/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
机械能、内能及其转化
第四节 热机
教 材 解 读 本节内容是在做功改变物体内能的基础上建立热机模型的。本节课主要介绍了两种热机的工作过程及工作原理,一种是内燃机,一种是火箭。热机的教学可以和环境保护相联系,做适当的拓展,通过学习认识到热机对文明发展进程的作用和科学技术的发展与进步对人类发展的影响,感悟在发展经济的同时,关注环境保护的重要性。本节属于应用性的知识,与航天技术密切联系。本节内容是在热机的基础上学习的,通过对火箭的学习,认识到火箭对我国航天技术发展的作用和科学技术的发展与进步对人类发展的影响。
学 习 目 标 物理观念 1.知道什么是热机,热机中的能量转化。 2.知道四冲程柴油机和汽油机的构造和工作原理。 3.了解汽油机和柴油机的工作过程和在实际生活中的应用。 4.了解火箭的工作原理,知道火箭是喷气式发动机的一种。 5.了解现代火箭的结构和特点,知道多级火箭是星际航行的运载工具。
科学思维 1.通过演示实验培养学生观察和分析问题的能力。 2.通过网络、图书馆等各种途径收集整理蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机的原理、特点和相关资料,培养收集和整理信息的能力,扩展学生的知识面。通过上网查找有关我国“长征”系列火箭的相关资料提高查阅资料、自主学习的能力。
科学探究 通过演示实验使学生了解可以利用内能来做功。交流讨论四冲程内燃机在工作过程中能量的转化。
科学态度 与责任 1.通过学习热机的应用,培养学生乐于探究机械中物理学原理的好习惯,激发学生的学习兴趣,培养学生将科学知识应用于人类的意识,进一步认识科学、技术和社会之间的关系。 2.通过了解我国古代和现代在火箭方面取得的巨大成就以及现代火箭在航天方面的广泛应用,激发学生的爱国热情和学习物理的兴趣,树立为祖国航天事业发展而奋斗学习的远大志向。 3.通过对火箭知识的学习,使学生进一步了解科学技术在认识自然界中的重要作用,养成关心社会重大问题,关注科学技术在新进展和新思想的良好习惯。
重 点 难 点 重点:汽油机的工作原理。针对本块内容,建议教师利用FLASH课件演示四冲程汽油机的工作过程,引导学生认真观察、分析和阅读,加深对汽油机工作过程的理解。 难点:汽油机和柴油机的工作原理。
教 学 建 议 汽油机和柴油机的工作过程: 利用模型和教材P22图10.4-4讲解工作过程。 第一冲程:吸气冲程中,燃气为什么会进入气缸 活塞由哪端向哪端运动 第二冲程:压缩冲程中,能量是怎样转化的 汽油机利用什么方式点火 第三冲程:做功冲程中为什么能做功 是什么能向什么能转化 第四冲程:排气冲程有什么作用 排除废气的温度如何 引导学生自学,通过填表比较汽油机和柴油机在构造、工作原理上的相同和不同之处。 师生共同总结柴油机和汽油机的相同之处。
备 课 资 料 word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 演示实验:矿泉水瓶靠下部打一笔杆大小的圆孔,在瓶内喷入酒精,用一次性水杯盖住瓶口,用手捂住瓶身片刻,将火柴点燃靠近圆孔点燃,水杯被喷出两米高左右。提问:水杯的动能从哪来 观察、思考 实验引入,激发学生兴趣。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
【新课教学】 探究点一:热机种类 根据引入直接给出:热机是将燃料燃烧产生的高、温高压气体的内能转化为机械能的机器。热机的种类很多,有内燃机(汽油机、柴油机)、汽轮机、喷气发动机。 请同学们介绍第一台蒸汽机和瓦特的生平(提前查阅资料准备),教师加以补充,进行科学家精神的渗透。 探究点二:汽油机 结合教材上的插图10.4-3,说明汽油机的主要部件名称:气缸、活塞、连杆、曲轴、进气门、排气门、火花塞。 请学生阅读教材,了解汽油机工作的四个冲程,在阅读中回答下列问题: (1)什么叫一个冲程 (2)汽油机的工作过程分为几个冲程 学生阅读后回答:活塞从一端运动到另一端为一个冲程。四冲程汽油机的工作过程由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成。 交流讨论 阅读、思考问题并讨论回答 通过资料调查整理过程锻炼学生搜集证据的能力,在交流汇报过程培养学生表达和演讲的能力,并通过科学家事迹潜移默化地影响学生。 通过问题引导学生进行阅读,提取信息。
(续表)
教师再结合动画或模型对四个冲程逐一进行演示,使学生能从动态过程理解汽油机的工作过程。 第一冲程:吸气冲程。活塞由气缸最上端向下运动,进气门打开,排气门关闭,汽油和空气的混合物从进气门被吸入气缸。当活塞运动到气缸最下端时,进气门关闭。 第二冲程:压缩冲程。进气门和排气门都关闭,活塞由最下端向上运动,燃料混合物被压缩,气缸内温度升高,气压增大,此冲程是机械能转化为内能。 第三冲程:做功冲程。在压缩冲程结束时,火花塞产生电火花,点燃燃料混合物,这种点火方式称为点燃式。燃料混合物剧烈燃烧,产生高温、高压气体,推动活塞向下运动,并通过连杆驱使曲轴转动,实现了内能向机械能的转化。 第四冲程:排气冲程。进气门关闭,排气门打开,活塞在转动的曲轴带动下由气缸最下端向上运动,把废气排出气缸,为下一个工作循环做好准备。 教师再通过提问:完成四个冲程曲轴转动了几周 对外做功几次 让学生头脑中再次回忆四个冲程的动态过程,并简单总结曲轴转两周,对外做一次功,只有做功冲程燃气对外做功,其他三个冲程都是辅助冲程,要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。 探究点三:柴油机 教师介绍一般小轿车、摩托车使用汽油机,而大型的卡车、坦克和轮船等使用的并不是汽油机,而是内燃机的另一种——柴油机。 教师提问:柴油机又是怎样工作的 请学生阅读教材,找到柴油机与汽油机构造和工作过程的不同点。 学生观看动画,并分析每个冲程的工作过程 回答问题、思考交流 学生观察、讨论、交流 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。 提高学生信息获取的能力。 运用所学解释生活现象,体会物理源于生活,应用于生活。
(续表)
引导学生回答出柴油机和汽油机在以下三个方面的区别:(1)构造上,柴油机气缸顶部有一个喷油嘴,而汽油机是一个火花塞。(2)工作过程中,柴油机在吸气冲程中吸进的是空气,而汽油机吸进的是汽油和空气的混合物。(3)点火方式上,柴油机采用的是压燃式,而汽油机采用的是点燃式。 请学生了解一般情况下柴油机的效率大于汽油机,汽轮机和喷气发动机的效率更高。同时布置课下任务:通过网络或书籍查找提高热机效率的方法。 探究点四:火箭 请同学们介绍喷气发动机和火箭发动机,了解中国火箭发射历史和中国航天事业、太空探索现状前沿(提前查阅资料准备),通过钱学森的事迹对同学们进行爱国主义教育。 课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结 通过资料调查整理过程锻炼学生搜集证据的能力,在交流汇报过程中培养学生表达和演讲的能力。
学点1 热机的概念
阅读教材P21并观察图10.4-2,回答下列问题:
问题1:热机:将燃料燃烧产生的高温、高压气体的 内 能转化为 机械能 的机器。
问题2:热机的种类: 蒸汽机 、内燃机、 汽轮机 、喷气发动机等。
问题3:常见的内燃机通过燃料在机器内部燃烧,把 内 能转化为 机械 能,通常包括 汽油机 和 柴油机 两大类。
问题4:喷气发动机的燃料在 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,从而产生很大的反冲推力推动机身向前运动。喷气发动机又分为 空气喷气发动机 和 火箭喷气发动机 两类。它们各自的特点: 空气喷气发动机只携带燃料,它需要利用外界空气来助燃,因而飞行高度受到一定的限制;火箭喷气发动机自身携带燃料和氧化剂,不需要依靠外界空气来助燃,因而飞行高度不受限制 。
学点2 汽油机
阅读教材P22内容,并观察如图10-4-6所示图片,与小组交流、讨论后回答下列问题:
图10-4-6
问题1:由汽油机的剖面图,可以得出汽油机的主要构造有进气门、排气门、 火花塞 、气缸、 活塞 、连杆、 曲轴 等。
问题2:汽油机工作时,活塞从气缸的一端运动到另一端叫作一个 冲程 ,常见的汽油机工作过程分为 吸气 冲程、 压缩 冲程、 做功 冲程、 排气 冲程。
问题3:如图10-4-7所示是汽油机的工作过程,根据其工作特点完成下列表格:
图10-4-7
冲程 进气门(开 闭情况) 排气门(开 闭情况) 活塞运 动方向 曲轴转 动角度 能量转化
吸气冲程 打开 关闭 下 180° 无能量转化
压缩冲程 关闭 关闭 上 180° 机械能转化为内能
做功冲程 关闭 关闭 下 180° 内能转化为机械能
排气冲程 关闭 打开 上 180° 无能量转化
问题4:由问题3中汽油机的工作特点可以看出,汽油机工作的四个冲程中,只有 做功 冲程燃气对外做功,其他三个冲程都是靠 飞轮的惯性 来完成的。
问题5:汽油机的一个工作循环中,活塞往复运动 2 次,对外做功 1 次,曲轴和飞轮转动 2 圈。
问题6:由汽油机工作特点进行分析,汽油机在月球上能否工作
不能工作,因为月球上是真空,不能够将汽油压入气缸内,完成吸气冲程,故其余三个冲程也无法完成 。
学点3 柴油机
图10-4-8
结合柴油机的模型,阅读教材P24内容,观察如图10-4-8所示图片,回答下列问题:
问题1:从构造上看,柴油机和汽油机的不同之处: 柴油机气缸的顶部有一个喷油嘴,汽油机气缸的顶部是一个火花塞 。
问题2:柴油机和汽油机的工作过程基本相同,有两个不同之处:
①吸气冲程中,柴油机吸入气缸中的只是 空气 ,而汽油机吸入气缸中的是 汽油和空气的混合物 ;
②做功冲程中,柴油机的点火方式是 压燃式 ,而汽油机是 点燃式 。
问题3:实际应用中,柴油机的效率 高 (选填“高”或“低”),功率 较大 (选填“较大”或“较小”),但比较笨重,一般多用在拖拉机、坦克、轮船上;汽油机比较灵巧,常用在 汽车 、 飞机 上。
学点4 火箭
阅读教材P24~P25内容,回答下列问题:
图10-4-9 图10-4-10
问题1:火箭使用的是 喷气式 发动机,燃料在燃料室内燃烧后产生 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。
问题2:如图10-4-9所示,液体燃料火箭主要由 燃料箱 、 氧化剂箱 、 输送装置 、 燃烧室 和 喷口 组成。
问题3:如图10-4-10所示是长征五号运载火箭发射时的壮观情景,火箭发射升空时,燃料通过燃烧将 化学 能转化为燃气的 内 能,燃气对火箭做功,又转化为火箭的 机械 能。现代火箭的功率巨大,不仅可以在高空飞行,而且还可以飞出大气层。多级火箭可以作为 星际航行 的运载工具。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
机械能、内能及其转化
第四节 热机
方式一 【影片导入】
师:(利用多媒体播放:火箭发射升空,)火箭的起源在中国,火箭是我国古代的重大发明,例如宋代的神火飞鸦等。现代火箭的原理与古代火箭的原理相同。工作原理都是将燃料的化学能转化为燃气的内能,燃气的内能转化为火箭的机械能。本节课我们学习将内能转化为机械能的机械——热机。引入新课。
方式二 【实验导入】
实验:如图10-4-1所示,在试管中装些水,用橡皮塞塞住,加热使水沸腾,会看到什么现象 讨论这个过程中能量转化的情况。
图10-4-1
师:用酒精灯给试管中的水加热,由于燃料在试管外燃烧,热量损失较大,内能的利用率较低。能不能把燃料移到内部去燃烧,来获得更大的动力 引入新课。
方式三 【情境导入】
多媒体展示图10-4-2中图片。
图10-4-2
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!引入新课。
1.实验改进:气体燃烧做功
[问题] ①该实验中软木塞冲出时间短,不易观察;②存在一定危险性,可能砸伤学生。
[改进方法] 将教材P12图10.2-11的实验装置做以下改进,在软木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10-4-3)。
图10-4-3
[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。
2.柴油机与汽油机的异同点
项目 汽油机 柴油机
构造 顶部有一个火花塞 顶部有一个喷油嘴
吸气冲程 吸入汽油与空气的混合气体 吸入空气
点燃方式 点燃式 压燃式
效率 低 高
应用 小型汽车、摩托车 载重汽车、大型拖拉机
[中考解读] 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以及火箭的工作原理和工作过程中能量的转化,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.内燃机工作过程及能量转化
例1 (镇江中考)图10-4-4汽油机工作的四个冲程中,做功冲程是 ( )
图10-4-4
[答案] C
[解析] 汽油机一个工作循环包括四个冲程,只有做功冲程对外做功,因此一个工作循环做功一次;
图A中的进气门打开,活塞向下运动,所以为吸气冲程;
图B中的进气门和排气门都关闭,活塞向上运动,为压缩冲程;
图C中的进气门和排气门都关闭,火花塞产生电火花,活塞下运动,为做功冲程;
图D中的排气门打开,活塞向上运动,为排气冲程。
例2 (龙东中考)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] 汽油机的做功冲程是通过气体对外做功将内能转化为机械能的;汽油机飞轮的转速为2400 r/min,即1 s内汽油机的曲轴转动40 r,一个工作循环中,曲轴转动2 r,对外做功一次,故每秒对外做功20次。
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
[解析] 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,是做功冲程,将内能转化为机械能。
[考点对接] 2.火箭的工作原理
例4 (南通中考)2024年5月,中国“嫦娥六号”任务搭载四个国际载荷成功发射升空。火箭发射时,燃料燃烧获得的能量使其加速升空,与该过程能量转化形式相同的是 ( )
A.热机做功冲程 B.钻木取火过程
C.水力发电过程 D.物体上抛过程
[答案] A
例5 (天津中考)在“航天日”主题活动中,小明用塑料瓶自制了“水火箭”(如图10-4-5所示)。发射时,“水火箭”向下喷水从而获得升空的动力,利用了物体间力的作用是 的;“水火箭”飞出后,瓶内气体温度降低,内能 (选填“增大”“减小”或“不变”)。
图10-4-5
[答案] 相互 减小
[解析] “水火箭”向下喷水从而获得升空的动力,利用了物体间力的作用是相互的;“水火箭”飞出后,瓶内气体温度降低,内能减小。
材料一——热机的发展历史
热机是指能够将热能转化为机械能的设备或装置,它的发展历史可以追溯到古代。从最早的蒸汽机到现代的内燃机和蒸汽轮机,热机的发展经历了漫长而丰富多样的过程。
1.古代热机的发展
在古代,人们对热机的认识主要是通过火的利用。最早的热机可以追溯到公元前2世纪的中国汉朝,当时的人们利用蒸汽产生的压力来驱动机械。这种机械被称为“鸟气车”,通过热能转化为机械能,实现了人力无法达到的动力。
2.工业革命时期的热机
随着工业革命的到来,热机的发展进入了一个新的阶段。18世纪末,英国工程师詹姆斯·瓦特发明了蒸汽机,这是热机发展史上的重要里程碑。瓦特的蒸汽机利用蒸汽压力推动活塞运动,将热能转化为机械能。这种蒸汽机被广泛应用于煤矿、纺织厂和铁路等领域,极大地推动了工业革命的进程。
3.内燃机的诞生
19世纪末,德国工程师尼古拉斯·奥托发明了内燃机,这是热机发展史上的又一重要里程碑。内燃机利用可燃混合物的爆炸压力推动活塞运动将内能转化为机械能。与蒸汽机相比,内燃机具有结构简单、体积小、效率高等优点,很快成了汽车、船舶和飞机等交通工具的主要动力来源。
4.蒸汽轮机的发展
与此同时,蒸汽轮机也在不断发展。蒸汽轮机是一种利用蒸汽压力推动叶轮旋转的热机。它的发明者詹姆斯·瓦特的助手约翰·普罗特在1801年改进了蒸汽轮机的设计,使其更加高效。后来,法国工程师查尔斯·阿尔弗雷德·帕尔内利在1833年发明了蒸汽轮机的多级膨胀原理,进一步提高了蒸汽轮机的效率。
5.现代热机的发展
随着科学技术的不断进步,现代热机的发展也在不断推进。燃气轮机是一种利用燃气的燃烧产生的高温高压气体推动叶轮旋转的热机。燃气轮机具有结构简单、启动快速、功率密度高等优点,广泛应用于航空、电力等领域。此外,燃料电池也是一种新型的热机,它利用化学反应产生的热能转化为电能。
6.热机对人类社会的影响
热机的发展对人类社会产生了深远的影响。首先,热机的出现极大地推动了工业革命的进程,推动了人类社会的工业化和现代化。其次,热机的应用使交通工具的速度和效率大大提高,改变了人们的出行方式,加速了信息和资源的流动。此外,热机的发展也对能源的利用和环境保护提出了新的挑战,促使人们寻求更加清洁和高效的能源替代方案。
材料二——六冲程内燃机
六冲程内燃机是一种在传统四冲程内燃机基础上进行创新的发动机。
保时捷六冲程内燃机:在传统四冲程发动机的进气、压缩、做功、排气四个冲程基础上,增加了一个额外的压缩冲程和一个膨胀做功冲程。通过在一个由两个同心圆组成的环中旋转曲轴,并交替改变旋转中心点位置,使活塞在三个曲轴转动周期内达到两个上止点与一个下止点,进而实现两次背靠背的动力输出,从而在单个循环周期内能够产生更多的动力输出。布鲁斯·克劳尔六冲程内燃机:在普通四冲程内燃机的“进气-压缩-燃烧做功-排气”四个冲程之后,第五个冲程开始的时候,把水喷进炽热的气缸里面,水马上变成高温蒸汽,体积急剧膨胀,推动活塞再次做功。到了第六个冲程,内燃机把水蒸气排放到一个冷却器,水蒸气在那里重新变成水。
优点:相比四冲程内燃机,六冲程内燃机通常有两个冲程产生动力,在相同的转速下,理论上可以输出更多的动力,部分设计的六冲程内燃机理论上可带来高达33%的额外功率。燃油效率高:保时捷的六冲程内燃机通过增加冲程,使燃料燃烧更加充分,提高了燃油利用率;布鲁斯·克劳尔发明的六冲程内燃机能比传统的四冲程内燃机效率提高40%左右,柴油机还可以再提高5%。排放降低:由于燃烧更加充分和工作过程的优化,六冲程内燃机的有害气体排放相对减少,更符合环保要求。
缺点:①结构复杂,六冲程内燃机的设计涉及复杂的齿轮曲轴装置或特殊的缸盖设计等增加了制造过程的难度和成本,导致制造成本可能较高,并且维护和修理也可能需要更多的时间和精力。②技术难题待解决,如在向气缸内喷水的六冲程内燃机中,水对气缸的腐蚀、润滑问题以及做功之后的水蒸气需要冷凝,这就需要体积重量都很大的冷凝器,加重了汽车的整备质量。
应用现状:目前,六冲程内燃机大多还处于专利申请和实验研究阶段,尚未大规模量产和商业化。保时捷与罗马尼亚克卢日-纳波卡技术大学合作开发的六冲程内燃机,以及布鲁斯·克劳尔发明的六冲程内燃机都在进行广泛的实验和理论分析。
材料三——我国航天事业的发展历程
起步阶段(1956年~1970年)
1956年,钱学森向党中央提出《建立中国国防航空工业的意见》,同年成立中华人民共和国航空工业委员会,统一领导中国的航空和火箭事业。1960年,中国自行设计制造的试验型液体燃料探空火箭首次发射成功。1970年4月24日,中国第一颗人造卫星“东方红一号”成功发射,成为世界上第五个能独立发射人造卫星的国家。
发展阶段(1970年~2000年)
1975年11月26日,中国发射了一颗返回式人造卫星,卫星按预定计划于29日返回地面,中国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。1984年4月8日,中国第一颗地球静止轨道试验通信卫星发射成功,16日,卫星成功地定点于东经一百二十五度赤道上空,标志着中国已全面掌握运载火箭技术卫星通信由试验阶段进入实用阶段。1999年11月20日,中国第一艘无人试验飞船“神舟一号”飞船在酒泉起飞,21 h后在内蒙古中部回收场成功着陆,为中国载人飞船上天打下坚实基础。
快速发展阶段(2000年~2020年)
2003年10月15日,神舟五号载人飞船升空搭载杨利伟前往太空,中国成为世界上第三个掌握载人航天技术的国家。2007年10月24日,“嫦娥一号”成功奔月,开启了中国探月工程的“绕”阶段。2011年11月3日凌晨,“神舟八号”与“天宫一号”成功实施交会对接任务,成为中国空间实验室的一部分。2013年,“嫦娥三号”搭载“玉兔号”月球车成功在月球表面软着陆,这是中国探月工程“落”阶段的重要一步。2019年1月3日,“嫦娥四号”携带“玉兔二号”月球车在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯卡门成功着陆,这是人类历史上首次航天器在月球背面软着陆和巡视勘察。2020年7月23日,天问一号发射成功开启了中国首次火星探测任务。同年11月24日,“嫦娥五号”成功发射并返回,实现了中国首次月球无人采样返回。
成熟与拓展阶段(2020年至今)
2022年6月5日,神舟十四号载人飞船发射成功,中国空间站全面建造。2024年,中国载人航天计划实施4次发射,中国空间站将迎来最大规模构型。2024年3月,“鹊桥二号”中继星成功发射,它将成为地月间的新“鹊桥”,为“嫦娥四号”“嫦娥六号”等任务提供中继通信服务。
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
