教科版九年级物理上册第二章改变世界的热机

第二章 改变世界的热机 1. 热机 热机 教学目标 1. 知识与技能 （ 1 ）理解热机的原理就是将燃料的化学能转化成内能再转化成机械能。 （ 2 ）了解历史上和现实社会中的几种热机。 教学目标 2 . 过程 与方法 （ 1 ）观察蒸汽吹动纸风车旋转的实验现象，认识燃料的化学能转化成内能再转化为机械能的过程。 （ 2 ）经历关于“能量是怎样转化的”讨论过程，了解到热机是通过做功使内能转化为机械能的。 教学目标 3. 情感态度与价值观 通 过使学生了解蒸汽机的发展历程，认识人类非凡的创造力对世界的影响。 教学重点 认 识热机的工作过程是“燃料的化学能转化成内能再转化成机械能 ”。 教学难 点 认 识热机的工作过程是“燃料的化学能转化成内能再转化成机械能”。 瓦特设计的蒸汽机 一、利用内能来做功 观 察热 机的原理：在试管里装些水，用带玻璃管的胶塞塞住，在玻璃管口处放一个用纸做成的小叶轮。加热试管使水沸腾，细心观察，会发生什么现象？ 一、 利用内能来做功 热 机的原理：燃料的化学能转化为内能，传给水，水沸腾变成水蒸气，水蒸气驱动叶轮转动。内能转化叶轮的机械能。 热机的原理 燃料的化学能 内能 燃烧 机械能 做功 热机是通过燃烧获取内能并转化为机械能的装置。 二、蒸汽机 蒸 汽机是最早的热机。 1769 年，瓦特改进、完善了蒸汽机，发明了冷凝器、蒸汽汽缸等部件，设计了连杆装置，将活塞直线运动变为圆周运动。才使蒸汽机成为动力机械。 蒸汽通过进气管，当滑块阀门移到右端时，从左进入气缸，推动活塞向右运动，通过连杆带动曲轴转动。废气从排气管排出。 讨论交流：蒸汽机是怎样工作的 三、形形色色的热机 瓦特改进了蒸汽机 三、形形色色的热机 内燃机汽车 内燃机收割机 三、形形色色的热机 柴 油机农业机械 蒸 汽轮机发电 三、 形形色色的热机 航天喷气发动机 火 箭发动机 1. 利用内能来做功 —— 减少物体内能可以做 功。 2. 热机：通过燃料燃烧获 能并转 化 能的装置。热机原理：燃料的化学能通过燃烧转化为内能，内能转化为机械能。 内 机械 3. 最早的热机 —— 。 改进了蒸汽机。 4. 形形色色的热机：最简单的轮机、内燃机、喷气发动机、火箭发动机。 蒸汽机 瓦特 学到了什么 1. 最早的热机是 ，经过英国的工程 ____________ 的改进、完善，在 18 世纪广泛应用。 蒸汽机 瓦特 达标练习 是最早的热机，热机利用 来 做功。 蒸汽机 内 能 达标练习 3. 瓦特改进、完善蒸汽机，发明了冷凝器、蒸汽汽缸等部件，设计了通过汽缸直线运动带动 圆 周运动连接装置，解决了动力的 问 题，才使蒸汽机成为带动其他机器运转的动力机器。 蒸汽机 传输 达标练习 4. 关于热机的能量转化过程，下列说法正确的 是（ ） A. 将势能转化为动能 B. 将机械能转化为化学能 C. 将内能转化为机械能 D. 主要目的是通过热传递改变物体的内能 C 达标练习 5. 以下机械属于热机的是 （ ） A ．火箭发动机 B ．柴油机 C ．滑轮组 D ．洗衣机 AB 达标练习 6. 下列说法正确的是 （ ） A. 热机的出现推动了 18 世纪的工业革命，又伴随工业革命 的 发 展而发展 B. 热机的出现解决了人们对能源的需求 C. 热机就是今天的所有机械 D. 热机是英国的物理学家瓦特和牛顿共同设计的 A 达标练习 第二章 改变世界的热机 2. 内燃机 热机的种类 蒸汽机、蒸汽轮机、内燃机 、喷 气发动机、火箭发动机等 一、什么是内燃机 汽油、柴油等燃料与空气混合 , 如果遇到火花 , 就会发生爆炸。这样的爆炸在汽缸内进行 , 会生成高温高压的燃气 , 推动活塞做功。 内燃机是燃料在汽缸内燃烧，对外做功的机器。它将内能转化为机械能。 常见的内燃机有汽油机和柴油机。 汽油机的构造 火花塞 汽 缸 进气门 活塞 连杆 排气门 曲轴 二、汽油机工作过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 冲程：活塞在往复式运动中从汽缸一端运动到另一端 吸气冲程 汽油和空气 进 气门打开，排气门关闭。活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸 入汽缸 。 压缩冲程 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。 做功冲程 在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，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 出汽缸 。 汽油机的工作过程 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 进气门 打开 关闭 关闭 关闭 排气门 关闭 关闭 关闭 打开 活塞 向下运动 向上运动 向下运动 向上运动 作用 吸入汽油与空气的混合物 机械能转化为内能 内能转化为机械能 排出废气 特征 利用惯性完成 利用惯性完成 做功完成 利用惯性完成 一个工作循环有 4 个冲程 , 飞轮转 2 周 , 对外做功 1 次 在实际应用中 , 为了增大功率和减少震动 , 常把四个或更多个汽缸组合在一起 , 它们的做功冲程是轮流进行的。 柴油机的构造 喷油嘴 进气门 活塞 连杆 排气门 汽 缸 曲轴 柴油机工作原理 吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程 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 进汽缸 。 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 出汽缸 。 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。 内燃机的应用 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。 想想议议： 汽油机和柴油机的工作过程有什么相同点，有什么不同点？ 汽油机和柴油机的比较 汽油机 柴油机 相同点 内燃机、内能转化为机械能、一个工作循环有 4 个冲程，飞轮转 2 周，做功 1 次。 不同点 构造 火花塞 喷油嘴 进气方式 汽油与空气的混合物 空 气 点火方式 点燃式 压燃式 优点 轻便 便宜、功率大 汽油机的效率： 20~30% 柴油机的效率： 30~45% 你认为它们的效率比你想象的高？还是低？ 你猜想：汽油机、柴油机的效率大约是多少？猜猜看！ 三、飞向太空 火 箭的起源在中国，火箭是我国 古代的 重大发明． 例如： 14 世纪末 , 万户精心制作了一个靠 47 支火箭作动力的装 置。宋 代的神火飞鸦 等。 探究 现代火箭 现代火箭的原理与古代火箭的原理相同。 火箭工作的能量转化：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。 多级火箭 现代火箭在很多时候使用的是多级火箭。 每一级火箭完成工作后就会被抛掉，点燃下一级火箭。 利用火箭 , 人类不仅发射了人造卫星 , 还成功地发射载人的宇宙飞 船。 “ 神舟”五号、“神舟”六号载人宇宙飞船的成功发射 , 证明了中国已迈向了“太空文明”的新时代。 1. 关于热机的叙述 , 正确的是 ( ) A. 热机是把机械能转为内能的机器 B. 热机是把内能转为机械能的机器 C. 内燃机的四个冲程都把内能转化为机械能 D. 柴油机的飞轮是为了增大它的功率 B 运用 2. 柴油机和汽油机工作过程中，其区别在哪些 冲程 _________________ 。 吸气、压缩、做功 3. 一台单缸四冲程汽油机，它的转速是 1200r/min, 则此汽油机每秒内完成 ______ 个冲程 , 做功 ___ 次。 40 10 4. 一台单缸四冲程柴油机，它的转速是 800r/min, 做功冲程工作时 , 推动活塞一次做功 1500J, 这台柴油机的功率为多少？ 解：每分钟做功的次数为： n=800/2=400 次 每分钟做的总功为： W=1500J×400=600000J 柴油机的功率为： P=W/t=600000J/60S=10000W=10kW 5. 一台单缸四冲程汽油机在做功冲程中受到的压强为 1×10 6 Pa 活塞的横截面积为 1.2×10 -2 平方米，活塞移动的距离是 0.3m, 该汽油机在做功冲程中能做功多少？ 解：燃气时活塞的作用力为： F=pS= 1×10 6 Pa× 1.2×10 -2 平方米 = 1.2×10 4 N 燃气对活塞做的功为： W=Fs= 1.2×10 4 N×0.3m= 3.6×10 3 J 第二章 改变世界的热机 3. 热机效率 热机效率 教学目标 1. 知识与技能 （ 1 ）了解热机效率概念。 （ 2 ）了解不同热机的效率值。 （ 3 ）了解热机的使用对社会的贡献和给环境带来的影响。 教学目标 2 . 过 程与方法 （ 1 ）经历“分析燃料释放的热量分配”的过程，学习简单的定量分析方法。 （ 2 ）通过与热机效率对比，进一步体会效率概念。感悟效率是评价投入、产出的基本方法。 教学目标 3. 情感态度与价值观 （ 1 ）在“分析燃料释放的热量分配”过程中，感受转化成机械能的内能只是一部分，为以后理解热学第二定律积累感性知识，以利于形成正确的科学观。 （ 2 ）感受自然科学的发展和先进技术的应用在推进人类社会发展的同时造成了环境污染，以利于理解可持续发展的内涵。 （ 3 ）认识当前人类现代化的生活对能源的依赖和能源紧缺对人类生存的挑战，认识到节约能源和开发能源才能实现可持续发展。 教学重点 建立热机效率的概念 。 教学难点 理解环境污染与热机使用的关 系。 一、热机效率 对 热机中能量转化进行研究，可以改进性能、有效利用资源、减少排放污染。 冷却水（ 30%~32% ） 摩擦与辐射（ 7%~9% ） 输 出 有 用 功 25% ~ 100% 发动机风扇（ 10% ） 变速齿轮（ 10% ） 轴（ 4% ） 克服车轮阻力（ 17% ） 克服空气阻力（ 42% ） 克服爬坡阻力（ 17% ） 汽车内燃机的能量流向 燃料释放的热量（ 100% ） 废气（ 33%~35% ） 输 出 有 用 功 25% ~30 % 100% 燃料释放的热量（ 100% ） 废气（ 33%~35% ） 冷却水（ 30%~32% ） 摩擦与辐射（ 7%~9% ） 输出有用功（ 25%~30% ） 100% 发动机风扇（ 10% ） 变速齿轮（ 10% ） 轴（ 4% ） 克服车轮阻力（ 17% ） 克服空气阻力（ 42% ） 克服爬坡阻力（ 17% ） 汽车内燃机的能量流向 定义：热机所做有用功与燃料完全燃烧释放的热量之比叫做热机效率。 公式： 热机效率是热机的重要指标。效率高，性能好。 一些热机的效率 蒸汽机 4%~8% 蒸汽轮机 25%~30% 燃汽轮机 50%~60% 汽油机 26%~40% 柴油机 34%~45% 喷气发动机 50%~60% 二、改变世界的热机 用蒸汽轮机发电的火电 站 二、改变世界的热机 几百年来，为了提高热机效率，科学家、工程师去探索、创新，技术日趋先进，应用更加广泛。各种火电站和热电站，蒸汽轮机正将煤炭、天然气和石油转化为电能；以热机为动力的汽车、飞机、轮船把世界联系在一起。 三、地球就在我们手中 2015.9.3 中国举行阅兵庆祝活动，得到世界好评。你知道北京的阅兵蓝天的美景采取了哪些措施吗？ 三、地球就在我们手中 火电站 炼钢厂 拥堵的汽车 热 机，给人类文明带来了进步，也给环境造成了污染。 热 机排出的二氧化碳引起温室效应，对地球表面热平衡有较大影响。 三、地球就在我们手中 我 们的主要交通工具 —— 汽车，是许多城市环境污染的主要来源。 排 放大量的氮氧化物、碳氧化物和铅，废气和冷却水带走总热量的 60% ，成为城市热岛效应的元凶之一。此外噪声危害身心健康的公害之一。 三、地球就在我们手中 随着科学技术的进步，人类已有能力利用绿色能源，研究和开发低能耗、少污染的高性能热机，控制和减少污染。 热机能量去向 废气散热损失能量约 60% 转化有用功约 40% 热机效率：所做有用功与燃料完全燃烧释放的能量之比。 公式： 效 率高，性能好。 蒸汽机 —— 第一次工业革命；蒸汽轮机发电；以热机为动力汽车飞机连接世界。 热机三污染：大气 —— 氮氧、碳氧化物；热污染 —— 热岛效应；噪声。 利用绿色能源 ; 开发低能耗 , 少污染热机。 学到了什么 1. 关于热机效率，下面说法正确的是 （ ） A 、热机效率可能等于 1 B 、热机效率一定小于 1 C 、热机效率越高，其损失的能量越多 D 、热机效率越高，对环境的影响越大 B 达标练习 2. 关于热机和环境保护的说法正确的是（ ） A. 热机的大量使用会造成环境污染 B. 全部热机都是用汽油做燃料 C. 汽车排出的尾气全部是无毒气体 D. 蒸汽机一定是用蒸汽做燃料 A 达标练习 3 ．为了提高热机效率，应尽可能做到（ ） A ．采用优质燃料 B ．降低热机功率 C ．减少热机的各种热损失，保持良好的润滑 D ．避免使用热机 C 达标练习 4. 甲内燃机比乙内燃机的效率高，表示（ ） A ．甲的功率比较大 B ．甲燃烧需要的燃料较少 C ．工作时间相同，甲耗油较少 D ．甲把燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的比例较大 D 达标练习 5 ．柴油机效率比汽油机效率高，是因为（ ） A ．柴油的燃烧值较大 B ．柴油机点火方式为压燃式 C ．柴油机内压缩空气的压强和温度比较高 D ．柴油机的构造所决定 C 达标练习 6 ． 大型火力发电厂里使用的热机是（ ） A ．汽油机 B ．柴油机 C ．喷气发动机 D ．蒸汽轮机或燃气轮机 D 达标练习 7 ．关于热机的效率，下列说法正确的是 （ ） A ．蒸汽机效率比内燃机高 B ．热机的功率越大，它的效率一定越高 C ．热机的效率是热机性能的重要指标 D ．热机使用的燃料热值越大，热机效率就越高 C 达标练习