想并验证。4.科学态度与责任：认识 “永动机不可能实现” 的科学依据，树立尊重客观规律的科学态度，培养 “保护环境、共建家园” 的社会责任感。
学情分析 知道热机的能量转化（内能→机械能），了解燃料燃烧是 “化学能→内能” 的过程（前节知识 + 化学常识）；对 “效率” 有生活认知（如 “洗衣机脱水效率”“学习效率”），但未从 “能量比值” 角度理解；熟悉生活中的燃料（天然气、煤气、煤），对 “雾霾”“酸雨” 等环境问题有感性认识，具备基础的信息查询能力。
重点 燃料热值的定义、公式及物理意义，热机效率的定义及能量损失途径，提高效率的具体措施。
难点 从跨学科视角分析 “燃料选择 - 效率 - 环保” 的关联。
材料准备 ppt课件，永动机视频
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 思考：在日常生活中我们常听说‘节能减排’，你知道在物理上的含义吗？“节能” 等于提高热机效率 “减排” 等于优化能量转化过程。烧水做饭、火力发电、汽车、直入苍穹的火箭等都离不开燃料，使用燃料给人类带来便利的同时还会给环境带来污染。本节就来讨论热机效率和环境保护。 在老师引导下学生思考回答 由日常常见话语引出本节课题建立 “燃料、效率 、 环保” 的初步关联，进入学习情境。
讲授新课 一、燃料的热值1.燃料的种类常见的燃料有木柴、煤炭、汽油、柴油、酒精、煤气、天然气等。柴薪取暖 天然气取暖汽车加汽油2.燃料的热值（1）定义：人们把某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。热值用字母 q 表示。（2）燃料热值的定义式以及单位：q= Q/m Q表示燃料完全燃烧释放的热量，单位是焦，符号为 J； m表示固、液体燃料的质量，单位是千克，符号为kg； q表示燃料的热值，单位是焦/千克，符号为 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。3.常见燃料的热值燃料热值 q /（J/kg）燃料热值 q /（J/kg）干木柴1.2×107酒精3.0×107焦炭3.0×107柴油 4.3×107木炭3.4×107 汽油 4.6×107氢1.4×108煤油4.6×107问题1：表中哪种常见燃料的热值最高？哪种最低？参考答案：常见燃料里，氢气热值最高为1.4×108J/kg，干木柴热值最低为1.2×107J/kg问题2：热值的单位是什么？它表示什么物理意义？参考答案：热值单位为J/kg（焦每千克）；物理意义：1 kg 某种燃料完全燃烧放出的热量。问题3：为什么氢气热值很高，但日常生活中很少直接当燃料用？参考答案：氢气虽然热值高，但难储存、难运输、易爆炸、成本高，所以日常生活很少直接用。 问题4：同样质量的煤和天然气，完全燃烧放出热量谁更多？参考答案：同样质量下，天然气完全燃烧放出的热量比煤多。因为天然气的热值比煤大，根据Q放=mq在质量 m 相同、都完全燃烧时，热值 q 越大，放出热量 Q 越多。4.气体燃料的热值 （1）定义：对气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比。 （2）定义式以及单位：q= Q/V V 表示气体燃料的体积，单位是米3 ；Q 表示放出的热量，单位是焦，符号为 J；q 表示气体燃料的热值，单位使用焦/米3，符号为J/m3。天然气的热值为3.3×107~4.5×107J/m3它表示1m3天然气完全燃烧时放出的热量是3.3×107~4.5×107J。二、热机效率1.热机燃料的能量走向热机工作时，燃料不能完全燃烧，且燃烧释放的能量也不能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在工作过程中损耗掉了。2. 热机效率（1）定义：热机运转中，做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。（2）公式η =W有用/Q放 ×100%热机效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，是热机性能的重要指标。3. 一些热机的效率 请同学们上网查询蒸汽机、汽油机、柴油机及喷气式飞机发动机的效率，说一说它们各是多少？蒸汽机：4%–8%（老式）；6%–15%（改进型）汽油机：20%–40%（普通）；26%–45%（高效机型）柴油机：30%–45%（普通）；34%–46%（高效机型） 喷气式发动机（燃气轮机类）：50%–60%4.提高热机效率的主要途径（1）首先要减少燃烧过程中的热量损失①燃料尽可能完全燃烧如内燃机要掌握火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间；蒸汽类热机，常将煤研磨成粉状，用风吹入锅炉内燃烧，这样可以使燃料尽可能完全燃烧。②加隔热材料、改进结构，减少向外界散热。（2）减小机械摩擦加润滑油，减少部件间的摩擦，减少因克服摩擦做功而消耗的能量。（3）充分利用废气带走的热量如利用废气预热、涡轮增压、余热利用等，提高能量利用率。给汽车发动机加润滑油 “永动机”能实现吗？一种“永动机”的设想有人设想的一种能永远运动的装置——“永动机”。这是历史上非常经典的重力型永动机设计，也叫“滚珠永动机”或“轮子永动机”。设计者的设想：轮子右侧的小球会因滑槽倾斜而滚向轮缘，使右侧力臂更长、力矩更大；左侧的小球则滚向轮心，力臂更短、力矩更小；认为右侧更大的力矩会持续推动轮子顺时针转动，实现永远不停地运动。想一想，它真的能一直不停地运动下去吗？永动机是试图在不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器，这个设计违背了能量守恒定律。实际转动时，右侧小球虽然力臂长，但数量更少；左侧小球力臂短，但数量更多，最终两侧的总力矩会相互抵消，轮子无法获得持续的转动力。另外轴承摩擦、空气阻力等会不断消耗机械能，最终轮子必然会停止转动。视频：永动机三、环境保护1. 热机造成的环境污染（1）大气污染 现代工业大量燃烧煤炭、石油和天然气排放的烟尘，使大气十分浑浊，可吸入颗粒物（PM2.5）造成雾霾，雾霾损害呼吸系统。排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，危害植物，污染环境等。（2）噪声污染发动机运转、排气、机械振动产生强噪声，影响生活与健康。 （3） 热污染（废热）热机效率有限，大量余热排入空气或水体，导致局部气温升高、水体缺氧，破坏生态平衡。2. 环境保护（1）1992年联合国专门制定了《联合国气候变化框架公约》，并于同年在巴西城市里约热内卢签署生效。截至2023年7月，该公约共有198个缔约方。（2）我国坚持走绿色、低碳、可持续发展道路，在应对全球气候变化上做出了积极的贡献。思考讨论：在热机使用过程中应采用哪些措施保护环境？ （1）改进热机结构，提高热机效率，减少燃料消耗。（2） 使用清洁燃料，如天然气、酒精、氢气等。 （3）安装尾气净化装置，减少有害气体排放。（4）大力发展新能源交通工具，如电动车、太阳能汽车。（5）减少噪声污染，使用消声器、隔音设备。（6）节约能源，绿色出行，多乘坐公共交通。学科综合探究空气质量1.了解影响空气质量的因素，认识PM2.5 对人体的伤害。（1）影响空气质量的因素：工厂废气的排放； 汽车、飞机等交通工具尾气：化石燃料（煤、石油、天然气）的燃烧； 植被减少、气候条件（如无风、雾霾天气）等。(2)PM2.5 ①是指大气中直径≤2.5微米的细颗粒物，也叫可入肺颗粒物。② PM2.5 对人体的危害： 颗粒极小，能直接进入支气管、肺泡，甚至进入血液；引发呼吸道疾病：咳嗽、哮喘、支气管炎、肺炎；加重心血管疾病：高血压、心脏病、动脉硬化； 长期吸入会损害肺部功能，影响免疫力，危害健康。2.了解我国及世界各国治理空气污染的举措。（1）我国治理空气污染的举措：①调整能源结构，减少煤炭使用，大力发展太阳能、风能、水能等清洁能源。②改进工厂设备与工艺，安装废气净化装置，达标排放。③ 推广使用新能源汽车，减少汽车尾气污染。④加强扬尘治理，建筑工地洒水降尘，禁止秸秆焚烧。⑤健全法律法规，加强监管与区域联防联控。⑥植树造林，绿化环境，提高空气质量。（2）世界各国治理空气污染的共同措施① 制定严格的环保法律与排放标准；②淘汰落后产能，发展清洁能源与绿色技术；③ 控制机动车尾气，推广公共交通与新能源汽车；④加强国际/区域合作，共同治理大气污染；⑤增强全民环保意识，倡导绿色低碳生活。 引导学生阅读课本了解燃料的种类、燃料的热值以及热值的物理意义 学生观察。常见燃料的热值表，回答老师提出的四个问题阅读课文了解气体的气体燃料的热值注意公式的表达引导学生自主阅读课本的内容，热机的能量损失展示图，引导学生分析：燃料完全燃烧释放的总能量有哪些去向以及热机效率是如何定义的？分组讨论并分享提高效率的措施在老师的引导下分析 “永动机”能实现吗？并观看视频，进一步理解学生阅读课文分析讨论老师提出的问题学生查询1.影响空气质量的因素，认识PM2.5 对人体的伤害。2.了解我国及世界各国治理空气污染的举措 锻炼学生的自主学习能力和理解能力锻炼学生的观察能力以及理解能力，对热值的含义进一步理解锻炼学生的自主学习能力观察能量走向图，标注各能量损失途径；推导效率公式，理解 “比值” 本质；拓展学生的发散思维结合能量守恒定律，分析永动机的荒谬性，树立科学规律意识。观看污染图片，结合生活体验（如雾霾天戴口罩），认识环境问题的严重性；聆听环保举措，了解我国的责任与贡献，增强民族自豪感；拓展学生的知识面，培养 “保护环境、共建家园” 的社会责任感。
课堂练习 1.关于燃料的热值，下列说法正确的是（ ）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答案：D【解析】热值是燃料的一种属性，同种燃料的热值相同。燃料燃烧时放出的热量与是否完全燃烧、燃料的热值和质量都有关系，因此热值大的燃料燃烧时放出的热量不一定多。故选D。2.2025年10月31日，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号F遥二十一运载火箭，成功将神舟二十一号载人飞船送入预定轨道，如图所示，下列说法正确的是（　　）A．火箭的外壳与大气摩擦生热创造了能量，不遵循能量守恒定律B．火箭飞入太空后，太空温度很低，其内能为零C．使燃料燃烧更充分可以提高燃料的热值D．使燃料燃烧更充分可以提高热机效率【答案】D【详解】A．能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一，不遵循能量守恒定律的事情不存在，故A错误；B．一个物体在任何情况下都具有内能，所以火箭飞入太空后，太空温度很低，其内能也不为零，故B错误；C．热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与燃烧情况等无关，故C错误；D．使燃料燃烧更充分释放出更多热量，可以提高热机效率，故D正确。故选D。3.关于热机与环境，下列说法正确的是（　　）A．现代热机的出现，极大地改变了人类的工作方式和生存条件B．热机虽然促进人类的文明进程，但同时对环境造成了极大的污染和破坏，我们应该禁止热机的使用C．随着新材料，新工艺不断涌现，我们现在应该用新动力取代所有传统热机D．我们要利用热机来改善人类工作条件和生活方式，一点点污染不算啥答案：A【解析】A．现代热机的出现，改变了人类的工作方式和生存条件，故A正确；B．热机的使用虽然对环境造成了极大的污染和破坏，但促进人类的文明进程，应更加合理地使用热机，故B错误，不符合题意；C．用新动力取代热机需要我们开发出经济环保的可持续利用的新能源，现在的技术水平传统的热机无法被全部取代，故C错误，不符合题意；D．现在大气污染的主要途径就是利用化石能源的结果，我们应尽量减少热机的使用带来的污染，故D错误，不符合题意。故选A. 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 1.热值：某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比。q= Q/m 2.气体燃料的热值：标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比 q= Q/v 3.热机效率：做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值。η =W有用/Q放 ×100%4.环境保护热机造成的环境污染：主要是大气污染。 学生总结教师补充 让学生对本节知识有个系统理解
板书 一、燃料的热值1.人们把某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫作这种燃料的热值。热值用字母 q 表示。q= Q/m 2.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。3.气体燃料的热值标准状态下某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该种气体燃料的体积之比q= Q/v 二、热机效率1.热机运转中，做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。公式η =W有用/Q放 ×100%三、环境保护1.热机造成的环境污染：主要是大气污染。2.环境保护 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 《万物简史》（比尔·布莱森） 相关章节：能量、能源、化石燃料、气候 适合点：用故事讲热、能量、燃烧、效率，语言通俗有趣。
特色资源分析和技术手段说明 视频资源：“永动机”。 直击“能量守恒定律”能让学生直观感受到： 现实中不存在不消耗能量却永远做功的机器，证明了能量不能凭空产生，也不能凭空消失
教学反思 本节课围绕“用能—节能—护环境”的链条展开教学，契合沪科版教材的设计逻辑，也落实了STSE教育理念。教学中，借助热值表、热机能量走向图、永动机示意图等素材，帮助学生理解了热值、热机效率这些抽象概念，大部分学生能清晰说出热机能量损失的途径，也能结合生活举例热机带来的环境问题，课堂参与度较高。 不过也存在不足：一是学科融合的深度不够，比如和化学、地理的关联只是简单提及，没有设计更具体的跨学科活动；二是部分学生对热机效率的计算还不够熟练，后续需要增加针对性的练习；三是“物理聊吧”活动的讨论深度不足，没有充分引导学生将知识和生活实践结合，比如让学生提出具体的节能、环保方案时，学生的想法比较空泛。 后续改进中，我会增加跨学科的实践任务，比如让学生调查本地汽车尾气的成分（结合化学）、分析不同地区的能源结构（结合地理），同时强化计算训练，让学生在解决实际问题中深化对知识的理解，更好地落实“能量观”“环保观”的培养，以及科学态度与社会责任的育人目标。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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