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第十四章 内能的利用
第1节 热机
知道热机的概念，初步了解热机的工作原理，体会内能的利用对人类发展的重要作用。
了解汽油机的构造及工作过程。
1
2
3
了解柴油机的构造及工作过程。
教学目标
教学重点
教学难点
了解四冲程汽油机的基本工作原理。
了解四冲程汽油机的基本工作原理。
教学重点与难点
现代的热机广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机、火箭上。热机到底是怎样将内能转化为我们需要的能量的呢？
世界上第一列火车利用了蒸汽机
火，能够驱散寒冷与黑暗，带来温暖和光明。钻木取火，人类第一次学会使用自然的力量；
而古老的热机——蒸汽机的发明则给人类带来了巨大的动力
钻 木 取 火
课堂引入
通过这一章的学习，你就明白了。
在一个试管中装一些水，用橡胶塞塞紧；然后对试管加热使水沸腾，请同学们观察现象。
演示实验
观察到的现象有：
①瓶塞被冲出来;
②管口附近出现“白雾”。
1
点击播放实验视频
课堂引入
实验中的能量转化过程为：
① 酒精燃烧放出热量，酒精的_______能转化为水的 能；
②水吸热沸腾，产生大量水蒸气，气体膨胀对瓶塞做功，气体的 能转化为瓶塞的 能 .
化学
内
内
机械
热机就是通过这个过程来工作的，今天一起学习热机的工作原理。
演示实验分析
2
想一想
第一节 热机
课堂引入
在这个实验过程中，能量是怎样转化的？
一
热 机
1
热机
晴
①热机：各种利用内能做功的机械叫做热机。
②工作原理：
热机利用内能做功，将内能转化为机械能。
③种类：
蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
一、热机
2
晴
各种热机
①蒸汽机
蒸汽机带来第一次工业革命！
1814年，英国人史蒂芬孙把瓦特的蒸汽机装在火车上，实验成功，尽管蒸汽机的体积庞大、效率很低，但是热蒸汽提供了强大的推力，把人们从繁重的体力劳作中解放出来。
一、热机
晴
②内燃机
广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机等交通工具。
世界上第一辆以汽油为动力的车开始只有三个轮子，这就是德国人卡尔 本茨于1885年制造出的“奔驰一号”。
1888年，法国自行车商人埃米尔·罗杰斯获得奔驰的许可，开始生产商用汽车。
一、热机
③汽轮机
晴
汽轮机是火力发电的动力机械，是汽轮机带动发动机发电。
一、热机
火电站用汽轮机发电
④喷气发动机
晴
喷气发动机是一种通过喷气产生推力的反作用式发动机。大部分喷气发动机都是依靠牛顿第三定律工作的内燃机。
一、热机
⑤火箭
火箭是利用反冲力推进的飞行装置。用以发射人造卫星、人造行星、宇宙飞船等，也可装上弹头制成导弹。在一般用语中，火箭也作为火箭发动机的简称。
一、热机
二
汽油机
晴
内燃机
①内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机叫内燃机。
②种类：
汽油机、柴油机
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柴油机
汽油机
二、汽油机
汽油机的构造
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由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。
①构造
气缸
进气门
活 塞
连 杆
排气门
火花塞
曲 轴
二、汽油机
②汽油机的冲程和工作循环
冲程：活塞从气缸的一端运动到另一端的过程。
一个工作循环：
汽油机完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程，叫做一个工作循环。
多数汽油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
二、汽油机
排气冲程
做功冲程
③汽油机的工作过程
压缩冲程
吸气冲程
二、汽油机
影响内能大小的因素
视频演示《四冲程工作过程分析》
①在汽油机的四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？
②哪个冲程使汽车获得动力？
③哪个冲程排出了汽车的废气？
排气冲程
做功冲程
想一想
内能
机械能
机械能
内能
二、汽油机
做功冲程
压缩冲程
对外做功1次
飞轮转动2周
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汽油机一个工作循环情况总结
活塞往复2次
有4个冲程
一个工作循环
在这个四个冲程中，利用曲轴的惯性来完成的是吸气、压缩和排气冲程。
二、汽油机
冲程名称 进气门 排气门 活塞 运动 冲程的作用 能的转化
吸气冲程 开 闭 向下 吸入燃料和空气的混合物 ——
压缩冲程 闭 闭 向上 压缩燃料和空气的混合物， 使其内能增大，温度升高 机械能转化为内能
做功冲程 闭 闭 向下 火花塞产生电火花，点燃燃料，高温高压的燃气推动活塞做功，通过连杆、曲轴带动飞轮转动 内能转化为机械能
排气冲程 闭 开 向上 排出废气 ——
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汽油机四个冲程工作情况总结
二、汽油机
影响内能大小的因素
视频演示《3D动画演示四冲程汽油机工作过程》
三
柴油机
右边是一柴油机，与左边的汽油机相比，观察他们有什么不同？
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柴油机
喷油嘴
柴油机
柴油机气缸顶部
有一个喷油嘴
汽油机
火花塞
汽油机气缸顶部
有一个火花塞
三、柴油机
柴油机气缸顶部有一个喷油嘴，没有火花塞。
喷油嘴
①柴油机结构和汽油机相似，主要区别是：柴油机通过压缩空气直接点燃柴油。柴油机的汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。
三、柴油机
②柴油机吸入气缸内的物质只有空气，在压缩冲程结束时，压缩空气的温度已经超过柴油的燃点，此时从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气就立刻燃烧起来。
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柴油机的构造
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由气缸、喷油嘴、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆组成。
①构造
曲 轴
排气门
连 杆
活 塞
气 缸
进气门
喷油嘴
三、柴油机
②柴油机的冲程和工作循环
冲程：活塞从气缸的一端运动到另一端的过程。
一个工作循环：
柴油机完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程，叫做一个工作循环。
三、柴油机
多数柴油机是由这四个冲程的不断循环来保证连续工作的。
排气冲程
做功冲程
③柴油机的工作过程
压缩冲程
吸气冲程
三、柴油机
视频演示《柴油机工作过程分析》
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汽油机与柴油机的相同点
都是把内能转化成机械能，工作过程都包括四个冲程.
排气冲程
做功冲程
压缩冲程
吸气冲程
三、柴油机
区别 汽油机 柴油机
构造
吸入的物质
燃料 燃烧的方式
火花塞
喷油嘴
吸入空气和
汽油的混合物
只吸入空气
点燃式
压燃式
①柴油机是压燃式，通过压缩点火。
②汽油机是点燃式，通过火花塞点火。
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汽油机与柴油机的区别
重要区别
三、柴油机
详细分析柴油机和汽油机的不同点：
汽油机 柴油机
构造 气缸顶部有火花塞 气缸顶部有喷油嘴
燃料 汽油 柴油
吸气冲程 汽油与空气的混合物 空气
压缩冲程 混合物被压缩后，压强可达106帕； 温度可达250～400℃. 空气被压缩后，压强可达3～4×106帕；温度可达500～700℃
做功冲程 火花塞点火，燃料燃烧（点燃式） 喷雾状柴油，遇高温燃烧（压燃式）
用途 轻巧、体积小，家用轿车、 轻型飞机等。 笨重、经济、功率大，主要用于载重汽车、轮船、坦克、带动发电机工作等。
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三、柴油机
现代汽车里靠电动（“马达”）启动。
内燃机的启动：开始运转时，要靠外力使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，靠飞轮的惯性完成后面的工作循环。
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汽油机与柴油机的启动
内燃机不能自行启动，大家想一想，内燃机是怎样启动工作的呢？
老式摩托在启动时，需踏动启动杆。
启动杆
三、柴油机
现代汽车多数采用四缸或六缸等多缸发动机，每个汽缸
都进行这种四冲程循环。
汽车的动力系统示意图
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汽车四缸发动机示意图
内燃机通过连杆把四个汽缸的活塞连在一根曲轴上，并使各气缸的做功过程错开，在飞轮转动的每半周里，都有一个气缸在做功，其他三个气缸分别在做吸气、压缩和排气工作。
三、柴油机
多缸发动机
四
课堂练习
1. 根据汽油机和柴油机的区别，下列说法正确的是（ ）
A. 汽油机汽缸顶部有一个火花塞，柴油机汽缸顶部是一个喷油嘴
B. 汽油机吸入的是空气，柴油机吸入的是空气和柴油的混合物
C. 吸气冲程是内能转化为机械能
D. 压缩冲程是内能转化为机械能
A
四、课堂练习
2. 某四冲程汽油机，曲轴转速1200转/分，则该汽油机每秒做功_______次，有________个冲程，飞轮转________周。
20
10
40
曲轴转速1200转/分=20转/秒，因为完成一个工作循环，做功1次，飞轮转动2周，所以该汽油机每秒做功10次，有40个冲程，飞轮转20周。
解析
四、课堂练习
3. 单缸四冲程内燃机完成40个冲程，关于做功和飞轮转动的情况，下列说法正确的是 ( )
A. 做功10次，飞轮转40周
B. 做功40次，飞轮转20周
C. 做功10次，飞轮转20周
D. 做功20次，飞轮转10周
C
4. 2019年春节期间热映的《流浪地球》被誉为开启了中国科幻电影元年。这部电影讲述了多年以后太阳急速衰老膨胀，无法再给地球提供能量，人类为了拯救地球而点燃木星周围的可燃气体，逃离太阳系的故事。其中“点燃木星”将地球推开相当于内燃机的（ ）
A．吸气冲程 B．压缩冲程
C．做功冲程 D．排气冲程
C
四、课堂练习
5. 题图为某个四冲程内燃机工作过程中某一冲程示意图，从图上可以看出这种内燃机是_______机，正在进行的是______冲程，在这一冲程中，______ 能转化为______能．
柴油
做功
内
机械
喷油嘴
四、课堂练习
6. 一台四冲程柴油机，它的转速是800r／min，做功冲程推动活塞一次做功1500J，那么这台柴油机的功率是多少？
柴油机1min内做功：
W=1500J×800／2=6×105J
∴ P=W／t=6×105J／60s=104w=10kw
答：这台柴油机的功率是10kw。
解析
四、课堂练习
7. 某单缸四冲程柴油机的汽缸活塞面积为30cm2，一个做功冲程活塞在汽缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当柴油机满负荷工作时（不计摩擦），求：
（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力；
（2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功；
（3）柴油机的功率.
（1）做功冲程燃气对活塞的平均压力
F = pS = 9.0×105Pa×30×10-4m2 = 2.7×103N
（2）一个做功冲程燃气对活塞的功
W = Fs = 2.7×103N×50×10-3m = 135J
7. 某单缸四冲程柴油机的汽缸活塞面积为30cm2，一个做功冲程活塞在汽缸中移动的距离是50mm，满负荷工作时做功冲程中燃气的平均压强为9.0×105Pa，飞轮1min转动1800周，当柴油机满负荷工作时（不计摩擦），求：
（1）做功冲程中燃气对活塞的平均压力；
（2）一个做功冲程中燃气对活塞做的功；
（3）柴油机的功率.
（3）因为飞轮的转速是1800r/min=30r/s，
所以每秒做功次数 ：
柴油机的功率
W = 135J
①把内能转化为机械能的机器叫热机。
热机
③内燃机一个工作循环有四个冲程：
吸气、压缩、做功、排气冲程。
④在压缩冲程中，机械能转化为内能；
在做功冲程中，内能转化为机械能。
⑤汽油机与柴油机的点火区别：
汽油机是点燃式点火；柴油机通过火花塞点火。
②内燃机：燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机
叫内燃机。
课堂总结
