/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
第十四章 内能的利用
第2节 热机
新课导入
方式一 【实验导入】
生活中人们常常利用内能来加热物体,比如:生火做饭、取暖、烧制瓷器、冶炼钢铁等,除此以外,人们还能利用内能来做什么呢 我们来看下面一个小实验。
演示实验或播放视频片段:利用内能来做功(图14-2-1)。(见素材二电子视频之“内能转化为机械能”)
图14-2-1
导入语:内能是如何来做功的呢 它做功的实质又是什么呢 这节课我们就来研究这些问题。
方式二 【情境导入】
多媒体展示以下图片(图14-2-2):
图14-2-2
导入语:汽车奔驰、列车飞驶,一日千里!万吨巨轮劈波斩浪、远涉重洋!飞机刺破苍穹、翱翔蓝天!它们为什么能在交通运输方面大展神威呢 好,让我们一起走进热机,了解它们的工作原理吧!
电子视频 (详见电子资源)
教材知识处理
实验改进:内能做功的演示实验改进(教材P25)
[问题] ①该实验中橡胶塞冲出时间短,不易观察;②存在一定危险性,可能烫伤学生。
[改进方法] 在原实验装置的橡胶塞中插入一根玻璃管,在玻璃管的出口处放一个纸制小风车(图14-2-3)。
图14-2-3
[实验现象] 水沸腾后,大量热气从玻璃管中冲出,推动小风车转动。
[优点] 实验现象更明显,更加直观形象,安全有趣,更好地调动学生的积极性。
本节教材链中考
[考点小说] 对于热机中的内燃机,必须清楚了解单缸四冲程汽油机的工作过程及压缩、做功冲程中能量的转化情况,这是中考关于热机问题的主要考查点,多以选择题、填空题的形式出现。
[考点对接] 1.利用内能做功
[源起教材P25] 插图
图14.2-2 加热试管中的水
例1 (兰州中考)如图14-2-4所示,用酒精灯对试管加热,等水沸腾后,可以看到蒸汽把软木塞顶出。下列说法正确的是 ( )
图14-2-4
A.用酒精灯加热试管,水的内能增加是通过做功的方式实现的
B.蒸气把软木塞顶出的过程,实现了内能向机械能的转化
C.蒸气把软木塞顶出的过程,相当于汽油机的排气冲程
D.试管口出现的白雾是水汽化后形成的水蒸气
[解析] B 用酒精灯加热试管,水吸收热量,水的内能增加,是通过热传递的方式实现的,故A错误;蒸汽把软木塞冲出去,水蒸气的部分内能转化为软木塞的机械能,实现了内能向机械能的转化,故B正确;这一过程,相当于汽油机的做功冲程,故C错误;试管口出现的白雾,是水蒸气液化后形成的水雾,故D错误。
[考点对接] 2.内燃机工作过程及能量转化
[源起教材P27] 插图
图14.2-5 四冲程汽油机工作示意图
例2 (临沂中考)2024年4月20日,我国研制的全球首款本体热效率达53.09%的柴油机正式亮相世界内燃机大会,刷新了柴油机热效率的世界纪录。如图14-2-5所示内燃机的四个冲程,气缸内气体的内能最小的是 ( )
图14-2-5
[答案] D
例3 (广元中考)1883年人类发明了汽油机。一台四冲程汽油机的一个冲程中,火花塞点火,燃料猛烈燃烧,产生高温高压的气体推动活塞对外做功,则该冲程 ( )
A.是压缩冲程
B.气体对外做功,内能转化为机械能
C.活塞依靠飞轮的惯性而运动
D.气体对外做功,气体的内能增加
[答案] B
例4 (黑龙江中考)汽油机将内能转化为机械能的是 冲程,某单缸四冲程汽油机飞轮转速是2400 r/min,则此汽油机每秒对外做功 次。
[答案] 做功 20
[解析] 汽油机的做功冲程中,高温高压的燃气推动活塞做功,把内能转化为机械能;汽油机飞轮的转速为2400 r/min,说明1 s内汽油机曲轴的转动周数为40,一个工作循环中,曲轴转动两周,对外做功一次,1 s内曲轴转动40周,对外做功20次。
拓展材料
材料一——火箭
火箭使用的是喷气式发动机(图14-2-6),它和内燃式发动机的工作原理不同,它的燃料在燃烧室内燃烧后产生高温、高压的气体,这种气体从发动机尾部以极高的速度喷出,同时产生很大的反冲推力推动机身向前运动。由于它不需要内燃机中的活塞、曲轴等传动装置,从而减少了能量的损失,大大提高了机身的飞行速度。
图14-2-6 图14-2-7
喷气式发动机又分为空气喷气式发动机和火箭喷气式发动机两类。前者本身只携带燃料,它需要利用外界空气来助燃,因此不宜在空气稀薄的高空飞行;后者简称为火箭,它本身带有燃料和氧化剂,不需要依靠外界空气来助燃,因此,飞行高度不受限制。现代火箭使用的燃料多为液体燃料。液体燃料火箭主要由燃料箱、氧化剂箱、输送装置、燃烧室和尾部喷口组成,如图14-2-7所示。输送系统按时按量地把燃料和氧化剂输送到燃烧室中,最初用电火花点燃,产生高温、高压气体,此后,由于燃烧室的温度已经很高,进入燃烧室的燃料和氧化剂可以自行燃烧。燃烧产生的气体以很大的速度从喷口喷出,同时对火箭产生强大的反冲推力,使火箭前进。
材料二——为什么柴油机比汽油机热效率高
在学习中,同学们经常会问道,为什么柴油机比汽油机热效率高 要搞清楚这个问题的答案,我们先要弄明白影响内燃机热效率的关键因素——压缩比。内燃机的活塞在气缸里做往复运动时,活塞顶部离气缸盖最近时的位置,叫作上止点;活塞顶部离气缸盖最远时的位置,叫作下止点。上、下止点间的距离叫作活塞行程,简称冲程。活塞在下止点时,活塞上面的空间叫作“气缸总容积”;活塞在上止点时,活塞上面的空间叫作“燃烧室容积”;气缸总容积与燃烧室容积的比值叫作“压缩比”。
压缩比表示空气(或燃料混合物)在气缸中被压缩的程度。压缩比越大,气缸内气体压缩后的压强越大,温度越高。压缩比是内燃机的主要技术规格之一,汽油机和柴油机的压缩比是不同的,例如:上海生产的165型汽油机的压缩比是6,压缩冲程末的压强约为106 Pa,温度可达到430 ℃;东风195型柴油机的压缩比是20,压缩冲程末的压强约为3×106~4×106 Pa,温度可达到500~700 ℃。一般来说压缩比越大,热机效率就越高。
在汽油机里,吸入气缸内的是燃料混合物,由汽化器把空气和汽油按一定比例进行均匀混合雾化而成,燃料混合物被压缩后,用火花塞点火引爆。汽油机的压缩比在5~8之间,不能任意提高。因为压缩比过大,压缩冲程末的气体温度太高,密度太大,使点火时气体的燃烧太剧烈,会造成某一局部压力增长太快,对气缸和活塞产生巨大的冲击力,发出很大的响声和震动,这种现象叫作“爆震”,发生爆震不仅对机件保养不利,而且会使汽油机输出的功率显著降低。
柴油机的点火方式与汽油机不同,当压缩冲程快结束时,由喷油嘴喷出雾状柴油,会自动着火,由于柴油机气缸里压缩的只是纯空气,没有“爆震”问题,提高压缩比不受此限制。但由于气缸、活塞等部件能承受的压力限制,柴油机的压缩比也不能过大,通常限制在12~20之间,因此与汽油机相比,柴油机的热效率会更高一些。
材料三——空气的动力
空气动力是指空气与物体做相对运动时作用在物体上的力,简称气动力。当我们快速地松开鼓起来的气球时,气球会“嗖”地一下飞出去,这时气球获得了气动力。我们再观察一个实验:如图14-2-8甲所示,将一个针管的活塞推到底端,并通过一个胶管与一个吹足气的气球相连,用力挤压气球,发现活塞被顶起。这个实验说明空气作为动力对活塞做了功。
被压缩的气体压强变大,能对外做功,那么在生活中是否能将空气作为一种“能源”,变成一种推进物体前进的动力呢 经过长时间探索,人们已经成功制造出多种使用压缩空气为动力,推动叶片或者活塞运动的发动机,即叶片式、活塞式空气发动机。
图14-2-8
图乙是某新型的以空气发动机为动力的汽车,它共有4个压缩气缸,总容量为90 L,可储存标准大气压下90 m3的空气,其设计最高速度可达154 km/h,平均每加一次气能行驶200 km或10 h。压缩空气动力汽车的充气方式有两种:一是使用车辆自带的空气压缩机,使用家庭电路作为电源,就可在4 h内完成充气;二是到指定的加气站,可在短短3 min内完成充气。由于空气发动机不直接使用燃料,因而具有体积小、结构简单、维修成本低、操控方便、“零排放”的优点,即使因为技术不成熟导致某些缺点,在科学界引起不小的争议,但这项技术仍然具有广阔的发展空间。
材料一 火箭
材料二 为什么柴油机比汽油机热效率高
材料三 空气的动力
——详见电子资源
能力培优题 (详见电子资源)
21世纪教育网(www.21cnjy.com)/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
第十四章 内能的利用
第2节 热机
教材 解读 本节内容主要包括三部分:热机、汽油机和柴油机。《初中物理新课程标准》对本节内容的要求是:“了解热机的工作原理;知道内能的利用在人类社会发展史上的重要意义,例如了解蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机的基本原理及这些发动机对生产力发展所起的作用以及对环境的影响。” 本节通过对四冲程汽油机结构的介绍和工作过程的分析,初步阐述了热机工作中能量的转化,再通过阅读和对比,使学生了解柴油机的结构和工作原理。对内燃机的使用只做了简单说明,同时使学生知道内燃机的使用对环境也有影响。
学 习 目 标 物理观念 1.了解汽油机和柴油机的基本构造和工作原理。 2.知道内燃机各冲程的工作状态和能量转化。 3.了解汽油机与柴油机在构造上和工作过程中的异同点。
科学思维 通过模型认识内燃机的构造。
科学探究 1.通过演示实验,使学生了解可以利用内能来做功。 2.利用动画、图片或模型讲解四冲程汽油机的基本结构和工作原理。
科学态度 与责任 知道内燃机工作时有废气污染,树立环保意识。
教学 重、 难点 重点:内燃机各个冲程的工作状态和能量转化。 难点:汽油机和柴油机的构造和工作原理及工作过程的异同点。
教学 建议 内燃机的构造尽量通过模型认识。教学时,建议用演示、讲解、阅读、讨论的方式。演示指操作汽油机模型的运转(没有模型则采用挂图,最好是活动挂图),边运转边点明各部位的工作状态,例如机械传动部分的工作情况和控制的方法,特别要使学生认识到每个冲程的能量转化情况,所以演示中必须贯穿讲解。有了汽油机做基础,对柴油机的学习可让学生对照模型和图片,阅读课文,用自己的语言描述它的结构和工作状态,相互之间进行一些必要的讨论,可给一些阅读提示,如柴油机与汽油机构造的不同之处有哪些、柴油机压缩冲程末的工作状态与汽油机有什么区别、柴油机工作中的能量转化情况等。 内燃机属于热机,在介绍内燃机的应用方面,还可适当穿插一些其他类型的热机,如蒸汽轮机、燃气轮机、喷气发动机和火箭等,但不要太多。也可让学生自己从科普书籍、电视、报刊或网上获取热机的发展过程、热机与社会发展的关系,以及环境保护等问题的相关资料。
教学设计① (对应ppt见电子资源)
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 情境引入:超音速汽车属于汽车范畴的一种。地球上的超音速汽车代表有英国工程师研制出的一辆时速达到1000英里(1610 km),名为“寻血猎犬”的汽车。前IBM公司工程师萨德尔和波音公司工程师扎恩西领导的35人研究小组也推出了一款超级汽车“美洲之鹰”。 提出问题:超音速汽车的速度为什么能够超过音速 它是怎样获得机械能的 引入新课:今天我们一起学习热机的工作原理。 观察超音速汽车图片,思考并回答问题,进入情境。 展示图片,在联想速度与激情的情境下,激发学生学习热机的兴趣。
【探究新知】 一、热机发展简史 1.向瓦特致敬:介绍瓦特对蒸汽机改进作出的贡献。 2.展示蒸汽机车图片,让学生说一说蒸汽机的弊端。 学生讨论回答:笨重、体积巨大,只能用于大型机器;不够环保。 3.展示内燃机车图片,让学生说一说与蒸汽机车相比,它都有哪些优点。 学生讨论回答:轻巧;相对环保。 二、热机 1.热机的原理 实验演示: 小组讨论:实验中能量转化的情况。 分析总结:燃料燃烧时化学能转化为内能,传给水和水蒸气;水蒸气把塞子冲出去,水蒸气的内能转化为塞子的机械能。 探究归纳: ①利用内能做功的机械,叫作热机。 ②热机的工作原理:燃料的化学能内能机械能。 2.热机的种类 迄今为止,已经出现的热机有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。 3.内燃机及其分类 (1)定义:燃料直接在发动机气缸内燃烧产生动力的热机,叫作内燃机。 (2)根据所使用燃料的不同,内燃机可以分为汽油机和柴油机两大类。展示摩托车和重型卡车的图片。 了解瓦特,感受那个时代的激情。 讨论,说出实验中能量的转化情况。 思考、交流 使学生认识到在享受科技发展给生活带来的巨大变化的同时,更要尊重科学,敬仰推动科技发展的人。这样学生才会向往“将来成为他们那样的人”。 用课本中的实验,简洁、直观地阐述热机的工作原理。 了解热机的种类。
[拓展延伸] 内能的利用主要体现在两个方面:一是利用内能直接对物体加热;二是利用内能做功。利用内能加热物体实质是内能转移的过程,利用内能做功实质是内能转化成其他形式能的过程。 [过渡语] 汽油机的工作原理与刚才所做实验的原理差不多,下面我们来分析一下汽油机的工作过程。 三、汽油机 1.汽油机的构造 展示图片或播放视频文件: 归纳:汽油机由气缸、火花塞、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆等构成。 2.汽油机的工作过程 利用汽油机模型教具演示(或播放视频文件),并让学生观察分析。 探究归纳:①活塞在气缸中往复运动时,从气缸的一端运动到另一端的过程,叫作一个冲程。 ②四个冲程:吸气、压缩、做功、排气。 ③每个冲程的工作特点。 判断汽油机工作过程的技巧 冲程进气门排气门活塞运动方向能量转化吸气冲程开关向下无压缩冲程关关向上机械能→内能做功冲程关关向下内能→机械能排气冲程关开向上无
3.汽油机的应用 展示图片: 观察、思考、交流 观察、思考 阅读、思考,尝试描述汽油机的工作过程。 了解不同种类内燃机的大致用途。 认清各部分结构的名称。 通过图片和辅助动画,学生能大致了解汽油机的工作过程。让学生解说,既是对阅读效果的考查,又能培养学生的语言表达能力。
四、柴油机 1.认识柴油机并了解其构造。 过渡语:汽油机轻巧灵便,但“力气”较小,有没有更“有劲”的发动机呢 展示图片,让学生观察柴油机的构造。 阅读教材P27最后两个自然段。 探究归纳: ①柴油机由气缸、喷油嘴、进气门、排气门、活塞、曲轴、连杆等构成。 ②柴油机和汽油机在构造、工作过程上大致是相同的。 2.柴油机的应用 多媒体展示图片: 3.汽油机与柴油机的异同 过渡语:柴油机与汽油机有什么相同之处和不同之处呢 师生讨论。 归纳:(课件展示) 项目汽油机柴油机不同点顶部构造火花塞喷油嘴燃料汽油柴油吸气冲程吸入 气缸的物质汽油和空气 的混合物空气点火方式点燃式压燃式效率低高优缺点优点轻巧效率高缺点效率低笨重应用轻型汽车、摩托车轮船、火车
课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略) 学生思考、归纳、总结 倾听教师讲述汽油机与柴油机的优缺点。 通过展示图片或模型让学生了解柴油机的构造及工作原理。 对比学习可以使学生对两种内燃机的特点了解得更加清楚。
教学设计② (详见电子资源)
温馨提示:为满足广大一线教师的不同教学需求,特新增“典案二 教学设计②”,
内含多种授课方式不同的教学设计案例,word排版,可编辑加工,方便使用。
内容详见电子资源。
导学设计
学点1 热机
1.实验探究:利用内能可以做功
[做一做]如图14-2-9所示,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,观察现象。分析实验中的能量是怎样转化的
图14-2-9
观察到的现象有:① 橡胶塞冲出 ;②试管口附近出现 “白雾” 。
[分析归纳]①酒精燃烧放出热量,酒精的 化学 能转化为水的 内 能;
②水吸热沸腾,产生大量水蒸气,气体膨胀对橡胶塞做功,气体的 内 能转化为橡胶塞的 机械 能。
③结论:利用内能可以 做功 。
2.热机
(1)热机:各种利用 内 能做功的机械叫作热机。
(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:蒸汽机、 内燃机 、汽轮机、喷气发动机等。
(4)常见热机——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。
②分类: 汽油 机和 柴油 机。
学点2 汽油机
1.工作原理:利用汽油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。
2.汽油机的构造:由气缸、 火花塞 、 进气门 、 排气门 、活塞、曲轴、连杆组成。
3.工作过程
(1)冲程:汽油机在工作时,活塞从气缸的一端运动到另一端的过程,叫作一个 冲程 。
(2)四个冲程:汽油机的一个工作循环由 吸气 、 压缩 、 做功 、 排气 四个冲程组成。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。
(3)汽油机的工作过程分析
吸气冲程
活塞:向下运动
进气门:开 排气门:关 压缩冲程
活塞:向上运动
进气门:关 排气门:关
能量转化:机械能转化为内能
做功冲程
活塞:向下运动
进气门:关 排气门:关
能量转化:内能转化为机械能 排气冲程
活塞:向上运动
进气门:关 排气门:开
(4)汽油机一个工作循环情况总结
汽油机的一个工作循环是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的,在一个工作循环中,活塞往复运动 两 次,曲轴转动 两 周,对外做功 一 次。
学点3 柴油机
1.工作原理:利用柴油在气缸内燃烧产生高温高压的燃气来推动活塞做功。
2.柴油机的构造:与汽油机的大致相同,不同的是柴油机气缸顶部没有火花塞而是一个 喷油嘴 。
3.工作过程
(1)柴油机的工作过程与汽油机大致相同,也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程构成一个工作循环,在一个工作循环中,活塞往复运动两次,曲轴转动两周,对外做功一次。
(2)柴油机和汽油机构造及工作过程的不同点:
①汽油机气缸顶部有 火花塞 ,在压缩冲程末,火花塞产生电火花,使燃料燃烧,产生高温高压的气体(俗称“ 点燃 式”);柴油机气缸顶部没有火花塞,只有 喷油嘴 ,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(俗称“ 压燃 式”)。
②汽油机吸气冲程吸入 空气和汽油 的混合物;柴油机吸入气缸内的物质只有 空气 。
4.汽油机和柴油机的不同点
项目 汽油机 柴油机
特殊构造 气缸顶部是火花塞 气缸顶部是喷油嘴
一 个 工 作 循 环 吸气冲程 吸入物质: 汽油和空气的混合物 吸入物质: 空气
压缩冲程 压缩程度较小,能量转化过程: 机械 能→ 内 能 压缩程度大,能量转化过程: 机械 能→ 内 能
做功冲程 点燃式,能量转化过程: 内 能→ 机械 能 压燃式,能量转化过程: 内 能→ 机械 能
排气冲程 排出废气 排出废气
主要特点 轻巧、效率较低 笨重、效率较高
适用范围 小汽车、小型农业机械、飞机等 载重汽车、拖拉机、火车、轮船等
5.汽油机与柴油机的优缺点
①汽油机转速高,结构简单,质量轻,造价低廉,运转平稳,使用维修方便。汽油机在摩托车、汽车特别是小型汽车上大量使用。
②柴油机比较笨重,主要用于载重汽车、拖拉机、火车和轮船上。
③柴油发动机与汽油发动机相比,热效率高。因此从节约能源、降低燃料成本角度上讲,柴油发动机在小汽车上的推广使用具有更重大的意义。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
