第二节 热机的效率
【教学目标】
知识与技能
1、知道在燃烧过程中燃料的化学能转化为内能;
2、知道什么是燃料的热值和单位，会查燃料热值表.
过程与方法
1、从生活中体会不同燃料燃烧释放热的本领不同，建立热值的概念。
2、能简单计算某种燃料完全燃烧放出的热量。
3、能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向，知道什么是热机的效率。
情感态度与价值观
结合有效利用燃料的途径，使学生懂得节约和充分利用能源的重要意义.
【教学重难点】
重点是燃料热值的概念和理解，热机的效率。
难点是对热机的效率的理解。
【教学方法】
启发式教学法，自学讨论法，设疑问教学法，类比教学法。
【教学准备】或【实验准备】
课前收集的燃料的图片、多媒体课件等
【教学过程】
知识点
教师活动
学生活动
一、燃料
【创设情境，引入新课】
无论是烧菜做饭，还是奔驰的汽车与火车，乃至直入苍穹的火箭等都离不开燃料。即从原始人类学会用火的那天起，至今，人们使用的能量绝大部分还是通过燃料燃烧获得的，火的利用给人类社会带来了进步。时至今日，我们的日常生活都离不开燃料的帮助。例举一下生活中我们可以使用哪些燃料烧开一壶水？这些燃料可以如何分类？
学生结合生活讨论思考，燃料可分为哪三种
1、 燃料的分类
2、燃料燃烧放出的热量与什么因素有关？
二、燃料的热值：
1．概念：
交流总结：燃料的种类很多,固体燃料有木柴、煤等,液体燃料有汽油、柴油等,气体燃料有煤气、天然气等。
生活中的燃料很多，我们在日常生活中用来取暖和煮饭的燃料也在发生巨大的变化，木柴、煤炭、液化石油气、煤气、天然气等，为什么会出现这样的变化呢？
思考：
1、5kg的木材和10kg的木材燃烧时放出的热量是否相同？ 这说明什么？
2、根据生活经验判断相同条件下，1kg木柴和1kg煤，哪一种燃料能烧开更多的水？
3、烧开同一壶水，用干木柴和天然气所需的燃料多少一样吗？
4、5kg的木材完全燃烧和未完全燃烧时放出的热量是否相同？
小结：1、燃料燃烧放出的热量跟什么因素有关？（1）燃料的质量（2）燃料的种类
（3）燃料燃烧的状况（是否完全燃烧）
【体验探究，获取新知】
提出问题：相同条件下，1kg木柴和1kg煤，1kg煤能烧开更多的水，这说明不同的燃料燃烧放出的热量不相同，我们该怎样比较不同燃料燃烧时这种放热性能优劣？
设计意图：现象学生有生活经验，能产生共鸣。抛出矛盾，使学生有认知欲望。
类比复习：如何比较不同的物质吸热能力的不同呢？课本中引入比热容：即1kg的某种物质温度升高1℃，所吸收的热量就是这种物质的比热容。那么把所有的燃料都取1kg，让他们完全燃烧，比较它们放出的热量的多少。
定义：我们把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫作这种燃料的热值。热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。
燃料燃烧时放出的热量跟燃料的质量有关
判断出一千克煤燃烧后能烧开更多的水。
烧开同一壶水，用干木柴和天然气所需的燃料不同。
关于完全燃烧—— 就是燃料全部烧尽。
学生类比比热容的概念建立热值的概念。
符合：q
2．
热值的单位：
3.燃料燃烧的放热计算公式：
【交流解惑】
课本P23“小资料”部分，你有哪些发现？
结合生活经验，谈谈你对热值的理解。
交流总结：
（1）热值反映了燃料本身的一种特性,只与燃料的种类有关,与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均无关系。
（2）热值的单位：J／ｋｇ
（3）不同燃料的热值一般不同；不同燃料的热值有时还可能相同。
（4）氢气的热值最大。
（5）气体的热值单位：J/m3
延伸拓展：推导燃料完全燃烧放热的计算公式：
1、酒精的热值是3.0×107J/kg，它的物理意义是什么？
1kg的酒精完全燃烧放出的热量是3.0×107J
2、2kg的酒精完全燃烧放出的热量是多少焦？
2kg×3.0x107J/kg=6.0×107J
3、质量为3kg的酒精完全燃烧放出的热量是多少焦？
3kg×3.0×107J/kg=9.0×107J
4、质量为mkg的酒精完全燃烧放出的热量是多少焦？
Q = mq
其中m表示质量，单位是kg，q表示热值，单位是J/kg，Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J。
同样的原理，体积为V的某种燃料完全燃烧放出的热量是多少焦？
Q = Vq
设计意图：
热值的单位： J/kg (或J/m3)
氢气的热值最大。
小组讨论、交流，并由小组长推选代表发言
学生根据对热值的物理意义的理解推导燃料燃烧放热的计算公式。
学生小组讨论
加深对公式的理解：
1、公式计算的是燃料完全燃烧时放出的热量
2、公式中m必须用Kg为单位，V必须用m3为单位。
3、热值q
三、热机的效率
1.热效率
2、热机的效率
根据热值的物理意义，去推倒燃料燃烧放热的公式，符合学生的认知规律，学生在理解热值的基础上，很容易推导燃料燃烧的放热公式。
【练一练】
500g汽油完全燃烧时可以放出多少热量？
解：查表可知，汽油的热值q=4.6×107J/kg m=500g=0.5kg
Q=qm=4.6×107J/kg×0.5kg=2.3×107J
【想一想】
提出问题：用煤气灶烧水时，煤气能完全燃烧吗？煤气燃烧放出的热量能全部被水吸收吗？
分析讨论：煤气燃烧放出的热量：
1、煤气不能完全燃烧，损失了一部分能量
2、煤气灶本身也会吸收一部分能量
3、高温的烟气带走了一部分能量
4、还有一部分直接损失掉了
5、水吸收的热量只占煤气放出热量的一部分
所以，在烧水的过程中，被水吸收的热量与燃料完全燃烧放出能量的比值，称为热效率。
热机也有类似的情况：
在内燃机中，燃料燃烧产生的能量到哪里去了呢？
热机是将内能转化为机械能的装置，在这个情景中，真正转变为对外做有用功的能量只占燃料燃烧时所释放能量的一部分。
所以：用来做有用功的那部分能量，与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。
与燃料质量和放热的多少没有关系，它是反映燃料优劣的物理属性
学生练习
学生讨论，分析煤气燃烧放出能量的几种去向，然后个别回答。
学生通过分析
理解热效率
学生讨论，分析内燃机燃料燃烧放出能量的几种去向
3、提高热机效率的途径
理解热机的效率:
1) 热机效率是指热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所择放的能量的比值,它反映了能量的利用率,热机性能的一个重要标志.
(2) 由于热机在工作过程中,总有能量损失,所以热机的效率总小于1。
设计意图：学生在机械效率的基础上建立热效率的概念，进而建立热机的效率，可以使学生认知更有条理性，更深刻，加深对热机效率的理解。
【练一练】
某中学为学生供应开水，用锅炉将200kg的水从25 ℃加热到100 ℃ ，燃烧了6kg的无烟煤。试求
(1) 锅炉内200kg的水吸收了多少热量？
(2) 6kg无烟煤完全燃烧放出的热量是多少？
(3) 此锅炉的效率是多少？（无烟煤的热值是3.4×107J/kg
【议一议】
为了合理利用能源，人们一直都在努力提高热机的效率，汽油机的效率：20～30%，柴油机的效率：30～45%，都比蒸汽机的效率高，
那么怎样提高热机的效率？
引导学生从节能和环保角度分析有效利用燃料的方法，探讨提高热机效率的途径。
总结：
1、使燃料充分燃烧
2、尽量减少各种热量损失；
3、在热机的设计和制造上采用先进的技术；
注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的能量
设计意图：增强学生的环保意识，增强学生为提高热机效率，加强环保的责任心和使命感。也体现了从物理到生活的理念。
燃料的利用使人类得到大量内能,但同时造成环境污染,尤其是热机的使用.因此,保护环境,控制和消除大气污染是必须重视的问题,请同学们课下收集如何控制和消除大气污染。
学生通过类比分析理解热机的效率
学生通过计算加深对热效率的理解。
学生讨论有效利用燃料的方法，探讨提高热机效率的途径。
回顾本节课的探究过程。
设计意图：
知识梳理
小结不仅要总结知识，更重要的是将本节课研究问题的方法及思维程序提炼出来，学生学会这些方法并体会到它们在解决问题中的作用，从而实现教学的真正目的。
根据板书提示谈谈本节课的收获。相互补充，归纳出知识体系。
课堂检测
见附件
独立自主完成检测。小组长批改并汇总给学习委员。
布置作业
自制蒸汽轮机。
设计意图：真正的课堂在生活中，让物理知识很好在生活中得以运用。
【板书设计】
第十四章 第二节 热机的效率
(一) 燃料的热值
1、定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与燃料的质量的比值叫做这种燃料的热值。用q表示。
2、单位：J/kg（固体、液体） J/ m3（气体）
3、公式：Q＝mq（或Q＝Vq）
4、计算
（二）热机效率
1、定义：热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率。
用η表示。
2、公式：η＝W有/Q放×100％
3、提高热机效率的主要途径：
减少热机各种能量损失
【教学反思】
通过教学，使学生从生活中体会不同燃料完全燃烧释放热能的特征，建构起燃料的热值概念。依据燃料热值表中资料数据和燃料燃烧放热与燃料质量和热值的关系进行简单计算。了解热机工作时释放热量的主要流向，初步认识热机效率，大致了解提高热机效率的途径。了解热机在现代社会中的广泛应用，及造成的环保问题。
本节课热值的比值定义的建立类比了比热容的概念建立，热效率及热机的效率是在类比机械效率的基础上建立的，这种利用类比的方法建立概念，有利于学生对新概念的理解，同时也加深了对原有概念的理解和掌握。
不足：在教学过程中也暴露了很多问题，比如，学生现在大都是独生子女，生活自理能力有待提高。对于燃料的认识很少，生活经验太少。
【附件】课堂练习
1、实验表明:质量相等的不同燃料,完全燃烧所放出的热量一般是 (相同/不相同)。
2、现代火箭用液态氢作燃料，是因为它具有( )
A．较大的比热 B．较低的沸点 C．较大的热值 D．较高的凝固点
3、煤油的热值大于酒精的热值，下列说法中正确的是（ ）
A．煤油比酒精含有的热量多
B. 燃烧相同质量的煤油和酒精，煤油放出的热量要多些
C. 完全燃烧相同质量的煤油和酒精，利用煤油刚好能烧开一壶水，那么利用酒精则不能烧开这壶水（热效率相同的条件下）
D.通风条件好，供氧越充足，两种燃料的热值就越大
4、下列说法中正确的是（ ）
A．燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多
B. 燃料的热值越小，完全燃烧单位质量的该燃料放出的热量越少
C. 燃料的热值越小，放出相等的热量时，燃料用量越少
D. 燃料燃烧的越充分，其热值就越大
5、要提高热机的效率，下列做法不可行的是（ ）
A.尽量减少废气带走的热量。
B.尽量保持机械部件之间有良好的润滑。
C.尽量减少曲轴传递给飞轮的机械能。
D.尽量减少散热损失。
6、一个含0.6 kg无烟煤的蜂窝煤，能烧开5瓶水，而0.6 kg的液化气可以供普通人家一天做饭、烧开水、洗澡用水。这样看来不同的燃料的 不同，若q无烟煤=3.4×107J/kg，5瓶水的质量是9kg，从20℃到烧开，那么这个煤炉的效率是 。（一个标准大气压下）
7、在一次某新型号的汽车测试中，让汽车在一段平直的公路上匀速行驶4.8km，受到的阻力是3.0×103N，消耗汽油1.2kg（假设汽油完全燃烧）。汽油的热值为q=4×107J/kg，求：
（1）在测试中，汽车牵引力所做的功W；
（2）该型号汽车的热机效率η。
附答案：
1、 不相同
2、 C
1、 C
2、 B
3、 C
4、 热值 14.82%
5、 （1）1.44×107 J
(2)30%
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