【本讲教育信息】

一. 教学内容：

第二章 改变世界的热机

1. 热机

2. 内燃机（上）

二. 重点、难点：

1. 知道热机工作时的能量转化

2. 了解几种热机的工作原理

3. 知道四冲程汽油机的工作原理

三. 具体内容：

（一）热机

1. 利用内能来做功

实验：如图所示，用酒精灯加热试管中的水。酒精灯燃烧时，酒精的化学能转化为内能，释放出热量。通过热传递将一部分内能从温度高的火焰传给温度低的试管和水，试管和水吸收热量温度升高，内能增加。用软木塞塞住试管口，加热使水沸腾，直到水蒸气把软木塞冲出。

加热试管中水的过程中，水的内能不断增加，温度升高直到沸腾，水剧烈汽化，产生大量的水蒸气，对软木塞的压力不断增大，最后将软木塞冲出试管口。水蒸气膨胀对软木塞做功，水蒸气的部分内能转化为塞子的机械能。

利用内能来做功是内能的另一个重要应用。

物体的内能可以对外做功，这时它的内能减少。上述实验中，水蒸气对软木塞做功，这时水蒸气的温度降低，内能减少。所以我们会发现试管口出现大量的白气。

人类历史上发现内能可以做功并制造出利用内能来做功的机器──热机。

利用内能做功的过程，是内能转化为其它形式能的过程。热机就是通过燃料燃烧获得内能并转化为机械能的机器。现代的交通工具要使用热机，现代的火电站和热电站也要靠热机把内能转化为机械能，然后再带动发电机发电。

2. 蒸汽机

蒸汽机是最早的热机，1769年瓦特改进了蒸汽机，发明了冷凝器、蒸汽汽缸等部件，设计了将活塞直线运动转化成飞轮的动力机器。

蒸汽机原理图

3. 形形色色的热机

（1）蒸汽轮机：是一种用水蒸气驱动叶轮转动的热机。

（2）内燃机：

燃料直接在汽缸内燃烧，省掉了笨重的锅炉。在现代社会中内燃机是最常见的热机。在汽缸内燃烧汽油的叫汽油机。燃烧柴油的叫柴油机。

（3）喷气发动机

现代飞机普遍使用喷气发动机，它主要靠向后高速喷出气体而前进，在功率相同时，喷气式发动机比内燃机更轻便，这就使产生高速的大型飞机成为可能。

（4）火箭发动机

①火箭本身就是一部热机，工作时燃料的化学能转化为火箭的机械能。

②火箭的工作过程：燃料和氧化剂在燃烧室内混合、燃烧，产生高温燃气，燃气通过喷管向后高速喷出，对火箭产生推力，把火箭发射出去。

③火箭的特点，由于自身不仅带有燃料，而且带有氧化剂，所以能在空气极其稀薄的高空和没有氧气的太空飞行。

（二）内燃机

1. 什么是内燃机

使用最广泛，最常见的热机是内燃机。内燃机的基本特点是让燃料在机器的气缸内燃烧，生成高温高压的燃气。利用燃气作为工作物质去推动活塞做功。

内燃机有汽油机和柴油机两种。

通常根据燃料燃烧方式，将热机分为内燃机与蒸气发动机两类。凡是燃料直接在气缸内燃烧，全部能量转化过程在气缸内完成的热机称为内燃机，先把燃料燃烧时释放的能量的一部分传给工作物质，再由工作物质把得到的能量的一部分转化为机械能的称蒸气发动机，又称外燃式热机。内燃机的工作物质是燃烧的烟气，而蒸气发动机似的工作物质是水蒸气。

内燃机是指燃料直接在气缸内燃烧的热机。内燃机有两种，汽油机和柴油机。

2. 汽油机的工作过程

（1）汽油机

汽油机指汽油在汽油机气缸内燃烧、生成高温高压燃气，燃气推动活塞而做功。燃气的内能转化为活塞运动的机械能。

（2）汽油机的构造：

汽油机的构造：气缸、活塞、连杆、曲轴、进气道、排气道、进气门、排气门、火花塞。

活塞在汽缸里往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端叫做一个冲程。

火花塞能产生电火花，它的主要功能是点燃汽油。曲轴转动，活塞在汽缸中往复运动，通过曲轴变成转动。进气门和排气门的开合，是由齿轮巧妙组合控制的。

（3）汽油机的工作原理

多数汽油机是由吸气、压缩、做功和排气四个冲程不断循环工作的。

①吸气冲程：

吸气冲程中，活塞由上端向下端运动，此时进气门打开，排气门关闭。活塞向下运动使气缸里的气体体积变大，压强减小（低于大气压），于是汽油和空气组成的混合物从进气门被吸入气缸里。

②压缩冲程：

压缩冲程中进气门和排气门都关闭，活塞向上运动压缩汽油和空气燃料的混合物做功，活塞的机械能转化为燃料混合物的内能，压强变大，温度升高。

③做功冲程：

压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压燃气。高温高压燃气对活塞做功，推动活塞向下运动，并通过连杆带动轴转动。此时进气门和排气门均关闭。在做功冲程中，燃气的内能转化为活塞运动的机械能。

④排气冲程：

排气冲程中，活塞向上运动。进气门关闭、排气门打开。废气被排到气缸外。

汽油机就是由吸气、压缩、做功和排气四个冲程的不断循环来保证连续工作的。

在开始运转时，要靠外力先使曲轴转动起来。由曲轴通过连杆带动活塞运动，待汽油机发动起来，它才能自己工作。

四冲程内燃机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。这四个冲程叫做一个工作循环。在每个工作循环中，气缸内的活塞往复两次，曲轴转动两周。在四个冲程中，只有做功冲程是燃气对外做功，其他三个冲程是辅助冲程，要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。

（4）应用：根据汽油机轻巧的特点，它常用在汽车、飞机和小型动力机械上面。

【典型例题】

例1. 关于热机的说法正确的是（ ）

A. 热机是把机械能转化为内能的机器

B. 热机是把内能转化为机械能的机器

C. 内燃机的四个冲程，每个冲程都把内能转化为机械能

分析：热机是把内能转化为机械能的机器，所以A错，B对，内燃机的四个冲程只有做功冲程是内能转化为机械能，所以C也错。

正确答案：B

例2. 气体膨胀对外做功的过程中，下列说法中正确的是（ ）

A. 内能转化为机械能，内能增大，温度不变

B. 内能转化为机械能，内能减小，温度降低

C. 机械能转化为内能，内能增大，温度升高

D. 机械能转化为内能，内能增大，温度不变

分析： 气体膨胀对外做功，气体的内能减小，温度降低，内能转化为机械能。

正确答案：B

考点分析：内能的利用有两种：一是做功，二是直接加热物体，利用内能来加热物体实际是内能转移的过程，利用内能来做功实际是内能转化为其他形式的能量。

例3. 如图所示实验体现了内能利用的是两个途径，A处是 ，B处是 ，A处是能量的 ，B处是能量的 。

分析：从图中可以看出，A处对试管内的液体加热，使之沸腾，这个过程是利用内能加热，酒精灯火焰的内能转移到液体中，使液体温度升高，汽化加快，使试管内压强增大，将胶塞冲出并飞行一段距离，B处水蒸气的内能对胶塞做功，水蒸气的内能转化为胶塞的机械能。

正确答案：利用内能加热 利用内能做功 转移 转化

例4. 当我们洗澡的过程中，接触和运用到了不少物理现象，小力总结了一些，但是有一条是错误的，它是（ ）

A. 用洗澡巾搓背时，用到了使接触面粗糙而增大摩擦力的知识

B. 电热水器将电能转化为内能

C. 热水与皮肤之间发生了内能的转化

D. 洗完后用吹风机将头发吹干是蒸发吸热的过程

分析：热水与皮肤之间发生了内能的转移，而不是转化。所以C错。

正确答案：C

例5. 单缸四冲程内燃机工作时，依靠飞轮惯性来完成的是（ ）

A. 只有吸气和压缩两个冲程

B. 只有压缩和排气两个冲程

C. 只有排气和吸气两个冲程

D. 只有吸气、压缩和排气三个冲程

分析：内燃机工作的四个冲程：吸气、压缩、做功、排气四个冲程中仅有做功冲程中燃气膨胀，推动活塞对外做功，同时带动飞轮转动，其余三个冲程都需要外力驱使才能完成，即由飞轮的惯性完成。

正确答案：D

考点分析：本题主要考查对内燃机工作四个冲程原理的理解。

例6. 某单缸四冲程汽油机工作时，每秒钟内燃机对活塞做功25次，则此汽油机的转速为（ ）

A. 20r/min B. 25r/min C. 3000r/min D. 6000r/min

分析：四冲程的汽油机每一个工作循环活塞往复2次，曲轴转动2周，飞轮转动2转，完成四个冲程，做功一次，由此可知每秒钟飞轮转动2×25=50转，每分钟转动3000转。

正确答案：C

例7. 内燃机在某个冲程时的情况如图所示，可以判定（ ）

A. 吸气冲程 B. 压缩冲程 C. 做功冲程 D. 排气冲程

分析：四个冲程的相同点和不同点是本节的难点，按着活塞的上下运动以及两门的开闭情况，我们可这样来区分这四个冲程的不同点，在压缩冲程与做功冲程中，两门都是关闭的，压缩冲程活塞向上运动，而做功冲程活塞向下运动，图中所示的有一个门打开，所以不选B、C，吸气冲程与排气冲程各有一个门打开，但吸气冲程时活塞向下运动将物质吸入，所以A也不对。只有排气冲程是活塞向上运动将废气排出。

正确答案：D

【模拟试题】（答题时间：30分钟）

一、选择题

1. 能说明内能转化为机械能的例子是（ ）

A. 冰受热熔化

B. 竖直向上抛出的石头

C. 敲打铁块使之变热

D. 水蒸气膨胀推动活塞

2. 下列各现象中都是利用内能来做功的是（ ）

A. 冬天安装暖气

B. 汽油机柴油机

C. 两手摩擦取暖

D. 冬天早晨用跑步的方式取暖

3. 四冲程汽油机的转速是60 r/s，那么它每秒钟对外做功的次数是（ ）

A. 30次 B. 20次 C. 600次 D. 300次

4. 内燃机的工作物质是（ ）

A. 水蒸气 B. 空气

C. 燃料燃烧生成的高温高压气体

D. 柴油、汽油和天然气

5. 汽油机在压缩冲程中工作物质被压缩，气缸中的（ ）

A. 压强增大，温度降低 B. 压强减小，温度升高

C. 压强增大，温度升高 D. 压强减小，温度降低

二、填空题

1. 内能的一个重要应用就是直接用它来______物体，物体在获得内能以后，______会升高；内能的另一个重要应用就是用它来_________。

2. 内燃机的工作特点是：让燃料在______燃烧，生成______的燃气，利用这个燃气作为______去推动______。

3. 一般内燃机完成一个工作循环具有______个冲程，其中压缩冲程和做功冲程分别是第______和第______冲程，在压缩冲程里______能转变为______能，在做功冲程里______能转化为______能。

4. 内燃机工作的一个循环中，只有______冲程对外做功，其它几个冲程是______冲程，要靠飞轮的______来完成，但从全局看，______冲程，______冲程和______冲程都是必不可少的，它们为_____冲程对外做功创造了条件。

5. 汽油机是用______使燃料燃烧的，这种点火方式叫做______，柴油机是在_______冲程末，由______向气缸内喷射______，它在远远超过它的燃点的热空气中立即燃烧，这种点火方式叫做______。

6. 内燃机中，连杆和曲轴的作用是_______________飞轮的作用是________________。

7. 图为汽油机冲程的示意图，请根据图示填出汽油机所处的工作状态。

（a） （b） （c） （d）

8. 我们家里每天要用液化气或煤气来煮饭、炒菜，实质上是利用 来加热物体。

9. 烧水时，水蒸气将壶盖顶起，这是消耗水蒸气的 能对外做功，将水蒸气的 能转化为壶盖的 能。

三、判断题

1. 一台单缸汽油机，飞轮每分钟转600转，那么这台汽油机每分钟内完成300个工作循环。（ ）

2. 总的看来，内燃机实现了内能向机械能的转化，但在它的工作过程中，也有机械能转化为内能的过程。（ ）

【试题答案】

一、选择题

1. D 2. B 3. A 4. C 5. C

二、填空题

1. 加热，物体温度，做功

2. 气缸内，高温高压，工作物质，活塞做功

3. 四，二，三，机械，内，内，机械

4. 做功，辅助，惯性，吸气，压缩，排气，做功

5. 火花塞，点燃式，压缩，喷油嘴，雾状柴油，压燃式

6. 外力先使曲轴转动，通过连杆带动活塞运动；依靠飞轮的惯性贮存能量，以帮助完成三个辅助冲程

7. （a）吸气；（b）排气；（c）压缩；（d）做功

8. 内能

9. 内 内 机械

三、判断题

1. √ 2. √