第十四章 第1节 热机-【教材解读】2022-2023学年人教版物理九年级全册（有详解）

第十四章
内能的利用
詹姆斯·瓦特改良了塞汽札，你知遗套汽机的工作原理吗
提供汔丰和火牟动力的装置是什么 它们的工作过程有何异同
烧开同一壶水，需要煤气的质量约为0．05虹，需要千木柴的质量约为1 kg，为什么需要煤气和千木柴的质量不同
千木柴和煤气完全燃烧放出的熬量都被水吸收了吗 如果没有，那热量都去哪尔了
2016午，中国女排时隔12午，叉站在奥运最高领奖台上。女排姑娘们在跳起的过程中能量是如何转化的
排球被拍出后，若不和人接触，最终会停下来，该过程中哪些能量发生了转化
第1节 热机
基础知识·细解读
知识点一 热机 【重点】
1.探究：内能做功过程中的能量转化
2.热机
(1)定义：利用内能做功(将内能转化为机械能)的机械称为热机。
(2)分类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
(3)热机工作时的能量转化
3.内燃机
燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫作内燃机。内燃机分为汽油机和柴油机两大类。
【例1】(湖南湘西中考)人们发现内能可以做功，并制造出各种利用内能做功的机械——热机，下列机械不属于热机的是 ( )
A．电动机 B．柴油机 C．汽油机 D．蒸汽机
解析：柴油机、汽油机、蒸汽机的工作过程中都将内能转化为机械能，都属于热机。而电动机不属于热机。
答案：A
提醒
实验注意事项
实验时，软木塞不要塞得太紧，避免软木塞不能冲出，导致试管炸裂伤人，同时试管口不能对着人。
生活物理
形形色色的热机
(1)汽轮机：一种用水蒸气驱动叶轮转动的热机，它通过固定喷嘴喷射加速的气流到叶片上，使装有叶片排的转轴旋转，同时对外做功。(如图所示)
(2)火箭发动机：火箭本身就是一部热机，工作时燃料和氧化剂在燃烧室内混合、燃烧，产生高温气体，高温气体通过喷管高速喷出，对火箭产生推力，把火箭发射出去。
知识点二 汽油机 【重点+难点】
1.构造
汽油机所用的燃料是汽油，下图是四冲程汽油机的实物剖面图和结构示意图。
2.工作原理
汽油在汽缸里面燃烧时生成高温高压的燃气，推动活塞做功。活塞移动带动曲轴转动。
3.工作过程
(1)冲程：活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程。
(2)工作过程
过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程
图示
气门 进气门打开，排气门关闭 进气门、排气门均关闭 进气门、排气门均关闭 进气门关闭， 排气门打开
活塞 向下运动 向上运动 向下运动 向上运动
作用 吸入汽油和空气的混合物 压缩汽油和空 气的混合物 在压缩冲程结 束时，火花塞产 生电火花引燃燃料，产生的高 温高压的气体推动活塞向下运动，带动曲轴 转动，对外做功 把废气排出 汽缸
提醒
四个冲程的判断
(1)进气门打开，排气门关闭一定是吸气冲程。
(2)进气门关闭，排气门打开一定是排气冲程。
(3)两气门关闭，活塞向上运动是压缩冲程，活塞向下运动是做功冲程。
4.对汽油机工作过程的理解
汽油机的工作过程是一个往复的工作过程。四冲程汽油机在一个工作循环中有四个冲程，活塞往复运动两次，曲轴和飞轮转动两周，对外做功一次。汽油机在工作时只有做功冲程使机车获得动力，其他的三个冲程均为辅助冲程，依靠安装在曲轴上飞轮的惯性来完成。
【拓展】 六冲程发动机
在普通四冲程发动机的四个冲程之后，第五个冲程开始的时候，把水喷进炽热的汽缸里面，水马上就变成了高温的蒸汽，体积急剧膨胀，同时汽缸内压强急剧增大，推动活塞再次做功，然后再重复一次排气冲程，这样，每六个冲程中就出现两个做功冲程，而消耗的燃油却没有变化。
【例2】(湖南永州中考)下图是汽油机工作的四个冲程的示意图，其中表示做功冲程的是 ( )
解析：解答本题的关键是明确汽油机每个冲程工作的特点。表解如下：
选项 结论 分析
A × 进气门开启，活塞下行，汽油和空气的混合物进入汽缸，是吸气冲程
B × 两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程
C √ 两气都关闭，火花塞产生电火花，活塞下行，是做功冲程
D × 排气门开启，活塞上行，气体流出汽缸，是排气冲程
答案：C
汽油机的火花塞冒火花的一定是做功冲程!
生活物理
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。
知识点三 柴油机 【重点+难点】
1.结构
2.工作原理
利用汽缸内柴油燃烧所产生的高温高压的气体推动活塞做功。
3.工作过程——和汽油机相似
巧学技巧
巧辨冲程
一门打开，上排下吸；
两门关闭，上压下做。
提醒
对柴油机的工作过程的理解柴油机的一个工作循环，也是由四个冲程组成的，每完成一个工作循环，曲轴和飞轮转动两周，对外做功一次，活塞往复运动两次。除做功冲程外的其他三个冲程，也是靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成的。
4. 柴油机和汽油机的对比分析
热机种类 柴油机 汽油机
不 同 点 构造 汽缸顶部有喷油嘴 汽缸顶部有火花塞
吸气 吸人的是空气 吸入的是汽油和空气的混合物
压缩 压缩气体的温度升高，超过柴油的燃点，压缩冲程末，喷油嘴喷出雾状柴油 压缩气体的温度比柴油机的低，压缩冲程末，用火花塞点火
点火 压燃式 点燃式
应用 机体笨重，主要用于载重汽车、坦克等 机体轻便，主要用于汽车、小型飞机等
【例3】关于汽油机和柴油机的不同点，下列说法正确的是 ( )
A．在构造上，汽油机汽缸顶部有喷油嘴，而柴油机的汽缸顶部有火花塞
B．在吸气冲程中，汽油机吸入汽缸的是汽油，柴油机吸人汽缸的是柴油
C．在压缩冲程末，汽油机用点燃式点火，而柴油机用压燃式点火
D．在做功过程中，汽油机里的燃气温度和压强比柴油机里的高
解析：汽油机顶部有火花塞，采用点燃式点火，柴油机顶部有喷油嘴，采用压燃式点火，A错误，C正确；吸气冲程中，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，柴油机吸入汽缸的是空气，B错误；在做功过程中，汽油机里的燃气温度和压强比柴油机里的低，D错误。
答案：C
对比汽油机和柴油机理解内燃机的结构和工作特点，内燃机问题就能统统搞定。
物理脱口秀
汽油机和柴油机
汽油柴油机异同，
关键先看汽缸顶。
汽油机用火花塞，
柴油机用喷油嘴。
汽油压末塞点火，
柴油压末喷油雾。
常考题型·巧突破
题型一 汽油机的工作过程
角度1汽油机的工作冲程的判断
【例1】(湖北天门中考)下图是四冲程汽油机工作的四个冲程示意图，其中使汽车获得动力的冲程是 ( )
解析：使汽车获得动力的冲程是做功冲程，这一冲程中，两气门都关闭，火花塞点火，活塞下行，汽缸容积变大，C符合题意。
答案：C
针对训练
1．下图是四冲程内燃机的某个冲程示意图，这个冲程是( )
A．吸气冲程 B.压缩冲程
C．做功冲程 D．排气冲程
2．下图是四冲程汽油机工作时各冲程的示意图，其中表示压缩冲程的是 ( )
3．汽油机在做功冲程中，高温高压的气体膨胀对外做功，它的温度和内能的变化情况是 ( )
A．温度降低，内能增大
B．温度不变，内能不变
C．温度升高，内能增大
D．温度降低，内能减小
规律总结
三招搞定汽油机工作冲程的判断问题
角度2汽油机工作过程中能量的转化
【倒2】(海南中考)从能量转换的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中，存在着机械能转化为内能过程的是 ( )
A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程
解析：内燃机四个冲程的压缩冲程中，活塞对空气或燃料和空气的混合物做功，将机械能转化为内能，做功冲程中，高温高压的气体对活塞做功，将内能转化为机械能，B正确。
答案：B
规律总结
内燃机“两冲程”的能量转化
(1)将机械能转化为内能的是压缩冲程；
(2)将内能转化为机械能的是做功冲程；
(3)只有做功冲程对外做功，其他三个冲程均依靠飞轮惯性完成。
题型二 柴油机与汽油机的异同
【例3】柴油机和汽油机在构造上的主要区别是：柴油机汽缸顶部有 ，汽油机汽缸顶部有 。在吸气冲程中的不同是：汽油机吸入汽缸里的是 ，柴油机吸人汽缸里的是 。
解析：汽油机和柴油机在构造上的主要区别是：汽油机汽缸顶部有个火花塞，柴油机汽缸顶部有个喷油嘴；在吸气冲程中，汽油机吸入汽缸的是汽油和空气的混合物，而柴油机吸入的是空气。
答案：喷油嘴 火花塞 汽油与空气的混合物 空气
针对训练
4．下列关于汽油机和柴油机工作特点的说法正确的是( )
A．一个工作循环曲轴和飞轮转动一周，对外做一次功
B．一个工作循环曲轴和飞轮转动两周，对外做一次功
C．吸气冲程中内能转化为机械能
D．压缩冲程中内能转化为机械能
针对训练
5．下图为生活中常用的热水瓶，瓶壁采用镀银的双层玻璃，注入一定量的热水后，立即盖上软木塞，软木塞会跳起来。这一过程中瓶内气体的 能转化为软木塞的机械能，汽油机的 冲程也发生同样的能量转化。如果某汽油机飞轮转速是2 400 r／min，则该汽油机每秒完成 个冲程，对外做功 次。
题型三内燃机工作循环与做功的简单计算
【例4】一台单缸四冲程柴油机飞轮的转速是1 800 r／min，则柴油机每秒 ( )
A．完成30个冲程，做功30次
B．完成60个冲程，做功60次
C．完成60个冲程，做功15次
D．完成120个冲程，做功30次
解析：由题知，飞轮转速为，每秒完成30×2=60个冲程，对外做功次，故选c。
答案：C
规律总结
转数与做功次数和工作循环个数的关系
题型四 热机的工作原理及应用
【例5】用酒精灯给试管中的水加热，如图所示，在软木塞冲出试管口的过程中，下列说法正确的是 ( )
A．水蒸气对软木塞做功，水蒸气的内能增大
B．水蒸气的内能转化为软木塞的机械能
C．能量的转化形式与热机压缩冲程能量转化相同
D．软木塞的机械能守恒
解析：本题考查热机的工作原理及内能与机械能的转化。软木塞冲出试管口的过程中，水蒸气对软木塞做功，将内能转化为软木塞的机械能，使软木塞的机械能增加，水蒸气的内能减少，这一过程与热机的做功冲程中能量转化的形式相同。
答案：B
针对训练
6．如图所示，在透明塑料盒的底部钻一个孔，把电子式火花发生器的放电针管紧紧地塞进孔中，打开塑料盒盖，向盒中滴人数滴酒精，再将盒盖盖紧，然后按动电火花发生器的按钮。你观察到的现象是 。根据这个原理，可以制造出一种将 能转化为 能的机器。
7．如图所示，用酒精灯加热试管中的水，当水沸腾一段时间以后，塞子被试管内水蒸气推出，水蒸气的 能转化为塞子的 能。图 中汽油机的工作过程与这一实验过程中能量的转化是一致的。
规律总结
“两明”解决热机的工作问题
易误易混·精辨析
易错点：搞不清内燃机转速与对外做功的关系
【例题】一柴油机的转速是3 000 r／min，它1 s对外做功 次，它完成吸气冲程时，吸人汽缸里的物质是 。
正解 内燃机完成一个工作循环，要经过4个冲程，对外做功1次，活塞往返2次，曲轴和飞轮转动2周，根据这个关系可以求出答案。由于柴油机转速是3 000 r，／min，即50 r／s，表示每秒曲轴和飞轮转动50圈，对外做功25次。柴油机吸入汽缸的只有空气。
答案25 空气
【防错妙招】四冲程内燃机工作时，在一个工作循环中，活塞往返两次，曲轴和飞轮转动两周，经历四个冲程，对外做功一次，即曲轴和飞轮每转两周，对外做功一次。内燃机的转速用“转／分”做单位，而问题中是求每秒做功次数，所以在解有关题目时，还要注意单位的换算。
高效训练·速提能
【基础必做】
1．下列关于热机的说法错误的是 ( )
A．利用内能来做功的机械叫热机
B．蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机都叫热机
C．一切热机的工作过程都包括四个冲程
D．活塞从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫作一 个冲程
2．汽油机吸气冲程吸入汽缸内的物质是 ( )
A．柴油 B．汽油和空气
C．汽油 D．空气
3．关于四冲程柴油机的压缩冲程，下列说法错误的是 ( )
A.八汽缸里面的气体质量不变
B.汽缸里面的气体压强增大
C．汽缸里面的气体温度升高
D．汽缸里面气体的内能转化为活塞的机械能
4．(广西钦州中考)多数汽油机是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的，其中做功冲程发生的能量转化是 ( )
A．内能转化为电能 B．内能转化为机械能
C．机械能转化为内能 D．电能转化为内能
5．一台单缸四冲程内燃机正常工作时每秒对外做功10次，则该内燃机每秒共经历
了 个冲程，其转速为 r／min。
【能力锤炼】
6．关于四冲程汽油机的工作过程有下列几种说法：①在做功冲程中，机械能转化为内能；②在做功冲程中，内能转化为机械能；③只有在做功冲程中燃气对外做功；④汽油机在一个工作循环中，只有一个冲程发生能量转化。以上说法正确的是( )
A．只有②③ B．只有①③
C．只有②④ D．只有②③④
7.如图所示，有关这个“小汽轮机”的说法不正确的是 ( )
A．烧瓶内的水通过热传递的方式增加了自身的内能
B．酒精燃烧将内能转化为化学能
C．水蒸气的内能转化为轮子的机械能
D．内能的一个重要应用是可以用来做功
8.(四川泸州中考)如图所示的实验装置，当塞子从试管口喷出时，水蒸气的内能转化为塞子的 能，这个能量转化过程与汽油机工作时 冲程的能量转化过程一样。汽油机工作过程中需要用水来冷却发动机以确保其正常工作，这是利用了水的 大的特点。
【素养提升】
9.科学家发明了一种单缸六冲程内燃机，它每一个工作循环的前四个冲程与单缸四冲程内燃机相同，在第四个冲程结束后，立刻向汽缸内喷水，水在高温汽缸内迅速 (填物态变化名称)成高温高压水蒸气，推动活塞再次做功，从而提高了热机的效率。在水蒸气推动活塞做功的过程中主要的能量转化情况是 。
本书参考答案
第1节热机
常考题型·巧突破
1．C解析：由题图可知，两气门都关闭，火花塞发出电火花，同时活塞下行，汽缸容积变大，所以是做功冲程，C正确。
2．D解析：A选项进气门开启，汽油和空气的混合物进入汽缸，是吸气冲程，故A不符合题意；B选项排气门开启，气体流出汽缸，是排气冲程，故B不符合题意；C选项两气门都关闭，火花塞点火，活塞下行，汽缸容积变大，是做功冲程，故C不符合题意；D选项两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程，故D符合题意。
3．D解析：汽油机在做功冲程中，汽缸内的高温高压气体迅速膨胀对外做功，内能转化为机械能，故气体的内能会减小，气体的温度会降低。
4．B解析：汽油机和柴油机的一个工作循环中曲轴和飞轮转动两周，对外做一次功，A错误，B正确；做功冲程将内能转化为机械能，压缩冲程将机械能转化为内能，C、D错误。
5．内 做功 80 20
解析：软木塞跳起来，机械能增大，这是热水瓶内气体膨胀对外做功，内能转化成软木塞的机械能造成的；汽油机在做功冲程中，汽缸内高温高压气体膨胀推动活塞做功，内能转化为机械能；汽油机的一个工作循环包括四个冲程，飞轮转两周，对外做功一次，该汽油机飞轮转速是2 400 r／min一40 r／s，则该汽油机每秒完成80个冲程，对外做功20次。
6．塑料盒盖飞出去 内 机械
解析：透明的塑料盒相当于一个汽缸，塑料盒盖相当于活塞，酒精在塑料盒内燃烧，产生高温高压的燃气，推动塑料盒盖运动，把气体的内能转化为盒盖的机械能。
7．内 机械 乙 解析：酒精灯加热试管中的水，水的内能增加，塞子被试管内的水蒸气推出，水蒸气对塞子做功，塞子机械能增加，即水蒸气的内能转化为塞子的机械能。在两气门均关闭时，图甲中活塞向上运动，属于压缩冲程，其能量转化是机械能转化为内能；图乙中活塞向下运动，属于做功冲程．内能转化为机械能。
高效训练·速提能
1．C解析：热机并不都是四冲程的，也有六冲程的。
2．B解析：汽油机的吸气冲程吸入汽缸的是汽油和空气的混合物。
3．D解析：在压缩冲程中，由于进气门和排气门都关闭，故汽缸里面的气体质量不变，A正确；由于压缩冲程中，活塞对汽缸里面的气体做功，故气体体积减小，压强增大，温度升高，B、C正确；压缩冲程中，活塞的机械能转化为气体的内能，D错误。
4．B解析：汽油机的做功冲程中，高温高压的气体推动活塞向下运动，将内能转化为机械能，B正确。
5．40 1200解析：内燃机每秒对外做功10次，则内燃机每秒经历了40个冲程，飞轮转了20转，该内燃机的转速为1 200 r／min。
6．A解析：本题考查四冲程汽油机的能量转化过程。在压缩冲程中，活塞压缩气体，把活塞的机械能转化为燃料混合物的内能；在压缩冲程结束时，火花塞产生电火花，使燃料燃烧，产生的高温高压气体推动活塞做功，把高温高压气体的内能转化为活塞的机械能；在汽油机的一个工作循环中，只有压缩、做功两个冲程发生能量转化。所以②③正确，①④错误。
7．B 解析：这个装置虽然简单，却能很好地说明热机的原理。酒精燃烧将化学能转化为内能，通过热传递使水的内能增加，水蒸气对外做功，内能转化为机械能。故B不正确。
8．机械 做功 比热容
解析：当塞子从试管口喷出时，试管内的水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能转化为塞子的机械能；汽油机的做功冲程是汽油燃烧产生的高温高压气体推动活塞做功，将内能转化为活塞的机械能，因此这一过程与做功冲程的能量转化相同；与其他液体相比较，水的比热容较大，在质量和升高的温度相同时，水吸收的热量较多，制冷效果较好。
9．汽化 内能转化为机械能
解析：水变为水蒸气属于汽化现象；水蒸气推动活塞做功，其能量转化是水蒸气的内能转化为活塞的机械能。
教材参考答案
第1节热机
教材第19页【想想议议】
1．在汽油机的四个冲程中，压缩冲程是将机械能转化为内能；做功冲程是将内能转化为机械能。
2．做功冲程使汽车获得动力。
3．排气冲程排出了汽车的废气。
教材第21页【动手动脑学物理】
1．除了飞机、汽车、摩托车外，火箭、轮船、蒸汽机车等也用到了热机，这些热机中轮船用的是内燃机。
2．如图所示。
3．(1)做功冲程存在化学能转化为内能的过程。
(2)做功冲程存在内能转化为机械能的过程。
(3)压缩冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程。
4．柴油机和汽油机的工作过程的相同点是四个冲程中气门的开闭情况和活塞的运动情况相同，排气冲程相同；不同点是吸气冲程中吸人的气体不同，压缩冲程中压缩的程度不同，做功冲程中点火的方式不同。