人教版九年级物理上册教案第十四章第2节热机的效率 教学详案

第十四章 内能的利用
第2节 热机的效率
设计说明 本节课是上一节热机知识的延续，主要介绍了热值的概念及计算、炉子的效率和热机的效率，通过热机效率的分析，了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。对于热值，首先从日常生活中常见的燃料使用入手，使学生认识到不同的燃料燃烧放热的能力是不一样的，即热值不同，然后根据热值的定义，推导出燃料完全燃烧的放热公式。对于热机效率，教学时可通过分析“用煤炭烧水”，建立热机效率的概念；通过多媒体展示各种热机的工作情况，并结合教材图，使学生了解热机对现代社会的贡献，同时也带来了环境污染，使学生形成应尽力提高热机效率，尽可能减少环境污染的意识，体验可持续发展的内涵，学会从正反两方面来分析各种事物的思维方式。教学过程可分为两个阶段，第一阶段认识热值及燃料完全燃烧放热的公式；第二阶段认识热机的效率。 教学目标 【知识与技能】 1.从生活中体会不同燃料燃烧释放热的本领不同，建立热值的概念。 2.根据热值来计算燃料完全燃烧放出的热量，会根据实际需要选择燃料。 3.了解热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机效率。 【过程与方法】 1.经历热机工作过程中能量流向的分析过程，体会由现象到本质的分析过程。 2.讨论提高热机效率的方法，引导学生参与讨论交流，促进学生主动学习。 【情感态度和价值观】 1.结合有效提高热机效率的方法，使学生懂得节能及充分利用能源的重要意义。 2.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习惯。 重点难点 教学重点 燃料的热值、热机的效率。 教学难点 对热机效率的理解。 教学方法 实验法、比较法和讨论法。 教具、学具 多媒体课件、有关环境污染的多媒体资料。 授课时数 2课时 第一课时 热机的效率 教学过程 回顾思考 1.热机是将 能转化为 能的机械。 2.四冲程汽油机的一个工作循环包括 个冲程，分别是 、 、 、 ，活塞往复 次，曲轴转动 周，燃气对外做功 次，其他三个冲程都是靠 来完成的。 导入新课 人类在原始社会就会用火来取暖和煮饭，火的利用给人类社会带来了进步。时至今日，我们的日常生活都离不开燃料的帮助。不过随着社会的发展，我们日常生活中用来取暖和煮饭的燃料也在发生巨大的变化，木柴、煤炭、液化石油气、煤气、天然气…… 为什么会出现这样的变化呢？原来同样做熟一顿饭，由于利用的燃料不同，所需要的燃料的质量是不一样的，而且它们燃烧后产生的废气的影响也不相同，所以我们在选择燃料时希望选用单位质量的燃料燃烧时放出的热量多、价格低、安全、卫生、又无污染，所以科学家们也在不断努力探寻着这些燃料，让我们生活得更精彩。 讲授新课 一、燃料的热值 【教师导入】我们家里烧水、做饭、供暖都是利用内能，这些内能绝大部分是通过燃料燃烧获得的。在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能，释放出能量。煤、石油、天然气、农作物的秸秆等都可作为燃料。经验和研究告诉我们这些燃料燃烧获得内能的多少与燃料的多少、燃烧程度以及燃料的种类有关。如何表示燃料的这种能力呢？ 固体燃料 液体燃料 气体燃料 图14-2-1 让学生阅读课本第22页“想想议议”和第23页“小资料”后，回答下列问题： 1.我们常用的燃料可分为三类：固体燃料，比如________；液体燃料，比如________；气体燃料，比如________。 2.经验表明，质量相同的不同燃料完全燃烧所放出的热量是________的。 3.在物理学里，把某种燃料完全燃烧所放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的________。它的符号是________，它的单位是________。 4.从热值表可以查出，无烟煤的热值是_______，它表示的意思是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 5.燃料完全燃烧所放出的热量计算公式Q＝________。 6.500 g的汽油完全燃烧所放出的热量是________。 7.在多数情况下，燃料______完全燃烧，燃料燃烧释放出的热量也______完全得到利用，故燃料的燃烧效率比较________。 8.改善燃烧条件，使燃料燃烧得充分些，同时尽可能减少各种________，既可节约________，又可保护________。 答案：1.煤和木柴　汽油和酒精　煤气和天然气　2.不相等　 3.热值　q　J/kg　 4.3.4×107 J/kg　1 kg无烟煤完全燃烧所放出的热量是3.4×107 J　 5.qm　6.2.3×107 J　 7.不可能　不可能　低　 8.热量损失　燃料　环境 【思考】我们应如何理解热值的概念？ 【教师点拨】 1.理解时要注意关键词“1 kg”、“完全燃烧”。 2.热值的单位是焦/千克，符号为J/kg，有些燃料的热值单位用焦/米3，符号为J/m3。 3.燃料的热值是反映燃料燃烧放热本领的物理量，是燃料本身的一种特性，不同燃料的热值一般不同，但也有相同的，如汽油和煤油是不同的物质，但它们的热值都是4.6×107　J/kg，焦炭与酒精的热值都是3.0×107J/kg。但对于同一种燃料来说，其热值是一个定值，与燃料的形态、质量、体积没有关系。 【思考】我们应如何理解Q＝qm？ 【教师点拨】 1.根据热值的定义，1 kg某种物质完全燃烧放出的热量为q，那么m kg某种燃料完全燃烧放出的热量应该是热值的m倍，如果用表示燃料完全燃烧释放的热量，用q表示热值，用m表示质量，则＝mq。 2.计算时每个物理量都要用国际单位，热量的单位是焦耳（J），质量的单位用千克（kg），热值的单位是焦每千克（J/kg）。 3. 对于气体而言，热量的单位还常用“焦每立方米”，符号是。 若气体燃料热值的单位是，则计算燃料完全燃烧时放出的热量用 ＝Vq。其中V的单位是，q的单位是，的单位是。 4. 计算的热量是燃料完全燃烧时所放出的热量。 【思考】燃料燃烧时能量是如何转化的？发射火箭时为什么要使用液态氢作燃料？ 【教师点拨】 1.在燃烧时能产生内能的物质称为燃料。燃料可分为固体燃料(如木柴、煤炭等)、液体燃料(如汽油、柴油、酒精等)和气体燃料(如氢气、煤气、天然气等)三种，人们可以从这些燃料的燃烧中获得内能，比如：用来取暖、煮饭，燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程。 2.在一般条件下，每千克氢气燃烧时，放热1.4×108 J，这约是同质量的汽油燃烧释放热量的3倍；密度小也是火箭选择液氢为燃料的重要因素之一，因为这样可以减小火箭的发射质量。 二、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？ 【教师点拨】 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。 内燃机中能量损失图解： 图14-2-2 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： 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 (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。 【思考】同学们家里大都使用的是炉子，那什么是炉子的效率呢？ 【教师点拨】 1.炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比叫做炉子的效率。 2.计算公式：η＝×100% 3.现代化大型锅炉的热效率可达到90%以上，一般小型锅炉的热效率不足60%，普通燃煤锅炉的热效率约为30%，普通的家用煤炉燃烧无烟煤的热效率只有15%，大部分能量白白损失掉了。其原因：一是燃料不可能完全燃烧；二是燃料燃烧放出的热量散失很多，只有一小部分被有效利用。 4.提高炉子的效率，提高燃料的利用率是节约能源的重要措施。把固体燃料磨成粉末吹进炉膛内进行燃烧，加大送风量，可使燃料燃烧得更加充分；加大受热面积，可减小烟气带走的热量，这些都是提高炉子的效率和燃料利用率的具体措施。 课堂小结 一、燃料的热值 1．1 kg某种燃料完全燃烧所放出的热量叫做这种燃料的热值。 2．热值的符号：q ；单位：J/kg。 二、热机效率 1.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。 2.公式： 3.提高热机效率的途径： (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。 当堂达标 1.关于燃料的热值，以下说法中正确的是（ ） A.燃料的热值与燃料的质量无关 B.容易燃烧的燃料，热值一定大 C.煤的热值大于干木柴的热值，燃烧煤放出的热量一定比燃烧干木柴放出的热量多 D.为了提高锅炉的效率，一定要用热值高的燃料 答案：A 2.以下关于热值、内能和热量的说法中，正确的是（　　） A.酒精灯内的酒精用去一半后，酒精的热值减小 B.温度相同的物体所含热量也相等 C.热量总是从内能大的物体传递给内能小的物体 D.一块0℃的冰熔化成0℃的水，内能增加 答案：D 3.干木柴的热值是1.2×107 J/kg，它的物理意义____________________。完全燃烧_________kg干木柴，可以放出3.6×107 J的热量。 答案：1 kg干木柴完全燃烧放出的热量是1.2×107 J 3 4.有一箱木炭，其质量是10 kg，木炭热值约为3.4×107 J/kg。若用掉一半，剩下木炭的热值为_____J/kg，燃烧剩下的木炭最多可放出热量_____J。 答案：3.4×107　　1.7×108 5．一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25％，废气带走的能量占30％，摩擦等机械损耗占10％，则内燃机的热机效率为____。 答案：35％ 板书设计 第2节 热机的效率 一、燃料的热值 1．某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值。符号：q。　 2．单位：J/kg J/m3 二、热机的效率 1. 公式： 2. 提高热机效率的途径 第二课时 习题课 教学过程 题型一 燃料热值的理解及应用 例1 乙醇汽油是由粮食及各种植物纤维加工制成的燃料乙醇与汽油按一定比例混配形成的。乙醇汽油作为一种新型清洁燃料，可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物的排放。 (1)根据题目提供的信息，说明用乙醇汽油的好处。 (2)乙醇汽油与汽油相比，谁的热值高呢？请你设计一个实验来比较它们的热值，要求写出实验方法。(实验所需的器材，如安全燃烧汽油的装置等，都可由实验室提供) 解析：(1)乙醇汽油是清洁能源，可从环境保护的角度考虑。(2)热值反映了燃料完全燃烧时放出热量的能力，相同质量的燃料，热值越大，完全燃烧时放出的热量越多，因此要比较热值的大小，可选取相等质量的乙醇汽油和普通汽油，通过比较它们完全燃烧时放出热量的多少来判断；而热量的多少可用温度计测量水温升高的多少来比较。 答案：(1)好处：乙醇汽油是清洁能源，可以有效改善油品的性能和质量，降低一氧化碳、碳氢化合物等主要污染物的排放。 (2)实验方法：①取等质量的乙醇汽油与普通汽油(适量)放在安全燃烧的装置里完全燃烧；②取相同的烧杯装入等质量的水放在此装置上加热；③到燃烧完时(水不沸腾)，测出水的温度变化；④通过用温度计比较水的温度上升的多少，来比较热值的大小。 【跟踪训练】 1.关于燃料的热值正确的是( B ) A.燃料的热值与燃料的燃烧程度有关 B.燃料的热值与燃料的种类有关 C.燃料的热值与燃料的多少有关 D.燃料的热值与上面三个因素都有关 2.人体像热机一样，也需要消耗能量。一个成年人参加一次万米长跑，身体消耗的能量约为 J，这些能量需要完全燃烧多少小麦标准粉才能得到？(小麦标准粉的热值约1.48×107 J/kg) 解：由Q=mq得：需要完全燃烧的小麦标准粉质量 。 题型二 热机的效率 例2 甲柴油机的效率比乙柴油机的效率低，这表明( ) A.甲的功率比乙小 B.甲做的功比乙少 C.甲消耗的柴油多 D.甲柴油机内能转化成机械能的百分比小 解析：根据热机效率的定义可知，甲柴油机的效率低，是用来做有用功的那部分能量(即转化成机械能的那部分能量)占燃料完全燃烧所放出的能量(即内能)的百分比小，所以D选项正确；热机的效率不是功率，所以A选项错误；B选项说的不明确且缺少条件，C选项也缺少条件，所以B、C选项都错误。 答案：D 【跟踪训练】 1. 关于提高热机效率的途径，下列说法中错误的是( B ) A.尽量使燃料充分燃烧 B.尽量减小输出功率 C.尽量减小摩擦 D.尽量减少热量的损失 2. 热机的效率是热机性能的一个重要指标，下面关于热机效率的叙述不正确的是( A ) A.在设计和制造上，要不断改进和革新，以减少各种能量损失，就有可能使热机效率达到100% B.两辆型号相同的小汽车，以相同的速度行驶相同的路程，耗油量小的那辆车效率较高 C.在使用上要正确使用，注意保养，可提高效率 D.在热机的各种损失中，废气带走的能量最多，设计利用废气的能量是提高燃料利用率的重要措施 题型三 热值公式、吸热公式和效率公式的综合应用 例3 某家庭需要将50 kg、20 ℃的水加热到60 ℃，他们利用煤气灶烧水，需燃烧0.8 kg煤气。已知煤气的热值 J/kg，水的比热容 J/(kg·℃)。求： (1)50 kg、20 ℃的水加热到60 ℃需要吸收的热量； (2)完全燃烧0.8 kg煤气放出的热量； (3)煤气灶烧水的效率。 解析：水吸收的热量可以利用吸热公式求出，煤气完全燃烧时放出的热量可以利用公式求出，煤气灶烧水的效率则等于吸热与放热之比。 解：(1)水吸收的热量：= J/(kg·℃)× 50 kg×(60 ℃－20 ℃J。 (2)煤气燃烧放出的热量：= 0.8 J/kg= J。 (3)煤气灶烧水的效率：η。 【跟踪训练】 1. 用酒精炉将2.0 kg的水从20 ℃加热到70 ℃，水需要吸收 J的热量。若实际燃烧的酒精质量为40 g，则该炉子的热效率为 35 %。[酒精的热值为 J/kg；水的比热容为 J/(kg·℃)] 2.学习了热学知识后，小明通过实验得知：用电热壶将20 ℃、15 kg的水加热到100 ℃，需要1.05元电费，用煤气灶做同样的实验，需要消耗0.42元的煤气。已知水的比热容为 J/(kg·℃)。 (1)如果使用煤炉做同样的实验，已知煤炉所用无烟煤的热值为 J/kg，假设煤炉的利用效率为20%，无烟煤的价格是0.34元/kg，则要花费多少钱？ (2)如果某地区可以同时供电、煤气和煤，从经济和环保的角度进行综合分析，你会建议使用哪种加热方式？请简要说明理由。 解：(1)水吸收的热量： 根据得： 由公式=mq得： 使用无烟煤所需钱数：0.74 kg×0.34元/kg≈0.25元。 (2)从经济的角度使用无烟煤价格最低，从环保的角度用电污染最小。综合考虑，建议使用电。 当堂达标 1.关于燃料的热值，以下说法中正确的是( ) A.燃料的热值与燃料的种类有关系，与燃料的质量和燃烧状况无关 B.燃烧某种燃料放出的热量与其质量之比叫这种燃料的热值 C.燃料燃烧时，质量越大，热值越大 D.燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 答案：A 2.关于炉子的效率，下列说法中正确的是( ) A.炉子的效率越高，燃料完全燃烧放出的热量越多 B.炉子的效率越高，消耗的燃料越少 C.炉子的效率越高，燃料越能完全燃烧 D.炉子的效率越高，燃料完全燃烧放出的热量的有效利用率越高 答案：D 3.随着人们生活水平逐步提高，农村的厨灶发生了革命性的变化。煤球炉、沼气灶和液化气灶等灶具已走进家庭。液化气与煤相比，热学方面突出的优点是 ；环保方面突出的优点是 。若要将2.5 kg初温为20 ℃的水加热到80 ℃，至少需要燃烧 的液化气。[水的比热容是 J/(kg·℃)，液化气的热值是 J/m3] 答案：热值大 污染少 0.012　6 4.同等条件下，“可燃冰”完全燃烧放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰”的 很大；以10倍的关系粗略计算，1 kg“可燃冰”完全燃烧放出的热量可以使约 kg的水从20 ℃加热至60 ℃。 J/kg，水的比热容 J/(kg·℃)] 答案：热值 2 321 5.用煤气灶把1 kg、初温为20 ℃的水烧到70 ℃，消耗了10 g煤气。已知水的比热容是 J/(kg·℃)，煤气的热值为 J/kg，则水吸收的热量为 J，煤气完全燃烧放出的热量为 J，煤气灶烧水的效率约为 %。 答案： 54 6.下表是某型号单缸汽油机的部分相关技术参数。 汽缸直径65 mm活塞冲程长55 mm做功冲程燃气的平均压强 Pa飞轮转速1 500 r/min
请你分析表中的部分数据，求： (１)这种汽油机满负荷工作时做功的功率。(不计摩擦损失) (２)如果汽油机满负荷工作时每分钟消耗 汽油，这种汽油机把内能转化为机械能的效率是多少？＝４ J/kg) 解：(1)活塞的面积，作用在活塞上的平均压力，一个做功冲程中燃气对活塞做的功， 飞轮的转速 r s，每秒做功次数(次)， 所求的功率P W=2.2 kW。 (2)汽油机把内能转化为机械能的效率等于汽油机在一定时间内做的功与完全燃烧一定汽油放出的热量之比，即 。 教学反思