人教版九年级物理上册第十四章内能的利用

第十四章 内能的利用 第1节 热机 l 1.通过观察、分析内能转化为机械能的实验，知道热机的概 念，初步了解其工作原理。 l 2.借助于模型、挂图和动画视频，了解汽油机和柴油机的构 造和工作过程。 l 3.通过了解汽油机和柴油机的构造和工作过程，利用对比的 方法来认识这两种内燃机的异同点。 l 4.通过阅读“现代汽车”，了解内能的利用对人类社会发展 的重要意义。 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？ 思考 一、热机 【实验目的】探讨不同能量间的形式转化 【猜想与假设】水沸腾后，木塞会被冲起来 【实验器材】酒精灯、试管、木塞等 【实验步骤】1.放置好实验器材 2.将试管中的水烧至沸腾，然后观察木塞的变化 点击画面 播放动画 新课讲解 【实验结论】 水沸腾后产生水蒸气，然后木塞被推出。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。酒精燃烧时，燃料的化学能转化为内能，内能以热传递的方式 传给水和水蒸气；水蒸气对活塞做功，水蒸气的内能转化成活塞的机械 能，从而使活塞获得了动力。 归 纳 物理上把这种能够将内能转化为机械能的机器统称为热机。 热机的作用 燃料的化学能通过燃烧转 化为内能，又通过做功， 把内能转变成机械能。从 而使机械获得动力。 如图所示，在试管内装些水，用橡皮塞塞住，用酒精灯加热 一段时间后，会观察到的现象有：①_______________________ ______________；②____________________.实验中的能量转化 过程为：①酒精燃烧放出热量，酒精的______能转化为水的 ______能；②水吸热沸腾，产生大量水蒸气，气体膨胀对瓶 塞做功，气体的______能转化为瓶塞的_______能. 瓶塞被冲出来（向 上跳起来） 管口附近出现白雾 化学 内 机械内 例 典例分析 蒸汽机 内燃机 汽轮机 蒸气机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等 1.认识热机 汽油机 柴油机 使用汽油作为燃 料的叫汽油机。 使用柴油作为燃 料的叫柴油机。播放视频 2.热机的种类 1.汽油机的构造 火花塞 气缸 进气 门 活塞 连杆 排气门 曲轴 二、汽油机 播放视频 1、一个冲程： 2、一个工作循环： 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。 把这四个冲程称为发动机的一个工作循环。 2.汽油机的工作原理 3.汽油机工作循环 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 播放视频 进气门打开，排气门关闭， 活塞由上端向下运动，汽油 和空气组成的燃料混合物从 进气门吸入气缸。 吸 气 冲 程 3.汽油机工作循环 进气门和排气门 都关闭，活塞向 上运动，燃料混 合物被压缩，压 强增大，温度升 高。 压 缩 冲 程 3.汽油机工作循环 在压缩冲程未尾， 火花塞产生电火花， 使燃料猛烈燃烧， 产生高温高压的燃 气。高温高压燃气 推动活塞向下运动， 并通过连杆带动曲 轴转动。 做 功 冲 程 3.汽油机工作循环 进气门关闭， 排气门打开， 活塞向上运动， 把废气排出气 缸。 排 气 冲 程 3.汽油机工作循环 4.汽油机工作循环小结 A.吸气冲程：吸进汽油与空气的混合物。 B.压缩冲程：燃料混合气体被压缩，温度升高、压强增大。〔此冲程将机 械能转化为内能〕 C.做功冲程：(1)点火方式：点燃式 (2)原理：混合气体猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，燃气推 动活塞对外做功。 〔此冲程将内能转化为机械能〕 D.排气冲程：排出废气，为下一个工作循环做准备。 ⑴在四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其 它三个冲程称 为辅助冲程，要靠飞轮的惯性来完成，所以汽油机在开始工 作时要靠外力带动。 ⑵把四个冲程称为一个工作循环。 ⑶一个工作循环活塞往复两次，曲轴转动两转，对外做一次功， 飞轮转动两圈。 5.汽油机工作循环的理解 如图所示是内燃机工作循环中的一个冲程，它是（ ） A.压缩冲程，将化学能转化成内能 B.压缩冲程，将机械能转化成内能 C.做功冲程，将内能转化成机械能 D.做功冲程，将机械能转化成内能 解析：判断内燃机工作过程属于哪一个冲程，需分 两步：一是看气门开闭状况，二是看活塞运动情况. B 具体判断方法是：一气门打开，若进气为吸气冲程，若排气为排 气冲程；两气门都关闭，活塞向上是压缩冲程，活塞向下为做功 冲程.本题是两气门都关闭，活塞向上是压缩冲程.压缩冲程是将 机械能转化为内能. 例 典例分析 1.柴油机的构造 喷油嘴 进气门 活塞 连杆 排气门 气缸 曲轴 三、柴油机 2.柴油机工作原理 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 播放视频 吸气冲程 空 气 进气门打开，排气门关闭 活塞由上端向下端运动，将空 气吸进气缸。 压缩冲程 进气门和排气门都关闭，活塞向 上运动，活塞把空气压缩得很小， 空气的压强更大，温度更高。在压 缩冲程末，缸内空气温度已超过柴 油的着火点。 做功冲程 在压缩冲程末，从喷 油嘴喷出的雾状柴油遇到 热空气立即猛烈燃烧，产 生高温高压的燃气，推动 活塞向下运动，并通过连 杆带动曲轴转动。 排气冲程 燃 烧 后 的 废 气 进气门关闭，排气门打 开，活塞向上运动，把废 气排出气缸。 3.内燃机的启动 内燃机不能自行启动。开始运转时，要靠外力使飞轮和曲轴 转动起来，由曲轴通过连杆带动活塞运动，以后内燃机才能自己 工作。 汽油机比较轻巧，常用在汽车、飞 机和小型农业机械上面。 (1)汽油机的应用 (2)柴油机的应用 柴油比较便宜，但柴油机比较笨重，主要用在载重汽车、 拖拉机、坦克上面。 四、内燃机的应用 1.物理上把这种能够将内能转化为机械能的机器统称为热机。 热机是指各种利用内能做功的机械。是将燃料的化学能转化成内能再 转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、 内燃机、喷气发动机。 2.热机的四个冲程：吸气冲程，压缩冲程，做功冲程，排气冲程。四 冲程就是两周转就是做一次功就是吸气一次就是耗1缸油。 3.热机种类很多，按工质接受燃料释放能量的方式，分为内燃机和外 燃机。内燃机和外燃机有着各自不同的构造与运作原理。 1.内燃机在做功冲程中，高温气体迅速膨胀而做功，此过程中气体的 温度、内能、压强的变化的情况是（ ） A．温度升高，内能增大，压强增大 B．温度升高，内能增大，压强减小 C．温度降低，内能减小，压强减小 D．温度降低，内能减小，压强增大 C 2.热机是把内能转化为________能的装置。图是某内燃机的构 造示意图，则该内燃机为_______（选填“汽油机”或“柴油 机”），此时为______冲程。 机械 柴油机 压缩 油机和柴油机的异同点 相同点 （1）基本构造和主要部件的作用相似。 （2）每个工件循环都经历四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气 冲程。 （3）四个冲程中，只有做功冲程对外做功，其余三个冲程靠飞轮惯性完成。 （4）一个工作冲程中，活塞往复两次，飞轮转动两周，做功一次。 不同点： （1）构造不同：汽油机气缸顶有火花塞，而柴油机气缸顶部有喷油 嘴。 （2）燃料不同：汽油机的燃料是汽油，而柴油机的燃料是柴油。 （3）吸气不同：汽油机吸进汽油和空气的混合气体，柴油机只吸进 空气。 （4）点火不同：汽油机属点燃式点火，柴油机属压燃式点火。 第十四章 内能的利用 第2节 热机的效率 l 1.从能量转化的角度认识燃料的热值。 l 2.掌握有关热值的计算。 l 3.通过能量的转化和转移，认识热机效率。 l 4.提高热机效率的方法。 人类在原始社会就知道 燃烧薪柴来取暖、烧饭。 在现代社会，人类所用 的能量很大一部分依然 是从燃料中获取的。 思考 你知道常见的燃料有哪些？它们分别属于哪一类？ 1.燃料 固体燃料 液体燃料 气体燃料 燃料可分 为三种 一、燃料及其热值 常见的燃料有木柴、煤、石油（加工炼制成汽油、煤油、柴油、 液化气等）、天然气等 燃料的燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的 化学能被释放，转变为内能。相同质量的不同燃料燃烧放出 的热量是不同的。 热值：某种燃料完全燃烧所放出的热量与其质量之比，叫作 这种燃料的热值。其符号是q。 热值单位：J/kg, (J/m3) 2.燃料的热值 能量转化 阅读：P23一些燃料的热值 你有什么收获？ 1.热值是燃料的一种特性，其大小与燃料的种类有关，与 燃料的质量、体积、是否完全燃烧无关 2.热值4.6×107 J/kg的物理意义:1千克汽油（柴油）完全 燃烧时放出的热4.6×107 J。 3.燃料的热值在数值上等于1kg（ m3 ）燃料完全燃烧时 放出的热量 。 3.燃料的热值的理解 4.热值的有关计算 （1）固体或液体燃料：Q放 = mq （2）气体燃料：Q放 = Vq Q:燃料完全燃烧时释放出的热量 q:燃料的热值 m:燃料的质量 V：燃料的体积 我们已经知道：氢的热值是1.4×108J/kg，物理意义是：1kg氢完全燃 烧时放出的热量是1.4×108J。 10kg氢完全燃烧放出的热量 知道了氢的热值是1.4×108 J/kg ，你能根据它的物理意义，计算出10 kg的氢完全燃烧放出的热量吗？ 提炼 公式 放出的热量=热值×质量 Q放=1.4×108 J/kg× 10kg =1.4×109J Q放= qm  放Qm q  放Qq m 已知无烟煤的热值为3.4×107 J/kg ，则10kg无烟煤完全燃 烧放出多少焦耳的热量？ 已知干木柴的热值为1.2×107J/kg ，则完全燃烧多少干木 柴可获得1.44×1012 J的热量？ =3.4×107 J/kg× 10kg =3.4×108J 解：需要干木柴     12 5 7 1.44 10 J 1.2 10 kg1.2 10 J / kg Qm q 解：10kg无烟煤完全燃烧放出的热量 Q放= qm 例 典例分析 思 考练习 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？ 燃料的 内能 ④燃料不能完 全燃烧 ① 散热 ②加热煤气灶壁 水吸收 的热量 ③ 加热水壶 二、热机效率 1.内燃机中的能量走向 ④燃料不能 完全燃烧 有用机械能燃料的 内能 ②克服机器的 摩擦① 散热 ③ 废气带走 废气带走 机件发热散失 机件摩擦损失 燃料燃烧产生 能量 在热机的各种能量 的损失中,废气带走 的能量最多. 设法利用热机废气的能量，是提高燃 料利用率的重要措施。做有用功燃烧不完全 1.热机中的能量走向 定义：用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧释放的能 量之比称为热机效率，即： 2.热机效率 如图表示的是汽油机的能量流向，对照此图，下列说法不 正确的是(  ) A．废气的排放所占比例最大，减少该部分能量损失是提高 热机效率的有效手段 B．冷却水能量的二次利用可以 提高能量利用率 C．该汽油机的热机效率为70% D．该汽油机的能量利用率为30% 例 典例分析 C 3.常见热机的效率 蒸汽机的效率只有 6%~15% 汽油机的效率为 20%~30% 柴油机的效率为 30%~45% 4.提高热机效率的途径 ①改善燃烧环境，使燃料尽可能完全燃烧，提高燃料的燃 烧效率。   ②尽量减小各种热散失。  ③减小各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能 量。   ④充分利用废气带走的能量，从而提高燃料的利用率。   1.常见的燃料油三种：固体、液体、气体 2..热值是燃料的一种特性，其大小只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、 是否完全燃烧无关。 （1）固体或液体燃料：Q放 = mq （2）气体燃料：Q放 = Vq 3.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称为热机效率，即： 4.提高热机效率的途径 1．对于燃料的热值，下列说法中正确的是 (   ) A．燃料的热值与燃料的种类有关，与燃料的质量和燃烧 状况无关 B．燃烧1kg某种燃料放出的热量叫这种燃料的热值 C．燃料燃烧时，质量越大，热值越大 D．燃料不完全燃烧时的热值比完全燃烧时的热值小 A 2.航天工业中的火箭是用液态氢作为燃料的，这是因为液 态氢具有（  ） A.较小的质量  B.较小的密度  C.较大的比热容  D.较大的热值 D 3．一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽缸散热损失占25％， 废气带走的能量占30％，摩擦等机械损耗占10％，则内燃机的热 机效率为__________。 35% 4.小明某次用火炉烧水时，共消耗了1.5kg的烟煤， 试计算这些烟煤完全燃烧放出多少热量？（烟煤的 热值q=2.9 ×107 J/kg ） 解： Q =mq =1.5kg × 2.9 ×107 J/kg =4.05 ×107 J 5.用天然气灶烧水，燃烧1m3的天然气，使100kg的水从 20℃升高到70℃，天然气热值3.2×107J/m3 求: （1）天然气完全燃烧放出热量 （2）水吸收的热量 （3）天然气灶的效率 解：（1）天然气完全燃烧放出热量Q放 = Vq= 1 m3 ×3.2× 107J/m3 =3.2× 107J； （2）水吸收的热量Q吸=c水m△t=4.2×103 kg /m3× 100kg × （ 70℃ - 20℃ ）=2.1 × 107J； （3）天然气灶的效率 65.63%%100J 10 × 3.2 J 10 × 2.1%100Q Q 7 7  放 吸 因为热机中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所 放出的能量的一部分，因为各种热量损失以及燃烧条件 的限制，这部分能量远远小于总能量，所以其与燃料完 全燃烧所放出的总能量的比值必然小于1，即热机效率小 于100% 为什么热机的效率达不到100% 第十四章 内能的利用 第3节 能量的转化与守恒 l 1.知道能量守恒定律。 l 2.能举出日常生活中能量守恒的实例。 l 3.有用能量守恒的观点分析物理现象的意识 自然界存在着多种形式的能量 你能说出他们的能量变化吗？思考 电能转化为机械能电风扇转动 一、能量的转化 各种形式的能量可以相互转化 电能转化为声能手摇发电机 各种形式的能量可以相互转化 机械能转化为电能喇叭发声 各种形式的能量可以相互转化 太阳能转化为化学能 植物进行 光合作用 各种形式的能量可以相互转化 自然界中能量不仅可以从一个物体转移到另一物体，而且在一定的条件下，形 式多样的能量之间还可以相互转化。 能量形式相同的叫转移， 能量形式不同的叫转化。 二、能量的转化与转移 下列说法中正确的是(   ) A．风力发电机可以将机械能转化为电能 B．太阳能电池可以将太阳能转化为电能 C．电暖器正常工作时，主要是将电能转化为机械能 D．电风扇正常工作时，主要是将电能转化为机械能 A、B、D 例 典例分析 2、减少的机械能到哪里去了？ 答:小球跟空气和地面摩擦，一部分的机械能转化为内能。 1、小球的高度逐渐降低说明了什么？ 答:说明了小球的机械能逐渐减少。 三、能量守恒定律 讨论 科学工作者经过长时间的探索，发现自然界的各种现象不是孤立的， 而是互相联系的，直到19世纪，才确立了这个自然界最普遍的定律— —能量守恒定律。 三、能量守恒定律 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种 形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体， 而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。 能量守恒定律：能量既不会凭空________，也不会凭空 ________，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一 个物体________到其他物体，而在转化和________的过程中 ，能量的总量保持不变。理解时注意以下几点：①能量既 有转化，也有__________________；②自然界的能量总量是 ______________的；③能量守恒定律是最普遍的定律之一。 消灭 产生 转移 转移 转移 保持不变 例 典例分析 根据能量守恒定律，在分析自然现象时，如果发现某种形式的能 量减少，一定能找到另一种形式的能量增加;反之，当某种形式的能 量增大时，也一定可以找到另一种形式的能量减少。所以，永动机 是不可能制成的 三、“永动机” 能量既不会凭空_______，也不会凭空______，它只会从一种形 式________为其他形式，或者从一个物体_______ 到另一个物体， 而在转化和转移的过程中，能量的总量保持________。 消灭 产生 转化 转移 不变 2.能量守恒定律 1.各种形式的能量可以相互转化 ①摩擦生热 （ → ） ②气体膨胀做功 （ → ） ③电灯发光 （ → ） ④电饭锅做饭 （ → ） ⑤用洗衣机甩干衣服（ ） ⑦手摇发电机发电 （ ） 1.分析下列各现象中能量的转化 机械能 内能 内能 机械能 电能 光能 电能 内能 电能→ 机械能 机械能→ 电能 2.在下列事例中，属于机械能转化为内能的是（ ） A.铁棒在火上烤得很热 B.汽车紧急刹车，轮胎发热 C.燃烧木材取暖 D.给电炉通电，电炉发热 C 判断题 1.煤的燃烧过程中，煤的化学能转化为内能，但能量的总量不 变。 （ ） 2.在荡秋千时，停止用力，秋千越摆越低，能量的总量也越来 越少。 （ ）× √ 永动机可以实现吗？ 能量的守恒定律告诉我们，能量在 转移和转化的过程中总量是不变的， 但方向性告诉我们有些有用的能量 会越来越少，如果不及时补充能量， 机械就会停止做功。“永动机”违 背了能量守恒定律，所以无法实现。