12.4 热机与社会发展
教学目标
【知识与能力】
1.知道热机中能量的转化。
2.知道四冲程内燃机的构造和工作原理。
3.了解汽油机和柴油机的主要区别。
【过程与方法】
利用挂图或模型，研究并认识汽油机的结构、工作原理和工作过程。
【情感态度价值观】
1.通过对热机效率和热机与环境等问题的分析和讨论，树立效率意识和环保意识，培养学生通过交流讨论来学习的良好习惯。
2.通过介绍热机的发明和发展，树立科学技术是第一生产力的观点。通过介绍我国长征系列火箭的伟大成就，激发学生的爱国主义情感，树立为祖国强盛作出贡献的信心。
教学重难点
【教学重点】
热机的共同特点，汽油机的构造、工作原理和过程，热机效率，热机与环境保护等。
【教学难点】
热机工作过程的能量转化，汽油机与柴油机的区别和联系。
课前准备
多媒体课件等。
教学过程
一、新课引入
用多媒体展示并讲解：
1.古诗“白日曜青春，时雨静飞尘”的大意是说：太阳发出白光，照耀着大地，及时的下雨压住了飞扬的飘尘。雨后的天空，飞尘顿消，洁净如洗，空气格外清新。但是，当你听到有关“酸雨”甚至是“黑雨”的报道时，会有什么感想呢？
2.汽车奔驰，列车飞驶，舰船劈波斩浪，飞机凌空穿云，火箭直冲太空……人们日行千里遨游太空的愿望已成现实。它们之所以能大展神威，是因为有了发动机。那么这些发动机是怎样来工作的呢？
下面让我们一块去探索其中的奥秘吧！
二、新课教学
(一)热机
1.思考：每年的春节，吉庆的鞭炮声都伴随我们一起欢度新年。你有没有想过，燃放鞭炮时发生的能量转化与发射火箭时发生的能量转化一样吗？
(学生分析、交流、讨论后，教师订正。)
小结：燃放鞭炮时，高温高压的燃气对外膨胀做功，内能转化为机械能；火箭升空时，高温高压的燃气对外膨胀做功，内能转化为机械能，将火箭送上蓝天。
2.观察：如图12－4－1所示的装置中，当点燃酒精灯后一段时间，你观察到了什么现象？在该现象中发生的能量转化是什么？
让学生观察后回答看到的现象：瓶子中冒出的蒸气推动着叶轮转动。在此过程中发生的能量转化是：酒精灯燃烧时，化学能转化为内能；内能传递给瓶子里的水，水沸腾后，高温的蒸气从瓶中冲出，推动叶轮转动，此时，内能转化为机械能。
从上述两个现象可以看出其能量转化的过程：
这就是热机的工作特点，它是人类历史上最伟大的发明之一。
3.归纳总结：(1)热机：把燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的装置。
(2)分类：热机的种类很多。例如，蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气式发动机等，尽管它们的构造不同，但它们有一个共同的特点就是把内能转化为机械能。
(二)汽油机
1.用多媒体展示汽油机的结构图片让学生观察后，回答汽油机的主要构造及各部件的作用。
学生回答后，师生共同小结：
(1)气缸：其作用是使汽油在气缸的顶部燃烧从而产生高温、高压燃气。
(2)活塞：其作用是在气缸内，高温、高压燃气推动活塞做功，将燃气的内能转化为机械能。
(3)连杆和曲轴：其作用是连杆跟活塞相连，曲轴通过传动装置跟工作机相连，将活塞的动力传给工作机。
(4)进气门：其作用是汽油和空气形成的燃料混合气的进口。
(5)排气门：其作用是燃料燃烧后废气的出口。
(6)火花塞：其作用是点火装置，能产生电火花使燃料混合物猛烈燃烧。
2.结合汽油机的挂图和模型，讲解汽油机的工作过程。
教师讲解：汽油机工作时，活塞在气缸里做往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端叫做一个冲程(也叫“行程”)。常见的汽油机要能正常工作，必须连续完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程，且不断循环往复进行下去。
(1)吸气冲程：旋转的飞轮通过曲轴连杆带动活塞，使活塞向下运动，进气门打开，排气门关闭，空气和汽油的混合气体通过进气门进入气缸。
(2)压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞在飞轮带动下，由下向上运动。缸内混合气体被压缩，内能增加，温度升高。
(3)做功冲程：压缩冲程结束时，气缸顶部的火花塞产生电火花，缸内气体猛烈燃烧，燃烧产生的高温、高压气体迅速膨胀向下推动活塞。向下运动的活塞利用曲轴连杆推动飞轮旋转做功。
(4)排气冲程：飞轮因惯性继续转动使活塞上升，进气门关闭，排气门打开，将燃烧后的废气排出。
归纳总结：四冲程内燃机在一个工作循环中，活塞往复运动2次，曲轴转动2周，气缸内的燃油燃烧爆发1次，对外做功1次；在不做功的冲程，活塞靠飞轮的惯性来运动。一个工作循环中有2次内能与机械能的转化过程：压缩冲程中机械能转化为内能；做功冲程中内能转化为机械能。
(三)柴油机
1.用多媒体展示汽油机、柴油机的模型图片让学生观察后，结合柴油机的模型，与汽油机对比简单讲解柴油机的工作过程。由学生回答后，教师订正：
(1)汽油机与柴油机的相同点：
①都是燃料在气缸中燃烧；
②都是将内能转化为机械能的装置；
③汽油机的火花塞与柴油机的喷油嘴的工作时刻都是在压缩冲程末；
④都是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环，曲轴和飞轮转2周，对外做功1次；
⑤排气冲程均排出废气；
⑥启动时，都是靠外力先使飞轮和曲轴转动起来。
(2)汽油机与柴油机的不同点：
①构造不同：汽油机有火花塞，柴油机有喷油嘴；
②吸气冲程不同：汽油机吸入气缸的是空气和汽油的混合气，柴油机吸入的是空气；
③点火方式不同：汽油机是点燃式，柴油机是压燃式；
④应用不同：汽油机轻便，应用在汽车、飞机、摩托上等；柴油机笨重，应用在载重汽车、火车、轮船上。
⑤效率不同：汽油机的效率较低，柴油机的效率较高。
2.教师提问：在不做功的冲程，活塞为什么还会运动呢？
发学生回答后，教师总结：
启动内燃机，要靠外力(人力或电动机的驱动力)先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，消耗机械能来帮助内燃机完成吸气、压缩两个冲程。在做功冲程，燃气对活塞做功，内能转化为活塞的机械能，并有一部分机械能通过飞轮储存起来，然后依靠飞轮的惯性带动活塞，完成排气冲程及下一循环的吸气和压缩冲程。
(四)热机效率
教师导入：同学们知道使用任何机械都存在效率问题，那么热机的效率是怎样的呢？
待学生思考回答后，教师总结：
1.在内燃机中，由于燃料不完全燃烧，损失一小部分能量；排出废气温度较高，损失一大部分能量，还有一部分能量损失在机件向外散热及克服摩擦做功上，真正向外输出的有用机械能并不多，只占燃料所含化学能的一小部分。
2.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，叫做热机的效率。
3.公式：η＝
4.热机的效率是衡量热机性能好坏的一个重要参数，两辆同样的汽车以相同的速度行驶相同的路程，即做同样多的有用功，效率高的耗油量小。
5.由于热机在工作过程中总有能量损失，所以热机的效率总小于1，汽油机的效率为20%～30%，柴油机的效率可达45%。柴油机的效率比汽油机的效率高，这主要是因为柴油机的构造和工作过程与汽油机有所不同，因为柴油机在压缩冲程中的压缩比比汽油机更大。
6.提高热机效率的主要途径有哪些？
(1)使燃料充分燃烧。
(2)尽量减少各种热损失。
(3)在热机的设计和制造上，采用先进的技术。
(4)使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整运动零件之间的间隙，减小因克服摩擦阻力而额外消耗的功。
(五)热机与环境
指导学生阅读课文“STS”内容，用多媒体展示，
让学生回答下列问题。
1.热机的使用给人类带来了什么？
2.为什么燃料燃烧会造成环境污染？
3.环境污染有何危害？
4.热机排出的废气含有哪些有害物质？
5.热机造成的环境污染有哪些？
6.如何正确地处理热机的利用与环境保护的关系？
学生回答后教师订正：
1.人们利用热机给人类文明带来了巨大的进步，促进了人类社会的发展，但在利用热机的同时，带来了环境污染，给人类生存造成了严重的威胁。
2.燃料中有杂质，致使燃烧生成二氧化硫等有害物质；燃烧时的高温还会促使氮的氧化物的生成；燃烧不完全会产生粉尘和一氧化碳。
3.影响人类健康；影响植物正常生长；影响全球气候；大气中的二氧化硫和氮氧化物经化学反应溶于水会产生酸雨。
4.含有铅、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳等有害物质。
5.热机造成的环境污染
(1)废气污染：热机在工作过程中都要排放废气，这些废气含有铅、二氧化硫、二氧化碳等物质，严重污染空气，有害于人类健康和动植物的正常生长，产生的酸雨有害于农、林、渔业。导致城市空气污染的主要原因是各种车辆排放的废气，导致环境污染的主要原因是燃料燃烧后的废气、废渣以及各种废液的排放。
(2)噪声污染：热机以及热机带动的机器产生的噪声是环境污染的又一方面。
6.减少热机造成的环境污染的措施
(1)减少热机废气中的有害物质，如使用无铅汽油；
(2)控制废气排放的总量；
(3)充分开发、利用污染少和无污染的能源，如使用太阳能汽车；
(4)在内燃机排气管上安装消声器，以减少噪声污染。
三、练习设计
请完成《全易通》“题组练习”部分。
四、课堂小结
1.热机的概念和分类，蒸汽机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机、火箭发动机。
2.汽油机的构造和工作原理。
3.柴油机的构造和工作原理。
4.提高热机效率的途径。
5.热机与环境：热机造成的环境污染，减少热机造成的环境污染的措施。
- 1 -(共24张PPT)
第十二章第四节
热机与社会发展
改变物体内能的方式
热传递
做功
(内能的转移)
(能量的转化)
对物体做功——
内能增大
物体对外做功——
内能减小
从镰刀到联合收割机
从木帆船到远洋巨轮
从马车到小轿车
热机的种类：
蒸汽机 汽油机 柴油机 燃气轮机 喷气发动机 火箭发动机
燃料的化学能
内能
燃烧
做功
机械能
共同特点：
根据这个原理可以制造出一种将内能转化为机械能的机器即热机。
热机是将燃料燃烧时的化学能转化为内能，然后通过做功，把内能转化为机械能。
热机的种类很多，有汽油机、柴油机、燃气轮机、喷气发动机和火箭发动机等。
汽油机
汽油机结构图
火花塞
活塞
排气门
进气门
气缸
连杆
曲轴
是用汽油作燃料，使汽油在汽缸内燃烧,将内能转化为机械能。
汽油机工作时，活塞在气缸里做往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端的过程叫做一个冲程。
进气门打开，排气门关闭，活塞由上端向下运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸。
吸气冲程
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。
压缩冲程
能量转化:
机械能转化为内能
在压缩冲程末，火花塞产生火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气。高温高压燃气推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。
做功冲程
能量转化:
内能转化为机械能
进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。
排气冲程
柴油机的构造
喷油嘴
进气门
活塞
连杆
排气门
气缸
曲轴
柴油机工作原理
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
吸气冲程
空气
进气门打开，排气门关闭。活塞由上端向下端运动，将空气吸进气缸。
压缩冲程
进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，活塞把空气压缩得很小，空气的压强更大，温度更高。在压缩冲程末，缸内空气温度已超过柴油的着火点。
做功冲程
在压缩冲程末，从喷油嘴喷出的雾状柴油遇到热空气立即猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。
排气冲程
燃烧后的废气
进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。
内燃机的启动
内燃机不能自行启动。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，以后内燃机才能自己工作。
热机的效率
热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出能量的比值，叫做热机的效率。蒸汽机的效率只有6﹪-15﹪，汽油机的效率为20﹪-30﹪，柴油机的效率可达45﹪。想一想：导致热机效率低的原因有哪些？如何提高热机的效率呢？请思考。
热机的效率
燃气内能E
废气内能
废气内能
有用机械能
散热损失
机械损失
E1
E2
E3
E4
1.尽可能使燃料充分燃烧；
2.尽量减小各种热量损失；
3.机件间保持良好的润滑以减小摩擦。
提高热机效率的主要途径：
热机与环境
1.热机的利用带来的环境污染
⑴废气污染
2.怎样控制热机对环境造成的污染
a.排出的废气温度较高。使城市温度升高，会形成“热 岛效应”。 b.废气中含有各种对人体有害的气体和粉尘，直接影响人们的身体健康和动植物的生存。
⑵噪声污染
⑴ 改进燃烧设备，消除烟尘；
⑵ 提高燃料的综合利用，采取集中供热;
⑶ 充分利用污染少和无污染的能源;
⑷ 在内燃机排气管上安装消声器，以减少噪声污染。
太阳能汽车
电动车
天然气汽车
