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10.4 热机 教案
课题 10.4 热机 课型 新授课
课时 1课时 教材版本 北师大版九年级全一册
教学方法 实验演示、讲授法、类比法、讨论法 教学用具 试管、胶塞、酒精灯、铁架台、汽油机模型、多媒体课件
一、核心素养目标
1.知道热机的概念，初步了解热机的工作原理。
2.了解汽油机的构造和工作过程。
3.知道柴油机的构造和工作过程。
4.认识火箭，知道我国航天事业的发展。
二、教学重难点
教学重点：汽油机四冲程工作过程及能量转化；汽油机与柴油机的异同比较。
教学难点：汽油机四冲程中各冲程气门开闭、活塞运动方向的判断；"4、2、2、1"规律的灵活运用。
三、教学过程
（一）情境导入（4分钟）
【设计意图】通过生活中的交通工具引发思考，激发学生探究热机工作原理的兴趣，同时以演示实验建立直观的感性认识。
【教师活动】同学们，我们每天都能看到汽车在公路上行驶，也听说过火箭发射升空的壮观场景。这些交通工具到底是靠什么获得巨大的机械能，驱动它们运动起来的呢？今天我们就来学习热机的工作原理。
【学生活动】观察汽车、火箭等交通工具的图片，思考它们获得机械能的来源。
【教师活动】首先，我们来看一个演示实验。在试管内装些水，用胶塞塞住管口，用酒精灯加热。请同学们仔细观察实验现象，思考这个过程中能量的转化。
【学生活动】认真观察演示实验，记录实验现象：水沸腾后，胶塞被冲出，试管口出现"白雾"。
试管实验装置示意图
【教师活动】请同学们思考：这个实验中有哪些能量转化？胶塞为什么会被冲出去？
【学生活动】积极思考并回答：酒精燃烧释放化学能；水吸收热量，内能增加；水蒸气膨胀，将内能转化为胶塞的机械能，推动胶塞飞出。
胶塞冲出实验现象
【知识点】试管实验的能量转化：燃料的化学能→水的内能→塞子的机械能。
【实验注意】实验注意要点试管口不能对着人，加热时试管外壁要擦干，防止受热不均炸裂。胶塞不宜塞得太紧，防止气压过高发生危险。
【过渡语】这个简单的实验实际上揭示了热机工作的基本原理——将燃料燃烧产生的内能转化为机械能。那么，实际的热机是如何实现这一转化的呢？接下来我们正式学习热机的种类。
（二）新知探究
【设计意图】依次探究热机种类、汽油机、柴油机和火箭四个知识点，由浅入深、层层递进，使学生全面掌握热机的相关知识。
探究一：热机的种类（8分钟）
【设计意图】先建立热机的整体概念，再分类介绍，帮助学生从宏观上把握热机家族的面貌。
【教师活动】在物理学中，将燃料燃烧产生高温高压气体的内能转化为机械能的机器，统称为热机。热机工作时，能量转化是：内能转化为机械能。
【知识点】热机的定义：将燃料燃烧产生的高温高压气体的内能转化为机械能的机器。能量转化：内能→机械能。
【教师活动】热机的发展经历了漫长的过程。最早的实用热机是蒸汽机，它是工业革命的标志。随着科技发展，人们又发明了内燃机和喷气发动机。
【学生活动】了解蒸汽机、内燃机、喷气发动机等热机的发展历程，认识科学技术是不断进步发展的。
【教师活动】内燃机是燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机。根据燃料不同，分为汽油机和柴油机。喷气发动机又分为空气喷气发动机和火箭喷气发动机。
【学生活动】阅读教材，梳理热机的分类：蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、喷气发动机（空气喷气发动机、火箭喷气发动机）。
汽油机实物图
柴油机实物图
【知识点】热机种类：蒸汽机→内燃机（汽油机、柴油机）→喷气发动机（空气喷气发动机、火箭喷气发动机）。
【理解要点】空气喷气发动机与火箭的区别空气喷气发动机只携带燃料，需外界空气助燃，飞行高度受限；火箭自带燃料和氧化剂，不需外界空气，飞行高度不受限制。
【过渡语】热机家族中，最常见、最与我们生活密切相关的是内燃机。汽车、摩托车、小型飞机等都用的是内燃机。下面我们重点学习汽油机的构造和工作过程。
探究二：汽油机（12分钟）
【设计意图】汽油机是本节课的重点，通过构造认识、四冲程分步讲解和规律总结三个环节，帮助学生深入理解汽油机的工作原理。
【教师活动】汽油机是生活中最常见的发动机之一。请同学们看大屏幕上的汽油机剖面图，认识汽油机的主要构造。
【学生活动】观察汽油机剖面图，在课本上标注各部件名称：进气门、排气门、气缸、火花塞、活塞、连杆、曲轴。
四冲程汽油机剖面图
【教师活动】汽油机工作时，汽油在汽缸内燃烧，生成高温高压燃气，推动活塞做功。活塞的往复运动通过连杆带动曲轴转动，把机械能输出。
【知识点】汽油机构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、活塞、连杆、曲轴。点火方式：点燃式。
【教师活动】汽油机的工作过程由四个冲程组成，称为一个工作循环。活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。
【学生活动】理解"冲程"的定义，注意区分"冲程"和"工作循环"的概念。
四冲程工作过程总览——吸气冲程
四冲程工作过程总览——压缩冲程
四冲程工作过程总览——做功冲程
四冲程工作过程总览——排气冲程
【教师活动】现在我们来逐一分析每个冲程的特点。第一个冲程——吸气冲程：进气门打开，排气门关闭，活塞自上向下运动，将汽油和空气的混合物吸入汽缸。此过程中无能量转化。
【学生活动】在笔记本上记录吸气冲程的四要素：气门状态（进气门开、排气门关）、活塞运动方向（向下）、吸入物质（汽油和空气混合物）、能量转化（无）。
吸气冲程示意图
【教师活动】第二个冲程——压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞自下向上运动，压缩燃料混合物使其内能增加、温度升高。此过程中机械能转化为内能。
【学生活动】记录压缩冲程的四要素：两门均关闭、活塞向上运动、压缩混合物、机械能→内能。
压缩冲程示意图
【教师活动】第三个冲程——做功冲程：两门仍关闭，压缩冲程结束时火花塞产生电火花，点燃燃料混合物，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，带动曲轴转动，对外做功。此过程中内能转化为机械能。这是汽油机中唯一对外做功的冲程。
【学生活动】记录做功冲程的四要素：两门均关闭、火花塞点火、活塞向下运动推动曲轴、内能→机械能。理解做功冲程是获得动力的冲程。
做功冲程示意图
【教师活动】第四个冲程——排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞自下向上运动，将燃烧后的废气排出汽缸。此过程中机械能转化为内能。
【学生活动】记录排气冲程的四要素：进气门关、排气门开、活塞向上运动、排出废气、机械能→内能。
排气冲程示意图
【易错提示】易错提醒只有做功冲程燃气对外做功，其他三个冲程（吸气、压缩、排气）都靠飞轮的惯性来完成。做功冲程中内能转化为机械能，压缩冲程中机械能转化为内能，两者方向相反。
【教师活动】现在请同学们思考几个问题：压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？哪个冲程使汽车获得动力？哪个冲程排出了汽车的尾气？
【学生活动】思考并回答：压缩冲程将机械能转化为内能，做功冲程将内能转化为机械能；做功冲程使汽车获得动力；排气冲程排出尾气。
【教师活动】总结汽油机的工作规律——"4、2、2、1"规律：一个工作循环包含4个冲程；活塞往复运动2次；曲轴转动2周；对外做功1次。
【知识点】汽油机"4、2、2、1"规律：4个冲程、活塞往复2次、曲轴转动2周、做功1次。只有做功冲程对外做功，其他三个冲程靠飞轮惯性完成。结论：汽油机在一个工作循环中，内能转化为机械能只发生在做功冲程。
【判断技巧】判断技巧判断冲程类型的方法：一看气门开闭（哪门开哪门关），二看活塞运动方向（向上还是向下），三看火花塞或喷油嘴状态。四个冲程中只有做功冲程内能→机械能，其他冲程都是消耗机械能的过程。
【过渡语】汽油机我们已经掌握了，那么柴油机又是怎样的呢？它的构造和工作过程与汽油机有什么不同？下面我们就来探究柴油机。
探究三：柴油机（8分钟）
【设计意图】通过与汽油机的对比学习柴油机，帮助学生形成完整的知识结构，掌握比较归纳的学习方法。
【教师活动】请同学们观察柴油机剖面图，对比汽油机的构造，找出两者的不同之处。
【学生活动】观察柴油机剖面图，发现柴油机没有火花塞，而有喷油嘴。
四冲程柴油机剖面图
【教师活动】柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程，同样遵循"4、2、2、1"规律。但在关键细节上与汽油机不同。
【知识点】柴油机构造：进气门、排气门、喷油嘴、气缸、活塞、连杆、曲轴。点火方式：压燃式。
【教师活动】柴油机与汽油机的主要区别有：第一，燃料不同——汽油机用汽油，柴油机用柴油；第二，点火方式不同——汽油机是点燃式（火花塞点火），柴油机是压燃式（压缩空气产生高温使柴油自燃）；第三，吸入物质不同——汽油机吸入汽油和空气的混合物，柴油机吸入的只有空气。
【学生活动】对比记录汽油机和柴油机的区别，在笔记本上完成对比表格。
【教师活动】请同学们完成汽油机和柴油机的对比归纳。它们有哪些共同点？
【学生活动】归纳共同点：均有四个冲程；一个工作循环中活塞往复2次、飞轮转动2周、做功1次；四个冲程中只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成；压缩冲程机械能转化为内能，做功冲程内能转化为机械能。
【重点强调】汽油机与柴油机对比要点相同点：都是内燃机，工作原理相似，都有四个冲程，遵循"4-2-2-1"规律。不同点：燃料（汽油vs柴油）、点火方式（点燃式vs压燃式）、吸入物质（混合物vs纯空气）、点火装置（火花塞vs喷油嘴）、轻巧性（汽油机轻巧vs柴油机笨重但效率高）。
【过渡语】内燃机是地面交通工具的主要动力来源，那么火箭这种能够飞向太空的强大动力装置，又是如何工作的呢？
探究四：火箭（8分钟）
【设计意图】通过火箭的学习拓展学生对热机的认识，同时结合我国航天事业的成就进行爱国主义教育。
【教师活动】火箭是喷气发动机的一种，它自带燃料和氧化剂，不需要外界空气助燃，因此可以在大气层外飞行。请同学们看火箭的构造图。
【学生活动】观察火箭构造图，认识火箭的主要组成部分：燃料箱、氧化剂箱、输送装置、燃烧室和尾部喷口。
液体燃料火箭构造示意图
【教师活动】火箭的工作原理分为四步：第一步，输送系统按时按量把燃料和氧化剂输送到燃烧室；第二步，最初用电火花点燃，产生高温高压气体；第三步，燃烧室温度很高，后续燃料和氧化剂可以自行燃烧；第四步，燃烧产生的气体以很大速度从喷口喷出，对火箭产生强大的反冲推力，使火箭前进。
【学生活动】理解火箭的反冲原理：高温高压气体高速向后喷出，根据力的作用是相互的，火箭获得向前的反冲推力。
【知识点】火箭工作原理：输送燃料和氧化剂→电火花点燃→自行燃烧→高速喷出气体，反冲推力推动火箭前进。
【教师活动】现代火箭有几个显著特点：一、飞得远——自带氧化剂，能在太空飞行；二、速度大——要把卫星送入绕地球轨道，运载火箭速度必须达到7.9 km/s，要使卫星摆脱地球引力，速度必须超过11.2 km/s；三、功率大——一枚运载火箭的功率相当于上万架喷气式飞机的总功率；四、由单级发展为多级火箭。
【学生活动】记录关键数据：第一宇宙速度7.9 km/s，第二宇宙速度11.2 km/s。理解多级火箭的优越性。
（第一宇宙速度：将卫星送入绕地球运行轨道所需的最小速度）
（第二宇宙速度：使卫星摆脱地球引力所需的最小速度）
【教师活动】我国的航天事业虽然起步较晚，但经过几代航天人的努力，现在已达到国际领先水平。长征系列运载火箭是我国自行研制的航天运载工具。长征五号是我国目前运载能力最强的火箭，已圆满完成了天问一号火星探测、嫦娥五号月球采样返回，以及中国空间站天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱的发射任务。
【学生活动】了解我国航天事业的辉煌成就，感受航天人的奋斗精神，增强民族自豪感。
【知识拓展】我国航天事业成就长征系列运载火箭——我国自行研制的航天运载工具；长征五号——我国目前运载能力最强的火箭，承担空间站建设和深空探测任务；天问一号——我国首次火星探测任务；嫦娥五号——月球采样返回任务；中国空间站——天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱。
【知识点】火箭特点：自带燃料和氧化剂，飞行高度不受限；速度大（7.9 km/s和11.2 km/s）；功率大；多级火箭可作为星际航行运载工具。
（三）课堂练习（3分钟）
【设计意图】通过三道练习题巩固本节课的核心知识点，分别考查四冲程判断、飞轮转速计算和火箭原理理解。
练习1
如图所示为内燃机四冲程的示意图，下列说法正确的是（ ）
A. 一个工作循环的正确顺序是甲、乙、丙、丁
B. 乙图冲程能获得动力
C. 丁图冲程有明显机械能转化为内能的过程
D. 丙图冲程存在化学能转化为内能的过程
练习1配图：内燃机四冲程示意图
答案：C
解析：丁图是压缩冲程，两门关闭，活塞向上运动，压缩气体做功，机械能转化为内能，故C正确。A选项中正确顺序应为甲（吸气）、乙（压缩）、丙（做功）、丁（排气）；B选项中乙图是压缩冲程，不能获得动力，获得动力的是丙图做功冲程；D选项中丙图是做功冲程，化学能在此之前已经转化为内能，做功冲程中内能转化为机械能。
练习2
单缸四冲程汽油机的飞轮转速是1800 r/min，此汽油机每秒钟内完成（ ）
A. 30个冲程，做功15次
B. 60个冲程，做功15次
C. 60个冲程，做功30次
D. 120个冲程，做功30次
答案：B
解析：飞轮转速1800 r/min = 30 r/s。根据"4、2、2、1"规律，飞轮转动2周完成4个冲程、做功1次。飞轮每秒转30周，完成冲程数为30/2x4=60个冲程，做功次数为30/2=15次。故B正确。
练习3
下列关于火箭的说法正确的是（ ）
A. 火箭使用的是喷气式发动机，与内燃式发动机的工作原理完全相同
B. 火箭在工作时需要像活塞、螺旋桨等那样的传递结构
C. 火箭是热机的一种，工作时燃料的化学能最终转化为火箭的机械能
D. 火箭升空时不需要反作用力推动机身向前运动
答案：C
解析：火箭是热机的一种，它通过燃料燃烧将化学能转化为内能，再通过高温高压气体喷出转化为机械能，故C正确。A错误，火箭与内燃机工作原理不同，内燃机通过活塞做功，火箭通过反冲推进；B错误，火箭不需要活塞、螺旋桨等传递结构；D错误，火箭升空正是依靠反冲推力的反作用力。
【判断技巧】"4、2、2、1"规律的应用已知飞轮转速n（r/min）时，每秒冲程数 = n/60 x 2，每秒做功次数 = n/60 / 2。即：冲程数 = 2n，做功次数 = n/2（n为每秒转数）。
（四）课堂小结（2分钟）
【设计意图】通过学生自主回顾和知识框架的梳理，帮助学生建立完整的知识体系，巩固本节课所学内容。
【过渡语】本节课的内容非常丰富，我们学习了热机的基本概念、汽油机和柴油机的工作过程，以及火箭的原理。请同学们回顾一下，这节课你学到了哪些核心知识？
【教师活动】请同学们回顾本节课所学内容，尝试用自己的话总结热机的定义、汽油机的四冲程工作过程、"4、2、2、1"规律，以及汽油机和柴油机的主要区别。
【学生活动】自主回顾总结：热机是将内能转化为机械能的机器；汽油机工作过程包括吸气、压缩、做功、排气四个冲程；"4、2、2、1"规律指4个冲程、活塞往复2次、曲轴转动2周、做功1次；汽油机与柴油机的主要区别在于燃料、点火方式和吸入物质。
【教师活动】总结得很好！热机是人类利用能源的重要工具，从蒸汽机到内燃机再到火箭，热机的发展推动着人类文明不断进步。希望同学们在课后继续关注能源利用和航天科技的发展。
【知识点】本节课核心知识：热机是将内能转化为机械能的机器；汽油机四冲程（吸气、压缩、做功、排气）；"4、2、2、1"规律；汽油机与柴油机的区别（燃料、点火方式、吸入物质）；火箭工作原理（反冲推力）。
四、板书设计
10.4 热机
一、热机的定义与种类
定义：将燃料燃烧产生的高温高压气体的内能转化为机械能的机器
种类：蒸汽机→内燃机（汽油机、柴油机）→喷气发动机（空气喷气发动机、火箭喷气发动机）
二、汽油机
1. 构造：进气门、排气门、气缸、火花塞、活塞、连杆、曲轴
2. 工作过程（四冲程）：
吸气冲程：进气门开，排气门关，活塞向下，吸入混合物，无能量转化
压缩冲程：两门关，活塞向上，压缩混合物，机械能→内能
做功冲程：两门关，火花塞点火，活塞向下推动曲轴，内能→机械能
排气冲程：进气门关，排气门开，活塞向上，排出废气，机械能→内能
3. "4、2、2、1"规律：4个冲程、活塞往复2次、曲轴转动2周、做功1次
三、柴油机
构造：喷油嘴（无火花塞），点火方式：压燃式
与汽油机对比：
燃料：汽油 vs 柴油
点火方式：点燃式 vs 压燃式
吸入物质：混合物 vs 空气
共同点：四冲程，4-2-2-1规律，能量转化相同
四、火箭
1. 构造：燃料箱、氧化剂箱、输送装置、燃烧室、尾部喷口
2. 原理：燃料燃烧→高温高压气体喷出→反冲推力
3. 特点：自带氧化剂、速度大（7.9 km/s、11.2 km/s）、功率大、多级火箭
五、教学反思
1. 学生是否通过演示实验和动画演示，真正理解了热机工作中能量转化的过程？
2. 学生是否能够准确判断汽油机四冲程中各冲程的气门开闭状态、活塞运动方向和能量转化？
3. 学生是否能够清晰区分汽油机和柴油机的构造差异和工作原理差异？
4. 学生是否能够熟练运用"4、2、2、1"规律解决飞轮转速相关的计算问题？
5. 学生对火箭工作原理和我国航天事业的发展是否有了更深刻的认识？
6. 本课教学内容较多，各环节时间分配是否合理？是否需要调整某些环节的教学节奏？

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