初中物理人教版（2024）九年级全册（2024）第3节 热机的效率导学案

这是一份初中物理人教版（2024）九年级全册（2024）第3节 热机的效率导学案，共21页。学案主要包含了变式1-1，变式1-2，变式2-1，变式2-2，变式3-1，变式3-2，变式4-1，变式4-2等内容，欢迎下载使用。
第一步：学
析教材 学知识：教材精讲精析、全方位预习
练习题 讲典例：教材习题学解题、快速掌握解题方法
练考点 强知识：5大核心考点精准练
第二步：记
串知识 识框架：思维导图助力掌握知识框架、学习目标复核内容掌握
第三步：测
过关测 稳提升：小试牛刀检测预习效果、查漏补缺快速提升
知识点1 燃料的热值
1. 燃料
（1）燃料的种类
燃料是指可燃烧的物质，根据不同标准，燃料可分为不同的种类，最常见的是按其物理状态分类。
（2）燃料燃烧时能量转化
燃料在燃烧时将化学能转化为内能，也就是我们常说的释放能量。
2. 燃料的热值
（1）定义：把某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量（或体积）之比，叫做这种燃料的热值。
（2）单位：焦耳每千克（或焦耳每立方米），符号：J/kg（或J/m3）
（3）常用燃料的热值对应表
（4）物理意义
热值在数值上等于1kg燃料完全燃烧时放出的热量。如汽油的热值为4.6×107J/kg，它表示1kg汽油完全燃烧放出的热量是4.6×107J。
热值的理解
（1）热值反应了燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领大小；
（2）不是任何物质都有热值，如石块、铁块等非燃料物质没有热值；
（3）热值是燃料本身的一种特性，它与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧等没有关系。
3. 热量的计算：
（1）只有燃料燃烧放热时，才能用Q放＝mq或Q放＝Vq进行计算，不要将其与温度降低时的放热公式
Q放=cm△t混淆；
（2）计算时，要明确燃料的种类、是否完全燃烧后有关；
知识点2 热机的效率
1. 燃料的有效利用
（1）燃料的利用率
有效利用的热量与燃料完全燃烧放出总能量的比值，叫做燃料的利用率；
计算公式：
（2）影响燃料利用率的因素
①燃料未完全燃烧；②高温烟气带走的热量；③被容器、炉具、周围的空气等吸收的热量。
（3）提高燃料利用率的途径：
①让燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉状，加大进风量等；
②减少热量损失，如加大有效受热面积等。
2. 内燃机中热量燃烧的能量流向图
3. 热机效率
（1）定义：用来做有用功的热量与燃料完全燃烧放出的热量的比值。
（2）计算公式：
对热机而言，其中用来做有用功的能量Q有用等于热机对外的有用功W有用，故热机的效率公式又可写成：。
（3）物理意义：热机的效率表示使用热机时对燃料的利用率的高低，因此热机的效率是热机性能的一个重要指标。
（4）常见热机效率：蒸汽机6%—15%，汽油机20%—30%，柴油机30%—45%。
4. 提高热机效率的主要途径
（1）改善燃烧的条件，使燃料尽可能充分燃烧（将煤磨成煤粉，用空气吹进炉膛，使之更充分燃烧）；
（2）减少各种热量损失（I. 加大受热面积，以减少烟尘废气带走的热量；II. 使用较好的保温材料，减少热损失）；
（3）在热机设计和制造上，采用先进的技术；
（4）保障良好的润滑，减少机械摩擦。
热机效率的理解
（1）热机的效率是指有用功在燃料完全燃烧释放的能量中所占的百分比，而功率是指做功的快慢。这是两个不同的物理量，两者之间不存在必然的联系。
（2）热机的效率与燃料的种类（热值大小）、燃料的质量、热机的工作时间、做功的多少均无关。因此采用热值大的燃料并不能提高热机的效率。
考点1：热值的理解
【典例1】（24-25九年级上·安徽淮北·期末）关于热现象下列说法不正确的是（ ）
A．热传递时，热量可以从内能少的物体转移给内能多的物体
B．物体的温度升高，可能是吸收了热量
C．木柴燃烧的越充分，其热值就越大
D．柴油机在吸气冲程中吸入的只是空气
【答案】C
【详解】A．热传递时，热量总是从温度高的物体转移给温度低的物体，温度高的物体不一定内能大，所以热量可以从内能少的物体转移给内能多的物体，故A正确，不符合题意；
B．物体的温度升高，可能是从外界吸收了热量，也可能是外界对物体做了功，故B正确，不符合题意；
C．热值的大小只与燃料的种类有关，与燃烧是否充分无关，故C错误，不符合题意；
D．汽油机在吸气冲程中吸入的是空气和汽油蒸汽的混合物，而柴油机在吸气冲程中吸入的只是空气，故D正确，不符合题意。
故选C。
【变式1-1】（24-25九年级上·河南安阳·期末）2024年10月30日神舟十九号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，将航天员蔡旭哲、宋令东、王浩泽送入预定轨道。长征二号F遥十九运载火箭升空时，燃料燃烧后通过做功把 能转化为机械能。火箭选用偏二甲肼为燃料，这是因为偏二甲肼具有较大的 。
【答案】 内 热值
【详解】[1]长征二号F遥十七运载火箭升空时，燃料燃烧将化学能转化为内能，然后内能再转化为火箭的机械能。
[2]运载火箭用偏二甲肼为燃料是因为它有较大的热值，完全燃烧相同质量的偏二甲肼和其它燃料相比，偏二甲肼释放的热量较多。
【点睛】本题借助火箭发射考查能量转化、热值，注重知识应用能力的考查，具有一定的综合性，但难度不大。
【变式1-2】（24-25九年级上·河北石家庄·期末）下列关于比热容和热值的说法正确的是（ ）
A．物体的质量越大，它的比热容越大
B．物质的比热容跟物体吸收或放出的热量有关
C．燃料的热值与燃料是否完全燃烧无关
D．燃烧时放出热量多的燃料热值大
【答案】C
【详解】AB．比热容是物质的一种特性；物质的比热容只跟物质的种类和状态有关，与物体质量的大小、温度高低、吸收或放出热量的多少均无关，故AB错误；
CD．热值是燃料本身的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的质量、体积、是否完全燃烧、放出热值多少均没关系，故C正确，D错误。
故选C。
考点2：热机效率的理解
【典例2】（24-25九年级上·内蒙古鄂尔多斯·期末）燃油车是现代社会中一种常见的交通工具。如图所示是某燃油车的汽油机（有四个冲程）的能量流向图。下列说法正确的是（ ）
A．汽油燃烧越充分，它的热值越大
B．汽油机的做功冲程将机械能转化为内能
C．改良发动机结构，汽油机的效率可达100%
D．由图可知该汽油机的效率小于30%
【答案】D
【详解】A．热值是燃料的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的燃烧程度无关 。所以无论汽油燃烧是否充分，其热值大小是固定不变的，故A错误；
B．汽油机的做功冲程中，是燃气膨胀对外做功，将内能转化为机械能 ，而压缩冲程才是将机械能转化为内能，故B错误；
C．由于热机在工作过程中，不可避免地存在废气带走热量、机械散热、克服摩擦做功等能量损失，所以即使改良发动机结构，也不可能让燃料完全燃烧释放的能量全部用来做有用功，汽油机的效率不可能达到 100%，故C错误；
D．由图乙可知该汽油机的效率为，故D正确。
故选D。
【变式2-1】（24-25九年级上·四川泸州·期末）热机广泛应用于现代生活，为了节约能源，各国科学家不断攻坚克难，提高热机效率，关于热机效率的说法正确的是：（ ）
A．热机做有用功越多，其效率一定越高
B．热机做有用功越快，其效率一定越高
C．热机消耗燃料越少，其效率一定越高
D．无论怎么改进热机，其效率都小于1
【答案】D
【详解】A．热机效率由有用功和燃料完全燃烧放出的能量共同决定。仅知道热机做有用功越多，若燃料完全燃烧放出的能量也很大，根据公有，其效率不一定高，故A错误；
B．热机做有用功越快，说的是热机的功率大，功率是表示做功快慢的物理量，而热机效率与做功快慢无关，故B错误；
C．热机消耗燃料越少，若做的有用功也很少，根据效率公式，其效率不一定高，因为不知道有用功和燃料完全燃烧放出能量的比例关系，故C错误；
D．在热机工作时，由于存在热量散失、克服摩擦做功等情况，燃料不可能完全燃烧，燃烧放出的能量也不能全部用来做有用功，即有用功总是小于燃料完全燃烧放出的能量，所以热机效率始终小于1，故D正确。
故选D。
【变式2-2】（24-25九年级上·河南驻马店·期末）2023年11月9日，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙型运载火箭，成功将中星6E卫星送入预定轨道，下列说法正确的是（ ）
A．火箭的发动机的效率最高可达到100%
B．使燃料燃烧更充分可以提高热机效率
C．使燃料燃烧更充分可以提高燃料的热值
D．火箭飞入太空后，太空温度很低，其内能为零
【答案】B
【详解】A．火箭的发动机属于热机的一种，其工作时存在热量损失，热机的效率不可能达到100%，故A错误；
B．使燃料燃烧更充分可放出更多热量，则有更多的能量用来做有用功，因此可以提高热机效率，故B正确；
C．热值是燃料的一种特性，只决定于燃料的种类，与质量和燃烧程度等无关，故C错误；
D．一切物体都具有内能，火箭飞入太空后，太空温度很低，但是其内能不为零，故D错误。
故选B。
考点3：热机燃料能量损耗途径
【典例3】（24-25九年级上·河北保定·期末）如图是某内燃机工作时的能量流向图，该内燃机的效率是（ ）
A．25%B．35%C．60%D．40%
【答案】D
【详解】因热机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比，所以由内燃机的能量流向图可得，内燃机的热机效率为
故D符合题意，ABC不符合题意。
故选D。
【变式3-1】（24-25九年级上·青海海东·阶段练习）汽车发动机输出功率相同时，汽油味越淡，汽车发动机效率越 （选填“高”或“低”）。一台汽车发动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%，则它的热机效率为 。
【答案】 高 35%
【详解】[1]汽车发动机输出功率相同时，汽油味越淡，汽油燃烧越充分，燃烧放出的热量越多，转化成的有用功越多，使得发动机的效率越高。
[2]一台汽车发动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%，则它的热机效率为
【变式3-2】（24-25九年级上·广东珠海·期末）九洲大道快速化改造时用到了挖掘机，其动力由柴油机提供.若完全燃烧2kg柴油能释放 J的能量，油箱中剩余柴油热值 （选填“变大”、“变小”或“不变”）。该柴油机能量流向如题图所示，则其效率为 （柴油的热值为4.3×107J/kg）。
【答案】 8.6×107 不变 36%
【详解】[1] 根据热值公式（其中为燃料完全燃烧放出的热量，为燃料的质量，为燃料的热值），则完全燃烧2kg柴油释放的能量。
[2]热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的质量、是否完全燃烧等因素无关，所以油箱中剩余柴油热值不变。
[3]由图可知，废气带走的能量，附属设备损耗的能量，传动部件损耗的能量，那么输出有用功的能量占比为，即柴油机的效率为。
考点4：热值的公式及相关计算
【典例4】（2025·重庆大渡口·一模）重庆物产丰富，资源富饶，有着全国最大的页岩气田。若完全燃烧0.014m3的页岩气（设页岩气的热值为3.0×107J/m3），能放出 J的热量；这些热量被5kg的水全部吸收，水的温度将上升 ℃。（）
【答案】 20
【详解】[1]完全燃烧0.014m3的页岩气放出的热量为
[2]水吸收的热量
根据公式可知，水的温度将上升
【变式4-1】（24-25九年级上·辽宁大连·期末）如图所示是汽油机的 冲程；若某汽车在行驶过程中完全燃烧了0.7kg的汽油，这些汽油放出的热量是 J。（q汽油=4.6×107J/kg）
【答案】 做功 3.22×107J
【详解】[1]图中的冲程两气门关闭，火花塞点火，活塞向下运动，是汽油机的做功冲程。
[2]若某汽车在行驶过程中完全燃烧了0.7kg的汽油，这些汽油放出的热量是
【变式4-2】（24-25九年级上·山东济宁·期末）某单缸四冲程汽油机飞轮转速是2400r/min，则此汽油机每秒对外做功 次。如果汽油机在某段时间内消耗了1500g汽油，这些汽油完全燃烧可释放的热量为 J（q=4.6×107J/kg）。
【答案】 20 6.9×107
【详解】[1]某单缸四冲程汽油机飞轮转速是
即此汽油机1s飞轮转动40r，飞轮转动2r对外做功1次，则此汽油机每秒对外做功20次。
[2]如果汽油机在某段时间内消耗了1500g汽油，这些汽油完全燃烧可释放的热量为
考点5：热机效率的计算
【典例5】（24-25九年级上·河北石家庄·期末）某内燃机的能量流向是，汽缸散热损失25%，废气带走的能量是30%，摩擦等机械损耗15%，则它的效率是 。若消耗2kg的汽油，则它做的有用功是 （汽油热值4.6×107J/kg）。
【答案】 30% 2.76×107J
【详解】[1]内燃机的效率是
[2]汽油完全燃烧放出的热量为
它做的有用功是
【变式5-1】（24-25九年级上·江苏南京·期末）汽车发动机选择水作为冷却液是利用水 的特性，这是通过 的方式改变发动机内能的某小型单缸四冲程汽油机，每个工作循环做功500J，曲轴的转速是300r/min，每分钟消耗汽油5g。则该汽油机的功率是 W，机械效率是 %（q汽油=4.6×107J/kg，百分号前保留一位小数）。
【答案】 比热容较大 热传递 1250 32.6%
【详解】[1]由于水比热容大，相同质量的水和其他液体相比较，在升高相同的温度的情况下，水吸收的热量多，故用水做冷却液。
[2]水吸收发电机放出的热量，内能增加，温度升高，这是通过热传递的方式改变物体内能的。
[3]单缸四冲程汽油机的一个工作循环飞轮转2圈，完成4个冲程，做功一次，因此汽油机每分钟共完成150个工作循环，对外做功150次，则汽油机工作1min做的功为W＝150×500J＝7.5×104J
该汽油机的功率为
[4]5g汽油完全燃烧释放的热量为Q放＝mq汽油＝0.005kg×4.6×107J/kg＝2.3×105J
机械效率。
【变式5-2】（24-25九年级上·四川绵阳·期末）某款环保能源汽车——氢能重卡，采用氢燃料发动机获得动力。若某次运输过程中，汽车以300kW的恒定输出功率，在水平公路上匀速直线行驶了20min，汽车发动机的效率为75%。汽车牵引力做的功为 J；若这次行驶过程中消耗的氢能由柴油来提供，至少需要完全燃烧柴油 kg（q柴油＝4.0×107J/kg）。
【答案】 3.6×108 12
【详解】[1] 汽车恒定的输出功率为P=300kW=3×105W
匀速直线行驶了20min，汽车牵引力做的功为W=Pt=3×105W×20×60s=3.6×108J
[2]汽车发动机的效率为75%，则这次行驶过程中消耗的氢能为
若这次行驶过程中消耗的氢能由柴油来提供，则需要完全燃烧柴油的质量为
考点6：比较不同燃料的热值
【典例6】（24-25九年级上·江苏南通·期末）如图所示在“比较不同燃料燃烧时放出的热量”的实验中，下列说法正确的是（ ）
A．研究方法是控制变量和转换法
B．研究对象是烧杯中被加热的液体
C．实验中还需要的器材是天平和秒表
D．相同时间内温度计示数越大，该燃料的热值一定越大
【答案】A
【详解】A．在该实验中，为了比较不同燃料燃烧放出的热量，要控制燃料的质量相同、被加热液体的种类和质量相同等，运用了控制变量法；燃料燃烧放出的热量不能直接测量，而是通过被加热液体升高的温度来体现，这运用了转换法，所以研究方法是控制变量和转换法，故A正确；
B．该实验的研究对象是不同的燃料，通过比较燃料燃烧放出热量的多少来比较燃料的情况，而不是烧杯中被加热的液体，故B错误；
C．实验中需要用天平测量燃料的质量，保证燃料质量相同，但不需要秒表，因为不是比较相同时间内的情况，而是比较燃料完全燃烧放出的热量，故C错误；
D．燃料的热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关，与相同时间内温度计示数大小无关，相同时间内温度计示数越大，只能说明在相同时间内该燃料放出的热量多，但不能说明其热值一定大，故D错误。
故选A。
【变式6-1】（24-25九年级上·江苏扬州·期末）如图所示，甲、乙、丙三图的装置完全相同，烧杯内液体的初温与质量相同，燃料的质量相同，假设燃料都完全燃烧且不考虑热量损失，液体的末温分别为、、。下列判断不正确的是（ ）
A．研究燃料热值，选择甲、乙两图，若，则燃料1的热值大
B．研究燃料热值，选择乙、丙两图，若，则燃料2的热值大
C．甲、丙两图实验中，加热时间的长短表示液体吸收热量的多少
D．选择甲、乙两图实验和甲、丙两图实验所用测量工具不同
【答案】B
【详解】AB．研究燃料热值，需改变燃料种类，控制燃料质量相同，给同种液体加热，故选择甲、乙两图，若t甲>t乙，根据Q=cmΔt以及Q=qm可知，燃料1的热值大，故A正确，不符合题意，B错误，符合题意；
C．甲、丙两图实验中，燃料种类相同，液体种类不同，可探究物质吸热能力，加热时间的长短表示液体吸 收热量的多少，应用了转换法，故C正确，不符合题意；
D．选择甲、乙两图实验，需测量液体的温度、质量，不需要测量时间，故需要温度计和天平；甲、丙两图实验，需要测量液体温度、加热时间以及液体质量，故需要温度计、停表和天平，故测量工具不同，故D正确，不符合题意。
故选B。
【变式6-2】（24-25九年级上·安徽淮北·阶段练习）某物理兴趣小组设计实验探究酒精和煤油的热值，如图所示。甲、乙两套装置完全相同，水的质量和初温、待测燃料的质量均相同。燃料全部燃烧后水的末温t甲