高中物理選修第三節(jié) 熱機(jī)的工作原理-教學(xué)建議

第三節(jié)熱機(jī)的工作原理教學(xué)建議l.本節(jié)介紹的熱機(jī)知識，既是在學(xué)習(xí)了熱力學(xué)第一定律之后，對小學(xué)和初中階段相關(guān)內(nèi)容的總結(jié)和深化，也是作為下一節(jié)“熱力學(xué)第二定律”的必備基礎(chǔ)而安排的。熱機(jī)以及相關(guān)的熱工技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代家庭的許多用品都涉及到熱機(jī)的內(nèi)能轉(zhuǎn)換效率問題，因此無論學(xué)生將來從事何種工作，都應(yīng)該對熱機(jī)工作原理有一定的了解，進(jìn)而獲得安全使用一些常用熱機(jī)或熱工機(jī)械的初步知識。本節(jié)教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)概括如下：2．由于學(xué)生在初中階段已學(xué)過一些熱機(jī)的知識，對蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理并不陌生，教師可在演示模型或展示結(jié)構(gòu)掛圖的基礎(chǔ)上加以分析講解。講解時(shí)應(yīng)注意：本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)不在于介紹熱機(jī)的結(jié)構(gòu)及其循環(huán)過程本身，而是要突出熱機(jī)工作過程中的能量轉(zhuǎn)化與守恒，使學(xué)生了解在熱機(jī)循環(huán)中能量轉(zhuǎn)化的方向性以及熱機(jī)效率為什么會小于1。建議以汽油機(jī)為例，結(jié)合熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式，讓學(xué)生討論在四個(gè)沖程中工作物質(zhì)內(nèi)能的變化與它對外做功(或外界對工作物質(zhì)做功)W及和外界進(jìn)行熱交換的熱量Q之間的關(guān)系，得出熱機(jī)效率的定量數(shù)值表達(dá)。具體的分析過程如下所示(注：如課時(shí)不夠，也可放在下一節(jié)進(jìn)行)；假定汽油機(jī)只工作在兩種環(huán)境溫度：爆燃時(shí)汽缸氣體溫度t1和外界或冷凝器溫度t2之間，且沒有摩擦、漏氣等造成的能量損失。工作物質(zhì)設(shè)為汽缸內(nèi)氣體。吸氣沖程：此時(shí)，進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉，在飛輪作用下，活塞向下運(yùn)動，汽油和空氣混合物進(jìn)入汽缸，混合氣體積增大，溫度近似看作不變，即工作物質(zhì)沒有傳熱和做功效應(yīng)，其內(nèi)能近似不變。壓縮沖程：在飛輪作用下，活塞向上運(yùn)動，燃料混合物被壓縮，外界對工作物質(zhì)做功使工作物質(zhì)內(nèi)能增加，溫度升高。做功沖程：在壓縮沖程結(jié)束時(shí)由電火花點(diǎn)火，使燃料燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動活塞向下運(yùn)動，在此階段中，工作物質(zhì)既從高溫?zé)釒?爆燃的燃料)t1吸熱Q1，又對外做負(fù)功(－W)，其內(nèi)能先是在吸熱后增加．又在對外做功后減少。排氣沖程：此時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開，在飛輪作用下，活塞向上運(yùn)動，把溫度較高的廢氣排出汽缸，同時(shí)將一部分熱量Q2傳遞給外界環(huán)境(低溫?zé)釒靦2)，其內(nèi)能繼續(xù)減少。上述四個(gè)沖程中，因與外界有做功和熱交換過程，工作物質(zhì)的內(nèi)能盡管有時(shí)增加，有時(shí)減少，但考慮到汽油機(jī)要連續(xù)工作，在完成一個(gè)循環(huán)后，其工作物質(zhì)最終要恢復(fù)原狀，即U末＝U初，U=0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律U＝Q+w，整個(gè)循環(huán)過程的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系滿足：0＝(Q1－Q2)＋(－W)。因此有，Q1＝Q2+W。工作物質(zhì)從高溫?zé)釒靦1吸收熱量Q1，一部分轉(zhuǎn)化為對外做功w，另一部分以Q2熱量形式向環(huán)境(低溫?zé)釒靦2)放出。由于Q1>W，所以熱機(jī)效率＝W/Q1總是小于1的。3.學(xué)生初次接觸制冷機(jī)的工作原理，在理解上有一定的困難，應(yīng)做重點(diǎn)講解。要使學(xué)生明白：制冷機(jī)是與蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)功熱轉(zhuǎn)換方向相反的另一類熱機(jī)，在一個(gè)循環(huán)中，外界對其工作物質(zhì)(氟利昂或R134a)所做的功，有一部分要以熱量(Q1)的形式向低溫?zé)釒旆懦觯鵁o法實(shí)現(xiàn)l00％的功熱轉(zhuǎn)換效率。有關(guān)致冷過程的內(nèi)能變化與做功、傳熱的關(guān)系涉及較多的熱力學(xué)知識，難以向?qū)W生進(jìn)行具體的分析，可利用課本中圖2．3—6的兩個(gè)圖例做類比說明。本章的“課題研究”安排有電冰箱、空調(diào)機(jī)兩個(gè)示范案例，為使學(xué)生能閱讀這些內(nèi)容，了解家用制冷機(jī)的技術(shù)資料，建議在這里適當(dāng)介紹一些電冰箱、空調(diào)機(jī)的結(jié)構(gòu)和使用的知識，并引入能反映制冷機(jī)效率的制冷系數(shù)概念(冷＝Q2/W。)4.“活塞式點(diǎn)火器”是一篇很有趣的閱讀材料，文中所介紹的點(diǎn)火裝置比較簡單，教師不妨在課前嘗試制作，如能成功，可演示給學(xué)生看，讓他們親身見識人類在野外環(huán)境中十分可貴的科學(xué)智慧與生存手段，并為我國歷史上曾有過的不亞于西方人的科技成果而自豪。5.第六節(jié)“課題研究：家庭中的熱機(jī)”與本節(jié)在內(nèi)容上相接近，如