第十四章 内能的利用
第1节热机
【教学目标】
1、知识与技能
●了解四冲程内燃机的基本构造和工作原理。
●知道四冲程内燃机的工作过程和能量转化情况。
●知道柴油机与汽油机在构造和工作过程中的异同点。
●了解内能的利用在人类发展史上的重要意义。
2．过程与方法
●通过演示实验使学生了解可以利用内能来做功。
●利用动画、图片或模型讲解四冲程内燃机的基本结构和工作过程。
●通过分析汽油机和柴油机的构造及工作过程的异同，学习分析和比较的研究方法。
3．情感态度与价值观
●通过演示实验养成学生观察和分析问题的能力。
●通过阅读“科学世界” ，了解现代汽车的一些常识，扩展学生的知识面，养成学生的环保意识。 ●了解这些内燃机在生产和生活中的应用，提高学生将科学技术应用于日常生活和社会的意识。
【教学重点】热机的工作原理和汽油机的工作过程
【教学难点】汽油机和柴油机的异同点和能量转化
【教学准备】
教师准备：PPT课件、flash动画（汽油机和柴油机工作过程）、试管、水、橡皮塞、酒精灯、铁架台、火柴、四冲程汽油机模型（J2255型）和柴油机模型等。
学生每组准备：四冲程汽油机模型（J2255型）、四冲程柴油机模型
【教学过程】
教 学 过 程
教学内容
教 师 活 动
学生活动
一、创设情境，激趣导入
【创设情境】同学们，汽车已经是我们现代生活中不可缺少的交通工具，18世纪第一辆汽车问世时，速度只有数千米每小时，而目前最快的汽车速度已经是声速的几倍，达到了1678千米每小时。
世界上第一辆汽车
世界上最快的汽车
你想知道汽车是如何获得这么大的机械能的吗？我们这节课要学习的知识——热机，将会揭开它神秘的面纱。
板书课题：§14.1热机
（设计意图：设置问题悬念，让学生感受热机的威力，诱发学生强烈的探索欲望，由生活走向物理。）
倾听讲述。
听讲，愉快地进入新课学习。
二、探究过程：
（一）热机
1、热机的原理
2、热机种类及发展史
3、内燃机
【演示实验】如图：在试管内装少许水，用一层红色塑料薄膜裹着棉花塞在试管中上部，利用点燃的酒精灯对封闭试管中的水加热一段时间，当水沸腾时，水蒸汽会慢慢推动塞子向试管口运动，让学生观察现象。
（提示：为节约时间，可用热水或提前加热；试管口对着空处，塞子不要塞得太紧，以防危险。）
出示问题让学生思考：
（1）看到什么现象？
（2）棉花塞被顶向管口，推动塞子的能量来自哪里？
（3）水蒸气具有的内能从何得到？
总结：在这个实验中，酒精燃烧的化学能→水和水蒸气的内能→塞子的机械能，这个实验虽然简单，我们也可以从中发现，利用内能可以做功，人们由此发明了利用内能做功的机械——热机。
（设计意图：通过图片的展示，简单的小实验，引发学生的思考，调动学习的兴趣，活跃课堂气氛。体现从生活走向物理。）
【列举实例】热机的发明和广泛使用，使人类迈入了工业化社会，热机的种类很多，它们都是把内能转化为机械能的，有蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等，你知道哪些地方用到了热机吗?
鼓励学生大胆回答，并出示图片，简单介绍热机发展过程。
蒸汽机 喷气发动机
汽轮机
（设计意图：讲述热机的发展历程，了解这些内燃机在生产和生活中的应用，提高学生将科学技术应用于日常生活和社会的意识。）
【过渡问题】在上面的演示实验中用酒精灯给试管中的水加热，由于燃料在试管外燃烧，热量损失较大，内能的利用率较低。为获得更大的动力，怎么办？哪种热机能够做到？
【认识内燃机】什么是内燃机？内燃机分为几类？
总结并展示汽油机、柴油机图片。
汽油机 柴油机
仔细观察现象。
结合看到的现象讨论交流，回答问题：
塞子慢慢向试管口运动。
水蒸气的内能转化为塞子的机械能。
酒精燃烧的化学能转化为水蒸汽的内能。
理解热机的原理：内能转化为机械能。
结合生活经验回答：飞机、火箭、汽车、摩托车、拖拉机等。
倾听老师的讲述，了解热机的分类和热机的发展过程。
思考讨论：将燃料在封闭的环境下燃烧，利用内燃机可以获得更大的动力。
回答：燃料直接在发动机汽缸内燃烧产生动力的热机叫内燃机。内燃机按照所需燃料的不同分为汽油机和柴油机两类。
（二）汽油机
1、汽油机构造
2、汽油机工作原理
【过渡】内燃机是现代社会中最常见的一种热机，目前人们生活中重要的交通工具——汽车，其动力机械多数就是汽油机，我们重点学习汽油机的工作原理。
【认识构造】展示汽油机模型，指导学生认识构造，并简要介绍其作用。
【演示冲程】转动汽油机的手柄，让学生观察活塞在汽缸内的运动情况，向学生介绍冲程：活塞在汽缸内往复运动时，从汽缸一端运动到另一端的过程叫做一个冲程。
【自学工作原理】要使汽油机连续工作，活塞必须能在汽缸内往复运动，提问：
1、四冲程汽油机的一个工作循环包括哪四个冲程?
2、这几个冲程的工作过程是怎样的？有没有能量的转化？
吸气冲程 压缩冲程
做功冲程 排气冲程
让学生自学教材，利用汽油机模型进行操作，再结合汽油机工作的flash动画，仔细观察四个冲程的工作过程，并完成下表（答案见附件1）
冲程
名称
进气门开闭情
况
排气门开闭情况
活塞
运动
方向
冲程
的作
用
能量
的转
化
吸气
冲程
压缩
冲程
做功
冲程
排气
冲程
巡视学生自学情况，提示注意观察的问题。
【归纳总结】学生展示自己的表格完成情况，教师引导学生进行评价、补充。
适时点拨：可根据汽油机活塞运动方向和进气门、排气门的开闭情况来判断汽油机的四个冲程。
【反馈练习】提出以下问题，让学生结合汽油机的工作过程回答：
在四个冲程中，哪些冲程发生了能量转化？如何转化的？
哪个冲程使汽车获得动力？其它几个冲程中活塞的运动是靠什么来完成的？四个冲程顺序能否颠倒？
③哪个冲程排出了汽车的废气？
④一个工作循环有 个冲程，曲轴（或飞轮）转 圈，活塞往复 次，做 次功。
师生交流矫正，加深对汽油机工作原理的理解。
强调：一个工作循环，“四冲二转一做功”
（设计意图：运用模型演示和学生模型操作，让学生自主学习，主动得出结论，调动了学生学习的积极性，既有利于学生对知识的理解，又培养了学生观察和分析问题的能力。）
【典例精炼】四冲程汽油机进排气门都关闭、
活塞向下运动的是_____冲程，若其转速为1800r/min，每秒钟经过 个冲程, 做功___次。
组内同学互指帮助，认识各个组成部分。
观察活塞的运动情况，理解冲程的概念。
阅读课本，操作汽油机模型，仔细观察气门的开闭情况和活塞、曲轴的工作情况，自主学习汽油机的工作过程，完成表格。
小组代表积极发言，其余同学纠正、补充别的同学的答案，最后较完整的描述出汽油机的四冲程工作过程，并知道能量的转化情况。
组内讨论交流，回答：
①压缩冲程是把内能转化为机械能；做功冲程是把机械能转化为内能。
②做功冲程使汽车获得动力，其他冲程靠飞轮的惯性完成，顺序不能颠倒。
③排气冲程排出了汽车的废气。
④四个冲程，转2周，往复2次，对外做功1次。
结合所学知识讨论回答：做功冲程；60个冲程；做功15次。
（三）柴油机
1、柴油机构造
2、柴油机工作原理
3、内燃机的应用
【过渡】柴油机也是内燃机，那么，它又是怎么工作的呢？
【认识构造】把汽油机模型和柴油机模型的构造进行对比，你有什么发现？
【工作原理】让学生阅读课本，动手操作柴油机模型，接着播放柴油机工作过程的flash动画，让学生仔细观察后思考下列问题：
（1）你能描述柴油机的工作过程吗？先让学生描述，再引导学生纠正补充。
（2）柴油机和汽油机除了在构造上的区别外，还有什么异同？请完成下表（答案见附件2）：
汽油机
柴油机
构造
不
同
点
吸气
冲程
压缩
冲程
点火
方式
效率
应用
相
同
点
【提出问题】提出以下问题让学生思考：
(1)从柴油机的工作过程，你能说出柴油机的功率为什么更大吗？
(2)汽油机轻巧但效率较低，柴油机笨重但效率较高，各有优点，它们在生活中各应用在哪些地方？
（设计意图：利用实物演示与动画模拟，对比汽油机学习柴油机，增加知识的趣味性，加深对知识的理解记忆，有效地解决了重点。）
仔细对比后回答：汽油机汽缸顶部有火花塞，而柴油机汽缸顶部有喷油嘴。
仔细阅读课本，动手操作柴油机模型，认真观看动画。
组内讨论，根据汽油机的工作过程描述柴油机的工作过程。
思考，组内交流比较两者的不同之处，然后代表展示，其余同学进一步完善，得出异同之处，完成表格。
回忆柴油机的工作过程，回答：由于柴油机对空气的压缩程度比汽油更高，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。
汽油机主要应用在汽车、飞机、摩托车等；柴油机主要应用在载重汽车、拖拉机、坦克、火车、轮船、重型机械等。
（四）科学世界：现代汽车
引导学生阅读科学世界“现代汽车”。
汽车动力系统
（设计意图：扩大学生视野，让学生了解物理知识的应用，体现了从物理到社会，同时也提高学生节约能源和保护环境的意识。）
阅读科学世界，了解现代汽车，拓展视野。
三、盘点收获
引导学生总结收获：
1、热机的原理是什么？
2、四冲程汽油机的工作过程是怎样的？
3、柴油机和汽油机有何异同点？
师生共同解决存在的问题。
学生讨论发言，梳理本节知识要点。
四、课堂检测
老师巡视、讲评反馈
完成检测题。
见附件3
五、布置作业
出示作业题
课下完成。
见附件4
【板书设计】
§14.1热机
一．热机
1．定义：利用内能做功的机械
2．热机的工作原理:把内能转化为机械能
二．汽油机
1．构造：
2．工作原理：
吸气冲程:
压缩冲程: 机械能→内能
做功冲程: 内能→机械能
排气冲程:
三．柴油机
柴油机与汽油机的异同点 【教学反思】
一、案例的“亮点”
1、对课本中的“用酒精灯给密闭在试管中的水加热”的实验进行了改进，利用红色薄塑料纸裹着棉花的塞子代替胶塞，将塞子飞出的现象改为棉花塞子在试管中慢慢向管口移动的现象，并通过引导学生对这个实验的分析，让学生深刻地理解了热机的原理，体现从生活走向物理的理念。
2、主要采用学生自主探究的方法，运用实验、实物模型展示、多媒体视频和flash动画等现代化教学手段，较形象演示四冲程内燃机的工作过程，增加感性认识，帮助学生理解知识，再配合一定数量的针对性练习，能让绝大多数学生对所学内容当堂消化和吸收。
二、教学中易出现的问题
1、汽油机和柴油机模型的操作和多媒体的使用，虽较形象地演示了活塞的运动情况和进、排气门的开闭情况，但如火花塞产生电火花、喷油嘴喷油、能量的转化等内容还不能很形象地演示，致使学生理解不透彻。
2．在观看现象时有部分同学抓不住要点的问题，有极少数学生对汽油机和柴油机的工作过程及曲轴旋转的圈数存在疑惑，应在以后的教学中注重培养这方面的能力。
附件1:汽油机的工作过程
冲程
名称
进气门开闭情况
排气门
开闭情
况
活塞运
动方向
冲程的作用
能量的转化
吸气
冲程
打开
关闭
向下
空气和汽油的混合物被吸入汽缸。
无能量转化
压缩
冲程
关闭
关闭
向上
燃料混合物被压缩，使其温度升高。在压缩冲程末，火花塞产生电火花。
机械能转化为内能
做功
冲程
关闭
关闭
向下
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，对外做功。
内能转化为机械能
排气
冲程
关闭
打开
向上
排出废气
无能量转化
附件2：比较汽油机和柴油机的异同：
汽油机
柴油机
不
同
点
构造
汽缸顶部是火花塞
汽缸顶部是喷油嘴
吸气
冲程
吸入汽油和空气的混合气体，
只吸入空气。
压缩
冲程
压缩程度较小
压缩程度较大
点火
方式
点燃式（火花塞点火）
压燃式（柴油遇到热空气而燃烧）
效率
较低
较高
应用
机体较轻，主要用于汽车、飞机、摩托车等。
机体较重，主要用于载重汽车、火车、轮船等。
相
同
点
①汽油机的火花塞和柴油机的喷油嘴的工作时刻都是在压缩冲程末。
②都是由吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程构成一个工作循环，曲轴和飞轮转两周，对外做功一次。
③排气冲程排出废气的过程相同。
附件3：课堂检测
1．单缸四冲程内燃机的四个冲程的示意图如图所示，下列关于这种内燃机一个工作循环的四个冲程的顺序排列正确的是（ ）
甲 乙 丙 丁
A．丙、丁、乙、甲 B. 丁、甲、丙、乙
C. 乙、甲、丁、丙 D. 甲、乙、丙、丁
2．下列流程如图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及到的主要能量转化情况．关于对图中①②③④的补充正确的是（ ）
A．①做功冲程，②内能转化为机械能，③压缩冲程，④机械能转化为内能
B．①压缩冲程，②内能转化为机械能，③做功冲程，④机械能转化为内能
C．①做功冲程，②机械能转化为内能，③压缩冲程，④内能转化为机械能
D．①压缩冲程，②机械能转化为内能，③做功冲程，④内能转化为机械能
3．汽油机和柴油机相比较，下列叙述中正确的是（ ）
A．柴油机吸入汽缸的是柴油和空气的混合物，汽油机吸入的是空气
B．在压缩冲程中它们的压缩程度是一样的
C．柴油机里推动活塞做功的燃气的压强比汽油机里的高
D．在压缩冲程末，汽油机汽缸内的温度比柴油机的高
4．热机是把_______能转化为_______能的机器，四冲程汽油机的一个工作循环是由 、 、 、 组成的，其中只有 是燃气对活塞做功，其它三个要靠 来完成。
5．如图所示，试管内水蒸气将塞子推出的过程，水蒸气的______ 能转化为塞子的________能。四冲程汽油机工作过程中的 冲程与上述能量转化过程相同。
6．如图所示，是某种内燃机某一冲程的示意图，由图可知：
（1）这种内燃机是 （选填“汽油机”或“柴油机”）；
（2）它在吸气冲程吸入的物质是 （选填“空气”或“汽油”或“柴油”或“空气和汽油的混合物”）
（3）图中内燃机处在 冲程；该冲程中其能量转化是把 能转化为 能
（4）若此内燃机飞轮速度为3000r/min，则每秒钟内燃气推动活塞做功______ 次，有 个冲程。
第5题图 第6题图
参考答案：1．B 2．D 3．C 4．内能 机械能 吸气冲程 压缩冲程做功冲程 排气冲程 做功冲程 飞轮的惯性 5．内能 机械能 做功冲程
6．（1）柴油机；（2）空气（3）压缩 内能 机械能（4）25 100
附件4：作业题
查阅资料，了解二冲程发动机和六冲程发动机的特点及原理。
参考答案：略
