第十四章 内能的利用
教材解读
依据教材的编写安排可以把本章分成两部分：内能的利用、能量守恒定律。其中主要内容包括：内能在实际生活中的利用——热机的原理，并介绍了燃料的热值、能量利用的效率相关知识；从能量的角度把各种现象联系起来阐述能量守恒定律的内涵及其普遍性、重要性。本章是体现物理学科内部综合、物理与其他学科综合、自然科学与社会科学综合的典范。能量的变化与物理知识中的其他点、其他学科甚至社会问题都有着不可分割的联系。
课标要求
3.1.1 了解能量及其存在的不同形式。描述各种各样的能量和生产、生活的联系。
3.1.2 通过实验，认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。
3.3.1 从能量转化的角度认识燃料的热值。
3.3.3 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。
3.5.1 知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。培养用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
3.5.2 从能量的转化和转移的角度认识效率。
课时支配建议
第1节 热机 1课时
第2节 热机的效率 1课时
第3节 能量的转化和守恒 1课时
第1节 热机
教学目标
1.了解四冲程汽油机的基本工作原理。
2.能说出柴油机与汽油机在构造和工作过程中的不同。
3.通过能量的转化和转移认识热机的工作过程。
4.通过阅读科学世界“现代汽车”扩展学生的知识面。
教学重点
汽油机的工作原理及能的转化过程
教学难点
四冲程汽油机的基本工作原理
教学过程
一、引入课题
教师演示教材实验，引导学生观察现象，分析原因：酒精燃烧的化学能→水蒸气的内能→塞子运动的机械能。说明：这个实验，展示了人类利用内能的过程，热机就是应用之一。
二、新课讲授
1.基本概念
热机：利用内能做功的机器。
内燃机：燃料在气缸内燃烧的热机。
最常见的内燃机，以汽油或柴油为燃料，分别叫做汽油机和柴油机，我们首先介绍汽油机。
2.汽油机的构造和基本原理
（1）构造（多媒体出示模型，边指示边讲解）
进气门，排气门，火花塞，气缸，活塞，连杆，曲轴。（介绍名称的同时，介绍各部分的功能）
冲程：活塞从气缸一端运动到另一端叫做一个冲程
（2）工作原理
（边动作边讲解，并提醒学生注意观察活塞、气门、连杆、曲轴的动作情况。）
内燃机的工作过程以一个循环为一个单元，一个循环又分为四个冲程，开始工作前，活塞位于气缸上端，进、排气门均关闭。工作时，活塞由上向下运动，进气门打开，排气门仍关闭。由于缸内体积增大，压强减小，空气和汽油的混合气体被吸入气缸。这是第一个冲程
活塞运动到最下端，就开始转为向上运动。这时进气门、排气门都关闭，混合气体被强行压缩，使气体的温度升高，压强增大。这是第二个冲程。
压缩结束时虽然温度较高，但未能达到燃料的燃点。在压缩冲程结束的瞬间，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压气体，高温高压燃气推动活塞由上向下运动，通过连杆带动曲轴转动。实现了内能向机械能的转化。这是第三个冲程。
做功冲程结束，活塞继续由下向上运动，进气门关闭，排气门打开，燃烧后的废气被活塞推出缸外。这是最后一个冲程。
此后，活塞又由上向下运动，从此进入下一轮循环。
（3）能的转化
教师：汽车在开动前，是如何使内燃机起动的？学生回答后总结：通过外力先使飞轮和曲轴转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，消耗机械能来帮助内燃机完成吸气、压缩两个冲程内燃机一旦开始做功，内能就会转化成曲轴的机械能。这时曲轴获得的机械能一部分通过做功，一部分通过飞轮（与曲轴相连的质量较大的轮子）保存起来。然后依靠飞轮的惯性再反过来向外输出带动曲轴转动，靠消耗飞轮的机械能完成排气以及下一循环的吸气、压缩，这样内燃机就可连续工作下去了。
3.柴油机与汽油机的相同点和不同点
柴油机与汽油机有共同的地方，也有不同之处。
（1）柴油机与汽油机的相同点
都是内燃机，一个工作循环都要经历四个冲程。
（2）柴油机与汽油机的不同点
构造方面：柴油机没有火花塞，而在相应位置上安装的是喷油嘴。
工作过程上：吸入的气体不同。（汽油机吸入的是汽油与空气的混合物；柴油机吸入的只是空气）。
压缩情况不同（柴油机压缩冲程末，气体体积要小得多，所以比汽油机压强更大，温度更高）。
点火方式不同。（汽油机靠火花塞点火，叫做点燃式；柴油机由于压缩气体温度已超过柴油燃点，从喷油嘴喷入雾状柴油便可立即燃烧，这种方式称为压燃式）。
用途方面：柴油机比汽油机便宜，但汽油机一般比柴油机轻巧，所以汽油机通常用在飞机、小汽车、摩托车及一些小型农用机械上。而柴油机一般用在舰船、载重汽车、拖拉机、坦克以及发电机等大型设备上。
三、课堂小结
1.概念：热机 内燃机 冲程
2.汽油机的构造和工作原理。
3.柴油机与汽油机的异同。
四、反馈练习
1.汽油机的一个工作循环是排气，吸气，压缩，_______这四个冲程组成的，其中能将机械能转化为内能的冲程是_________冲程。
2.汽油机吸入气缸的物质是 （ ）
A.汽油 B.空气 C.汽油与空气混合物 D.柴油
3.克服摩擦力做功，或压缩气体做功而使物体的内能增加，这时是将_________能转化为_________能。气体膨胀对外做功使物体的内能减少，这时是将_________能转化为_________能。
五、板书设计
14.1 热机
1.基本概念：
热机 内燃机 冲程
2.汽油机的四冲程：
A．吸气冲程
B．压缩冲程（机械能转化为内能）
C．做功冲程（内能转化机械能）
D．排气冲程
3. 柴油机与汽油机的异同
课件18张PPT。第1节 热机 教学目标
1.了解四冲程汽油机的基本工作原理。
2.能说出柴油机与汽油机在构造和工作过程中的不同。
3.通过能量的转化和转移认识热机的工作过程。
4.通过阅读科学世界“现代汽车”扩展学生的知识面。重点
汽油机的工作原理及能的转化过程
教学
四冲程汽油机的基本工作原理 18 世纪第一辆汽车问世时，它的速度只有数千米每小时，而目前最快的汽车速度已经超过了声速。汽车是如何获得机械能的呢？热 机演示 如下图，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察现象。
讨论这个过程中不同形式的能量之间转化的情况。在这个实验中，燃料燃烧时产生的热量传给水和水蒸气；塞子受到水蒸气的压力而冲出去，水蒸气的内能转化为塞子的动能。
这个实验虽然简单，却基本展示了蒸汽机的工作原理。
人们发现内能可以做功，并制造了各种利用内能做功的机械——热机（heat engine）。热机的发明及广泛使用，使人类迈入了工业化社会，对人类社会的发展起到了重要的作用。热机的种类很多，例如蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等。
燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机，叫做内燃机。内燃机是现代社会中最常见的一种热机。汽车作为我们生活中不可缺少的交通工具，它的动力机械就是内燃机。下图是一种内燃机的剖面图。
内燃机分为汽油机和柴油机两大类，它们分别用汽油和柴油作为燃料。一种内燃机剖面图汽油机 下图是四冲程汽油机的剖面图。汽缸上部有进气门和排气门，顶部有火花塞，下部有活塞，活塞用连杆跟曲轴相连。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。四冲程汽油机的剖面图 要使汽油机连续工作，活塞必须能在汽缸内往复运动。活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸的一端运动到另一端的过程，叫做一个冲程。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。想想议议1. 在四个冲程中，压缩冲程和做功冲程各发生了怎样的能量转化？
2. 哪个冲程使汽车获得动力？
3. 哪个冲程排出了汽车的废气？柴油机柴油机的构造和汽油机相似，但是柴油机通过压缩空气直接点燃柴油，因此柴油机汽缸顶部没有火花塞，而有一个喷油嘴。
柴油机的工作过程也分为吸气、压缩、做功、排气四个冲程。在吸气冲程里吸进汽缸的只有空气。在压缩冲程中，活塞把空气的体积压缩得非常小，使得空气的温度很高。在压缩冲程结束时，汽缸内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便立刻燃烧起来。在做功冲程中，燃烧放出的热使得气体的压强和温度急剧升高，从而推动活塞对外做功。由于柴油机对空气的压缩程度比汽油机更高，因此在做功冲程中气体的压强也大于汽油机，因而可以输出更大的功率。 由于柴油机工作的过程中压强较大，要求各有关零件具有较高的结构强度，因此柴油机比较笨重，主要应用在载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船上，有的地方还用它带动发电机发电。随着近年来柴油机技术的发展，其体积、噪声和污染等方面的缺点都逐步得到了改善， 越来越多的汽车也开始使用柴油发动机了。汽车的动力系统动手动脑学物理从能量转化的角度看，一台四冲程内燃机在一个循环中
（1）哪个冲程存在着化学能转化为内能的过程？
（2）哪个冲程存在着内能转化为机械能的过程？
（3）哪个冲程具有很明显的机械能转化为内能的过程？参考答案
（1）做功冲程中，燃料燃烧，化学能转化为内能。
（2）做功冲程中，内能转化为机械能。
（3）压缩冲程中，机械能转化为内能。谢谢！
