/ 让教学更有效 精品试卷 | 物理学科
机械能、内能及其转化
第五节 调查燃料的利用及其对环境的影响
教 材 解 读 本节是跨学科实践的活动内容。教材将此实践活动拆分为三个任务,其中包括三个实践活动。任务一:认识常见的燃料。从燃料的定义和种类入手,由于燃料的成分不同,质量相同的不同燃料,燃烧时放出的热量是不同的,学生有这方面的生活经验,教材给出热值的概念。设计相应实践活动,教材要求学生探究相同质量的石蜡与酒精完全燃烧所放出的热量那个更多 任务二:了解燃料的利用效率。教材以学生比较熟悉的锅炉为例,分析燃料燃烧时效率不高的原因。安排了以热机为研究对象,查阅资料,了解热机的发展历程、效率情况和提高效率的途径;任务三:认识燃料的利用对环境的影响。教材结合燃料的燃烧情况介绍环保知识,通过调查报告,使学生认识到环境保护对人类发展的重要性,感悟在发展经济的同时,一定要注重环境保护。
学 习 目 标 物理观念 1.知道在燃烧过程中将燃料的化学能转化为内能。 2.知道热值的概念和单位,会查燃料热值表,并知道某种燃料热值的物理意义。 3.了解提高锅炉效率和燃料利用率的措施。
科学思维 1.通过对燃料燃烧过程能量转化的分析,提高学生的归纳能力。 2.通过对锅炉效率的分析,了解提高锅炉效率的具体措施。
科学态度 与责任 1.通过对锅炉效率的分析,了解提高锅炉效率的具体措施,提高节能意识;初步认识科学技术的发展对自然环境造成的影响,增强环保意识。 2.通过燃料燃烧放出有害物质的学习,使学生初步认识到事物都是一分为二的,培养学生初步的辩证观点,养成辩证看问题的良好习惯。
重 点 难 点 重点:热值的定义及其单位、燃料的有效利用。燃烧是生活中常见的现象,例如:取暖、做饭等,都要使用燃料,让学生思考使用不同的燃料(如木柴、煤炭、液化石油气)烧水煮饭,消耗的燃料质量相同吗 以此来理解热值,并能计算燃料燃烧放出的热量以及燃烧的效率。 难点:理解热值的物理意义。与比热容和密度对比来讲解,让学生理解热值是物质本身的一种属性,与燃料的质量和燃烧情况无关。
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教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 播放视频:习近平总书记关于“碳达峰”“碳中和”的新闻视频片段,提出为有效利用能源、有效控制和减弱能源利用对环境的影响,作为中学生的我们,能做些什么呢 过渡:我们生活中使用最多的能源是燃烧燃料获得的能源,你知道的燃料有哪些呢 哪种燃料使用更加清洁一些,怎样减小燃料对环境的污染呢 我们开始今天的学习。 观看视频 视频引入,引发思考。
【新课教学】 任务一:认识常见的燃料 1.常见燃料及分类 直接给出:我们把能够燃烧的物质叫作燃料。请说一说你知道的生活中的燃料。教师根据学生回答并引导学生分类。 固体:干木柴、煤、焦炭、垃圾等。 液体:酒精、柴油、煤油、汽油等。 气体:煤气、天然气、氢气等。 提出问题:想一想燃烧的过程中能量转化是怎样的 师生归纳明确:燃料燃烧过程能的转化是化学能转化为内能。 2.燃料的热值 出示实物:一块干木柴和一小块煤。 问题:一块干木柴、一块煤,燃烧产生的热量哪个多 燃料燃烧产生的热量多少与哪些因素有关 回答、讨论 思考问题并讨论回答 引导学生观察生活,发现问题。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
引导学生得出燃料燃烧产生的热量多少与燃料的质量和燃料的种类有关。 学生活动1:学生按照教材P29实践活动的要求以小组讨论设计实验,比较相同质量的酒精和石蜡完全燃烧放出的热量哪个多。设计出实验方案,画出实验装置草图并进行交流。 在上述讨论和实验的基础上给出热值的定义:一定质量的某种燃料完全燃烧,化学能转化为内能的量(放出的热量)与其质量的比叫作这种燃料的热值。热值的单位是 J/kg。 引导学生查看教材中的热值表。比较干木柴与木炭、酒精与汽油的热值。 教师引导学生总结:不同的物质热值一般不同。 提出问题:为什么发射火箭要用氢做燃料呢 任务二:了解燃料利用效率 提问:燃料燃烧时释放出的能量是否等于按照理论热值计算出来的热量 为什么 在问题充分讨论的基础上,介绍热机的效率和锅炉的效率。 学生活动2:调查报告展示(小组提前查阅资料准备):选择一种热机从发展历程、效率及提升、使用特点及场合、对社会发展和人类生活的影响等方面进行调查汇报。对学生汇报进行评价,并归纳提高燃料利用效率的措施。 任务三:认识燃料利用对环境的影响 学生活动3:学生展示治理大气污染和温室效应的学习成果。 调查报告展示(小组提前调查资料准备):当地燃料利用和环境保护的调查报告,学生从当地燃料种类、用量、节能减排装置措施、当地空气污染物的种类、来源和对环境的影响、减少污染的措施等方面进行汇报。 学生思考问题,小组讨论,设计实验 小组展示调查报告 实验设计是实验探究的重要环节,通过小组合作设计实验的过程提高学生合作意识,并加深对不同燃料热值的理解。 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。 运用所学解决生活问题,体会物理源于生活,应用于生活。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
师生评价总结。 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
学点1 认识常见的燃料
阅读教材P28的内容,观察图10-5-4并回答下列问题:
图10-5-4
问题1:燃料一般分为 固体 燃料、 液体 燃料和 气体 燃料。
问题2:在燃料燃烧过程中,将燃料的 化学 能转化为 内 能。
问题3:由日常生活经验我们可以获悉,燃烧质量相等的上述不同燃料,它们在燃烧程度相同时,释放出的热量 不相同 (选填“相同”或“不相同”)。为了比较燃料的这种性质,就引入了 热值 这一概念。在物理学中,把一定质量的某种燃料 完全燃烧 时化学能转化为内能的量(放出的热量)与其 质量 的比叫作这种燃料的热值,通常用符号 q 表示,单位是 J/kg 。
问题4:认真观察热值表,我们可以发现,燃料热值的单位是 J/kg ,在热值表中, 氢 的热值最大,该热值表示的物理意义是 1 kg的氢完全燃烧放出的热量是1.4×108 J 。气体燃料的热值一般用 J/m3 作为单位。
一些燃料的热值
燃料 热值/(J·kg-1) 燃料 热值/(J·kg-1)
干木柴 约1.3×107 柴 油 约4.3×107
烟 煤 约2.9×107 煤 油 约4.6×107
无烟煤 约3.4×107 汽 油 约4.6×107
焦 炭 约2.9×107 氢 约1.4×108
酒 精 3.0×107 木 炭 约3.4×107
问题5:由热值的概念,我们总结出燃料释放热量的公式是 Q=mq ,在计算过程中要注意单位的统一,其中质量的单位用 千克(kg) ,热值的单位用 J/kg ,释放热量的单位是 J 。如果是气体释放热量时,则释放热量的公式是 Q=Vq ,其中体积的单位用 m3 ,热值的单位用 J/m3 。
问题6:热值反映了所有能燃烧的物质的一种性质,反映了不同燃料在燃烧过程中,将 化学 能转化为 内 能的本领大小。它只与燃料的种类 有关 ,与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧等均 无关 。(后两空均选填“有关”或“无关”)
学点2 了解燃料的利用效率
阅读教材P29、P30内容,回答下列问题:
问题1:热机用来 做有用功 的那部分能量,与 燃料完全燃烧释放 的能量之比,叫作热机的效率,常用公式 η= 表示。燃料燃烧释放的能量流向图,如图10-5-5所示。
图10-5-5
问题2:锅炉 有效利用的 热量与 燃料完全燃烧放出 的热量之比,叫锅炉的效率。普通锅炉的效率比较低,一般只有60%左右。
问题3:提高燃料的利用率的方法:
①利用现代化工手段,将煤转化为 煤气 再进行燃烧利用,既可以提高燃料的利用率,又可以减小燃烧时产生的二氧化硫、氮氧化物等有害气体对大气的污染。
②通过技术改造改变取暖锅炉、机车、汽车等一些消耗燃料“大户”的 燃料品种 和 燃烧方式 ,可以提高燃料的利用率,减少对环境的污染。
学点3 认识燃料的利用对环境的影响
阅读教材P30、P31内容,回答下列问题:
问题: 烟尘 、 废气 是大气污染的主要来源,大气污染直接危害人体健康,影响植物的正常生长。大气中的二氧化硫和氮氧化物溶于水中发生化学变化,还会形成 酸雨 ,危害农作物、森林以及湖泊中的生物。 二氧化碳 会导致温室效应,温室效应还会导致气候异常,高温、热浪、热带风暴、龙卷风等自然灾害频发,所以我们一定要控制和减弱能源对大气的污染,保护好我们的环境。
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机械能、内能及其转化
第五节 调查燃料的利用及其对环境的影响
方式一 【情境导入】
播放视频:习近平总书记关于“碳达峰”“碳中和”的新闻视频片段,提出为有效利用能源、有效控制和减弱能源利用对环境的影响,作为中学生的我们,能做些什么呢
过渡:我们生活中使用最多的能源是燃烧燃料获得的能源,你知道的燃料有哪些呢 哪种燃料使用更加清洁一些,怎样减小燃料对环境的污染呢 带着这些问题我们开始今天的学习。引入新课。
方式二 【问题导入】
教师设疑:汽油机以汽油为燃料,柴油机以柴油为燃料,现代火箭以液态氢为燃料,你还见过哪些燃料 它们如何分类 燃料在燃烧的过程中能量是怎样转化的 汽车的数量与日俱增,汽车的噪声、汽车排出的尾气都会污染环境,那么我们应怎样保护环境呢 带着这些问题我们开始今天的学习。引入新课。
正确理解热机效率
过渡:我们使用煤烧水,燃料能否完全燃烧 燃烧释放的热量又有多少会被水吸收 普通的家用煤炉(图10-5-1)燃烧无烟煤,燃烧效率只有15%;普通燃煤锅炉,燃烧效率约为30%;现代化的锅炉,燃烧效率可达90%左右。
图10-5-1
多媒体展示:燃料的利用。
讨论:在实际利用燃料时,燃料很难完全燃烧,而且放出的内能不能被完全利用,有效利用的只是其中一部分。怎样才能提高燃料的利用率呢
引导点拨:改善燃烧的条件,使燃料尽可能充分燃烧;尽可能减少各种热量损失。
燃料的利用效率:有效利用的热量与燃料完全燃烧时放出的热量的比值。η=
过渡:热机是将内能转化为机械能的机器,它跟所有机械一样,也有效率的问题。
思考:热机并不能把燃料燃烧放出的能量全部用来做功,其中相当一部分能量散失了,散失的能量去了哪里
[中考解读] 热机效率是热机性能的重要指标,尤其在人们的环保意识越来越强、环保压力越来越大的今天,更具有重大的社会意义,所以热机效率也是中考经常涉及的高频考点,多以填空题、选择题、计算题的形式出现。
[考点对接] 1.热值的概念及理解
例1 (连云港中考)下列关于燃料的热值说法正确的是 ( )
A.燃料燃烧越充分,其热值越大
B.燃料的热值越小,完全燃烧放出的热量越少
C.一瓶酒精用去三分之一,剩余酒精的热值将减小
D.焦炭的热值是3.0×107 J/kg,完全燃烧1 kg焦炭能放出3.0×107 J的热量
[答案] D
[解析] 燃料的热值仅与燃料的种类有关,与燃料的燃烧程度无关,A错误;根据Q=mq可知,燃料完全燃烧放出的热量与热值、质量有关,B错误;一瓶酒精用去三分之一后,质量变化,热值不变,C错误;焦炭的热值是3.0×107 J/kg,完全燃烧1 kg的焦炭能放出3.0×107 J热量,D正确。
[考点对接] 2.热机效率的理解及提高方法
例2 (宿迁中考)氢能是新能源利用的新潮流,加快氢能产业发展成为实现“碳达峰、碳中和”的重要举措。如图10-5-2所示是市场上的某品牌氢能自行车,一次性充满0.02 kg氢气,2 h能匀速骑行50 km,氢能自行车与骑行者总质量为84 kg,骑行时受到的阻力为总重的0.05,氢气的热值为1.4×108 J/kg。0.02 kg氢气完全燃烧产生的热量是 J,氢气的利用效率是 。(g取10 N/kg)
图10-5-2
[答案] 2.8×106 75%
[解析] 0.02 kg氢气完全燃烧放出的热量:
Q放=qm=1.4×108 J/kg×0.02 kg=2.8×106 J。
氢能自行车骑行时受到的阻力:
f=0.05G=0.05m总g=0.05×84 kg×10 N/kg=42 N,
由二力平衡的条件可知,骑行时发动机的牵引力为F=f=42 N,
氢能自行车牵引力所做的有用功:
W=Fs=42 N×50×103 m=2.1×106 J,
氢气的利用效率:η===0.75=75%。
例3 (苏州中考)如图10-5-3所示为某折叠卡式炉,采用丁烷气体作为燃料。水壶装入体积为2 L、初温为25 ℃的水,用卡式炉加热至100 ℃,消耗了25 g丁烷气体。求:[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃),丁烷的热值为4.8×107 J/kg]
(1)壶中水的质量。
(2)水吸收的热量。
(3)卡式炉的加热效率。
图10-5-3
[答案] (1)壶中水的质量:m水=ρ水V水=1.0×103 kg/m3×2×10-3 m3=2 kg。
(2)水吸收的热量:Q水=c水m水(t-t0)=4.2×103 J/(kg·℃)×2 kg×(100 ℃-25 ℃)=6.3×105 J。
(3)丁烷气体完全燃烧放出的热量:Q丁烷=m丁烷q丁烷=2.5×10-2 kg×4.8×107 J/kg=1.2×106 J;
卡式炉的加热效率:η===0.525=52.5%。
潍柴发动机
我国高热效率柴油机研发再次实现历史性突破。2022年1月8日上午,“科技革命与产业变革”潍柴动力全球首款本体热效率51.09%柴油机发布暨国家燃料电池技术创新中心和“氢进万家”科技示范工程运行情况座谈会在济南召开。记者从现场获悉,潍柴动力柴油机本体热效率全球首次达到51.09%,再次刷新全球纪录。
100多年来,行业内都在追求高热效率,但难度非常大。5年前要说柴油机热效率达到48%是没人相信的。潍柴发动机2020年实现了热效率50.23%,就像百米赛跑进入了10 s。此次刷新纪录,难度就像百米跑要从10 s提升到9 s。从50.23%到51.09%虽然只提高了不到1%,但实际上难度非常大。51.09%热效率这一顶尖技术如果在全行业推广应用,将带来巨大的经济效益和社会效益。与市场现有主流产品(平均46%热效率柴油机)相比,51%热效率柴油机可实现油耗、二氧化碳排放分别降低10%,使我国每年可节油1600万吨,经济效益增长约1400亿元,二氧化碳排放量每年可减少5000万吨。
——详见电子资源
21世纪教育网(www.21cnjy.com)
