14.4 跨学科：热机效率和环境保护 教案 沪科版（2024）九年级全一册

第四节　跨学科：热机效率和环境保护
物理观念：
1．知道热值的含义、单位及物理意义。
2．会应用热值的概念进行简单的燃烧放热的计算。
3．知道热机效率的含义，了解热机能量的损失以及提高热效率的方法。
4．列举热机对环境的影响。
科学思维：
通过热机效率的学习，形成能量守恒的思想。
科学探究：
1．通过生活经验及具体事例定性探究得到不同燃料燃烧释放热量的能力不同。
2．通过多媒体展示图片及联系实际，让学生了解热机带来的环境问题。
科学态度与责任：
了解热机的使用对社会的贡献及带来的问题，感受自然科学的发展及先进技术的应用在推进社会发展的同时，也造成了环境污染等问题，激发学生的社会责任感。
重点：①燃料的热值；②热机效率。
难点：①热值的相关计算；②热机效率的理解。
多媒体课件。
一、情景导入
教师使用多媒体播放天问一号探测器发射视频。(视频详见教学课件)
为什么发射火箭上天要用氢作燃料，而不用汽油或酒精呢？这节课我们就来研究一下这个问题。
教师播放多媒体，让同学们领悟对话，问同学们是否理解这段对话？为什么不同的燃料释放热量的本领不同？如何比较它们释放热量的多少？这节课就为大家来揭晓这些疑惑！
二、合作探究
　燃料的热值
同学们想一想：生活中，我们烧开同样一壶水，如果分别用木柴、煤和汽油来作燃料，消耗的燃料一样多吗？
(1)试想一下为什么使用不同的燃料，消耗的燃料质量不同呢？
(2)怎样比较燃料释放热量的能力呢？
(1)不同燃料燃烧释放热量的能力是不一样的。
(2)比较燃料燃烧释放热量的能力的方法：①取质量相同的不同燃料，让它们完全燃烧，比较释放热量的多少；②让不同燃料燃烧释放出相同的热量，比较它们消耗质量的多少。
(3)人们把某种燃料完全燃烧释放的热量与所用燃料的质量之比，叫做这种燃料的热值。热值用字母q表示，在国际单位制中，热值的单位是J/kg。
(1)酒精的热值是3.0×107 J/kg，代表的物理意义是1 kg的酒精完全燃烧释放的热量是3.0×107 J。
(2)根据热值的概念和热值所代表的物理意义，交流讨论得出燃料燃烧时释放热量的公式：Q＝mq或Q＝Vq，其中m是燃料的质量，单位是kg；V是燃料的体积，单位是m3；q是燃料的热值，单位是J/kg、J/m3。
(3)热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关。
　热机效率
1．煤气灶的效率
我们在日常生活中用煤气烧水时，煤气燃烧释放的热量能否被水完全吸收？若不能，燃烧过程中又有哪些能量损失呢？
同学们交流讨论上述问题，提出自己的观点。
①煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量；②装水的容器吸收了一部分能量、煤气灶本身吸收了一部分能量、高温的烟气带走了一部分能量、还有一部分能量散失掉了，只有水吸收的热量才是有效利用的。
根据以上分析总结出煤气灶的效率表达式为η＝×100%。
2．热机的效率
多媒体展示热机燃料的能量走向示意图：
分析热机在工作过程中有哪些能量损失？如何用公式表示热机的效率？
同学们分组交流讨论：
(1)热机在工作过程中的能量损失有哪些？
(2)怎样用公式表示热机的效率？
(1)热机运转中，做有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率。表达式为η＝×100%。
(2)提高热机效率的方法：主要途径是减少热机工作中的各种能量损失。首先要减少燃烧过程中的热量损失，其次要尽量简化机械传动部分，并选用优良的润滑材料减小摩擦，以减少能量损失。
　环境保护
多媒体展示燃料燃烧对环境的影响图片：
　　
热机使用加快了人类文明的进程，但也带来了环境污染问题。现代工业大量燃烧煤炭、石油和天然气排放的烟尘使大气十分浑浊，排放的二氧化硫和氮氧化合物会形成酸雨，危害植物，污染环境等。
汽车尾气
近年来，机动车废气排放已成为城市大气污染的重要来源之一。机动车废气排放主要有油箱泄漏、燃料蒸发和排气管排放三种方式，其成分比较复杂，含有上千种化学物质。
在城市路边，人们常常可以看到小轿车的排气管喷出团团白烟，柴油汽车和三轮摩托车还冒着滚滚黑烟，夹带着难闻的气味，加上喇叭声和气缸振动的噪声，更是令人厌恶。汽油通过汽车发动机燃烧产生动力后，要排出大量尾气。汽车尾气的危害程度主要取决于汽油的成分。过去，车用汽油通常都用四乙基铅作为防爆剂，这样的汽油叫做含铅汽油。含铅汽油使汽车排放的尾气中含有较高浓度的铅，对人体健康危害严重。鉴于此，我国已于2000年开始使用无铅汽油，相应的四乙基铅被一系列新型汽油防爆剂所取代。在我国，无铅汽油是指含铅量在0.013 g/L以下的汽油，所以无铅汽油并非含铅量为零的汽油，汽车尾气中仍然含有少量的铅。农村居民一般每天从空气中吸入体内的铅量约为1 μg，而城市居民尤其是街道两旁的居民每天吸入的铅量会大大超过这个数值。
第四节　跨学科：热机效率和环境保护
完成本课时对应练习。
本节课的重点是燃料的热值和热机的效率。在实际教学中利用能流图分析问题是学生首次接触，可以结合图解帮助学生想象，提高学生的观察能力和分析能力。本节的一个较大特点是紧密联系实际，考察了能量在具体过程中的损耗，要注意让学生细致地分析问题，建立缜密的逻辑思维形式。教学注意联系实际，使学生能够将所学到的提高热机效率的方法应用于实际生活中，解决简单的问题。教学中结合所生活的社区，思考关于节能和环境保护的问题。