蘇科版

九年級(jí)上冊(cè)第十二章

機(jī)械能和內(nèi)能

四、機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化1.熟悉機(jī)械能與內(nèi)能是可以相互轉(zhuǎn)化的，并能舉例說明；2.了解熱機(jī)的概念；內(nèi)燃機(jī)的分類（按照所使用燃料的不同）；3.知道汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析汽油機(jī)的工作循環(huán)過程；4.掌握汽油機(jī)的工作循環(huán)中每個(gè)沖程的特點(diǎn)；5.比較質(zhì)量相等的不同燃料燃燒時(shí)放出的熱量；6.熱值的概念、表示、單位及其公式；7.熱值的有關(guān)計(jì)算及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)：

1.機(jī)械能與內(nèi)能是可以相互轉(zhuǎn)化的；2.汽油機(jī)的工作四個(gè)沖程的特點(diǎn)；3.熱值及其計(jì)算、應(yīng)用。

1.汽油機(jī)工作的特點(diǎn)、應(yīng)用、及求有關(guān)參數(shù)；

2.實(shí)驗(yàn)探究：比較質(zhì)量相等的不同燃料燃燒時(shí)放出的熱量；3.熱值、比熱容的綜合應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn)：重點(diǎn)難點(diǎn)汽車是現(xiàn)代生活中常用的交通工具。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心部件，為汽車提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。這個(gè)動(dòng)力從何而來？課堂導(dǎo)入如圖所示，小朋友從滑梯滑下，會(huì)感到臀部發(fā)燙；將試管中的水加熱至沸騰后，橡膠塞受到水蒸氣的壓力而沖出去。(a)滑滑梯時(shí)臀部會(huì)發(fā)燙

(b)橡膠寨被沖出

機(jī)械能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化內(nèi)能機(jī)械能轉(zhuǎn)化內(nèi)能機(jī)械能轉(zhuǎn)化這些現(xiàn)象說明機(jī)械能與內(nèi)能是可以相互轉(zhuǎn)化的。探究新知機(jī)械能內(nèi)能

轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化在前面的學(xué)習(xí)中，我們通過活動(dòng)12.6，①反復(fù)彎折鐵絲，②壓縮空氣引燃硝化紙，來探究機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程。

結(jié)

論

思

考生活中有哪些內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的例子；或哪些機(jī)械利用了內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。如圖12-29所示，在透明塑料盒的底部鉆一個(gè)孔，將電子點(diǎn)火器的放電管緊緊塞進(jìn)孔中，打開塑料盒蓋，向盒中滴入幾滴酒精，再將盒蓋蓋緊，

按動(dòng)電子點(diǎn)火器的按鈕。你觀察到什么現(xiàn)象?圖12-29點(diǎn)火爆炸注意安全，千萬不要將蓋子對(duì)著自己或他人。在上述活動(dòng)中，酒精燃燒產(chǎn)生的燃?xì)鈱?duì)外做功，燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)這一原理，可以制造出將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。酒精開始燃燒，稍后，塑料盒蓋飛出。探究新知

飛機(jī)

火箭熱機(jī)：熱機(jī)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的簡稱，它是將燃料燃燒產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。

汽車

船舶

蒸汽機(jī)探究新知內(nèi)燃機(jī)是最常見的一種熱機(jī)，按照所使用燃料的不同，內(nèi)燃機(jī)可分為汽油機(jī)、柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等。例如，汽油機(jī)和柴油機(jī)，它們分別用汽油和柴油作為燃料。現(xiàn)以汽油機(jī)為例，介紹內(nèi)燃機(jī)的工作過程；如右圖所示，汽油機(jī)主要由氣缸、活塞、火花塞、進(jìn)氣門、排氣門、曲軸和連桿組成。

汽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖探究新知進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)，燃料和空氣的混合氣體被吸入汽缸。進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，燃料混合氣體被壓縮，溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。當(dāng)活塞到達(dá)汽缸頂端時(shí)，火花塞打火，使混合氣體猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)?，推?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞向上運(yùn)動(dòng)，將廢氣排出汽缸。汽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)分為如圖所示的四個(gè)沖程示意圖。汽油機(jī)工作時(shí)，活塞在汽缸里做往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊麖钠椎囊欢诉\(yùn)動(dòng)到

另一端的過程，稱為一個(gè)沖程。

汽油機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)過程包括四個(gè)沖程，分別是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。剛剛是汽油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)（含四個(gè)沖程）的介紹，接下來是熟悉這個(gè)四個(gè)沖程的工作特點(diǎn)。以下分三步學(xué)習(xí)汽油機(jī)的四個(gè)沖程工作特點(diǎn)：①從能量轉(zhuǎn)化角度學(xué)習(xí)壓縮沖程與做功沖程；②從工作示意圖分辨四個(gè)沖程的一些方法；③回歸教材汽油機(jī)工作過程示意圖。

圖12-29點(diǎn)火爆炸進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，將混合氣體壓縮。氣缸頂端的火花塞通電點(diǎn)火，混合氣體爆發(fā)性燃燒，高溫高壓氣體向下推動(dòng)活塞做功。機(jī)械能

內(nèi)能轉(zhuǎn)化內(nèi)能機(jī)械能轉(zhuǎn)化圖12-28空氣壓縮引火儀1.看進(jìn)氣門與排氣門開關(guān)：①全關(guān)，則是壓縮沖程與做功沖程；

②一開一閉，則是吸氣沖程與排氣沖程。2.看活塞處的箭頭方向：

①箭頭向下，則是吸氣沖程與做功沖程；

②箭頭向上，則是壓縮沖程與沖程排氣。運(yùn)用以上兩點(diǎn)技巧前提是還須明白氣缸所在的位置。分辨四個(gè)沖程的兩點(diǎn)方法進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)，燃料和空氣的混合氣體被吸入汽缸。進(jìn)氣門和排氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，燃料混合氣體被壓縮，溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。當(dāng)活塞到達(dá)汽缸頂端時(shí)，火花塞打火，使混合氣體猛烈燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)?，推?dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，活塞向上運(yùn)動(dòng)，將廢氣排出汽缸。活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)

次;飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)______周；對(duì)外做功

次;汽缸內(nèi)的燃油爆發(fā)性燃燒

次。2.四沖程內(nèi)燃機(jī)一個(gè)工作循環(huán)：2111.做功沖程中，燃?xì)鈱?duì)外做功，帶動(dòng)與曲軸相連的飛輪實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。其余三個(gè)沖程是輔助沖程，活塞靠旋轉(zhuǎn)飛輪的慣性帶動(dòng)曲軸連桿運(yùn)動(dòng)。2探究新知汽油機(jī)比較輕巧，常用在汽車、小型飛機(jī)和小型農(nóng)業(yè)機(jī)械(如插秧機(jī)、

機(jī)動(dòng)噴霧器)上。在汽缸容積、轉(zhuǎn)速相等的情況下，柴油機(jī)的功率較大，

熱效率較高，因此被廣泛應(yīng)用于載重汽車、拖拉機(jī)、坦克和輪船上。小型飛機(jī)小型農(nóng)業(yè)機(jī)械汽油機(jī)載重汽車坦克輪船柴油機(jī)探究新知

17世紀(jì)末，第一臺(tái)帶活塞的蒸汽機(jī)由法國物理學(xué)家、發(fā)明家巴本制成。經(jīng)瓦特等人的改進(jìn)，蒸汽機(jī)(圖12-32)在工業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用，人類從此進(jìn)入了工業(yè)時(shí)代。但是，當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)在使用中能量損失大，效率只有5%～8%。

為了進(jìn)一步提高熱機(jī)效率，人們?cè)O(shè)法讓燃料在汽缸內(nèi)燃燒，用燃燒產(chǎn)生的氣體直接推動(dòng)活塞做功，這就是內(nèi)燃機(jī)。今天的燃油汽車、拖拉機(jī)、坦克等，都使用了內(nèi)燃機(jī)。圖12-32瓦特改良的蒸汽機(jī)熱機(jī)的發(fā)展歷史

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，人們迫切需要大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)以提高飛行器的飛行速度，因此渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(圖12-33)應(yīng)運(yùn)而生。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)使壓縮后的混合氣體在燃燒室內(nèi)燃燒，燃燒后劇烈膨脹的氣體從尾部高速噴出，其巨大的反沖推力直接成為飛機(jī)的推進(jìn)力?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)十分相似。主要的差別是，火箭自帶燃料和氧化劑，可在大氣層之外工作；渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)只攜帶燃料，利用空氣做氧化劑，因此只能在大氣層內(nèi)工作。圖12-33渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

我國在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制方面，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(圖12-34)齊頭并進(jìn)，現(xiàn)已居世界前列。2021年10月19日，我國研制的直徑為3.5m的500t級(jí)整體式固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車成功，這是目前世界上推力最大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。2022年11月5日，我國自主研制的500t級(jí)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)首次整機(jī)試車成功。這些成果標(biāo)志著我國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制水平大幅提升，將有力推動(dòng)中國航天夢(mèng)的加速實(shí)現(xiàn)。圖12-34液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意為什么有的汽車用汽油，有的汽車用柴油，還有的汽車用天然氣?也許是由于相等質(zhì)量的不同燃料燃燒時(shí)，產(chǎn)生的熱量不同。想一想，議一議做一做取質(zhì)量相等的酒精和面巾紙碎片各5g,分別放入兩個(gè)燃燒皿中，點(diǎn)燃后對(duì)裝有相等質(zhì)量的水(約30g)的試管加熱(圖12-35),使酒精和面巾紙碎片充分燃燒。記錄加熱前后兩支溫度計(jì)的示數(shù)。圖12-35不同燃料的燃燒探究新知燃料加熱前的水溫/℃燃料燃盡后的水溫/℃水溫的變化/℃酒精

面巾紙碎片

想一想質(zhì)量相等的酒精和面巾紙碎片充分燃燒后，試管中水溫的變化一樣嗎?這說明了什么?實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)量相等的不同燃料，充分燃燒所放出的熱量一般是不相等的。結(jié)論不一樣；說明了它們所放出的熱量不相等。小明利用如右圖裝置，完成以下實(shí)驗(yàn)：比較質(zhì)量相等的不同燃料燃燒放出的熱量。實(shí)驗(yàn)中液體a溫度隨時(shí)間的變化如表格所示（見下頁）。為了進(jìn)一步探究質(zhì)量相等的不同燃料燃燒放出的熱量特點(diǎn)，我們進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)注：甲、乙中液體a的質(zhì)量相等。0min/℃5min/℃10min/℃15min/℃燃料120

45

70/(燃料燃盡)燃料220

304050燃料液體a的溫度將實(shí)數(shù)表格中的數(shù)據(jù)描繪如右圖所示；且為了方便數(shù)據(jù)分析，我們將上頁的表格數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼至如左圖所示。思考質(zhì)量相等的燃料1和燃料2完全燃燒放出的熱量大小關(guān)系是什么；且二者的比值是多少？Q燃料1＞Q燃料2Q燃料1：Q燃料2=5：31.熱值：燃料完全燃燒放出的熱量與燃料的質(zhì)量之比，叫作這種燃料的熱值。燃料的熱值用q表示，單位是J/kg。Q放=mq

質(zhì)量為m的燃料，完全燃燒放出的熱量q:燃料的熱值；單位：J/kgQ：燃料完全燃燒放出的熱量；單位：Jm:燃料的質(zhì)量；單位：kg3.物理意義：熱值在數(shù)值上等于1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。比值定義法2.公式：探究新知一些燃料的熱值1.與比熱容相似，不同燃料的熱值一般不同，其大小與燃料的種類有關(guān)，與燃料的質(zhì)量（體積）、是否燃燒、是否完全燃燒無關(guān)；2.氫氣的熱值最大：氫氣熱值1.43×108J/kg。為什么發(fā)射火箭上天要用氫做燃料？因?yàn)闅涞臒嶂荡?，質(zhì)量相等的不同燃料完全燃燒，氫釋放的熱量最多，故利用氫做燃料。探究新知1.氣體燃料的熱值：對(duì)某些氣體燃料完全燃燒放出的熱量與其體積之比，叫做這種氣體燃料的熱值。4.物理意義：熱值在數(shù)值上等于在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1m3的燃料完全燃燒放出的熱量。2.公式：3.氣體燃料的單位：焦/米3，讀作“焦每立方米”；符號(hào)：J/m3。例如，氫氣的熱值又可表示為1.28×10?J/m3,

它表示在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1m3

氫氣完全燃燒，放出的熱量為1.28×10?J。探究新知燃料的熱值三點(diǎn)說明：①熱值與燃料的種類有關(guān)，反映了燃料燃燒放出熱量的本領(lǐng)大小.②只有在完全燃燒時(shí)放出的熱量與質(zhì)量之比才是這種燃料的熱值，如果用沒有完全燃燒放出的熱量計(jì)算出的熱值就比實(shí)際值小.③熱值是針對(duì)一定質(zhì)量或體積的燃料而言的，如果同種燃料的質(zhì)量或體積不同，則完全燃燒時(shí)放出的熱量大小不同.1

．熱機(jī)的發(fā)明及廣泛使用，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展起到了重要的作用，下列不屬于熱機(jī)應(yīng)用的

(

)A

．噴氣式飛機(jī)

B

．柴油拖拉機(jī)C

．純電動(dòng)汽車

D

．燃油摩托車C課堂練習(xí)2

．四沖程汽油機(jī)工作時(shí)，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的沖程是(

)A

．吸氣沖程

B

．壓縮沖程

C

．做功沖程

D

．排氣沖程C課堂練習(xí)3

．關(guān)于

的理解，下列說法中正確的是(

)A

．熱值與燃料完全燃燒放出的熱量成正比B

．若燃料燃燒不充分時(shí)，熱值將減小C

．當(dāng)燃料未燃燒時(shí)，其熱值為零D

．某種燃料的熱值大小與是否充分燃燒無關(guān)D課堂練習(xí)4．酒精的熱值是3.0

×

107J/kg，表示的物理意義是

；一瓶

500g

的酒精用掉一半，則剩下酒精的熱值是

J/kg。1kg的酒精完全燃燒放出的熱量是3.0×107J3.0×107課堂練習(xí)A

．火箭的燃料燃燒得越充分，熱值越大B

．火箭“體內(nèi)”的燃料選用液氫是因?yàn)橐簹涞馁|(zhì)量大C

．火箭“體內(nèi)”的液氫燃料溫度低至-253℃時(shí)，

內(nèi)能為零D

．火箭“體內(nèi)”的液氫燃料在燃燒過程中，質(zhì)量減少，熱值不變5

．如圖所示，2024年

4

月

25日，搭載著神舟十八號(hào)載人飛船的長征二號(hào)

F遙十八運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。下列說法正確的是(

)D課堂練習(xí)A

．燃?xì)庠趪姵龅倪^程中溫度會(huì)降低B

．燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為盒蓋的機(jī)械能C

．能量轉(zhuǎn)化方式與汽油機(jī)的做功沖程相同D

．酒精燃燒放出的熱量一定是

6000J6

．電火花發(fā)生器點(diǎn)燃塑料盒內(nèi)的酒精，酒精燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饽軐⒑猩w噴出很遠(yuǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在盒內(nèi)滴入

2×10-4kg

的酒精