高中物理选修第三节 热机的工作原理-教学建议

第三节热机的工作原理教学建议l.本节介绍的热机知识，既是在学习了热力学第一定律之后，对小学和初中阶段相关内容的总结和深化，也是作为下一节“热力学第二定律”的必备基础而安排的。热机以及相关的热工技术在工农业生产和生活中有广泛的应用，现代家庭的许多用品都涉及到热机的内能转换效率问题，因此无论学生将来从事何种工作，都应该对热机工作原理有一定的了解，进而获得安全使用一些常用热机或热工机械的初步知识。本节教材的内容结构概括如下：2．由于学生在初中阶段已学过一些热机的知识，对蒸汽机、内燃机的结构和工作原理并不陌生，教师可在演示模型或展示结构挂图的基础上加以分析讲解。讲解时应注意：本节的教学重点不在于介绍热机的结构及其循环过程本身，而是要突出热机工作过程中的能量转化与守恒，使学生了解在热机循环中能量转化的方向性以及热机效率为什么会小于1。建议以汽油机为例，结合热力学第一定律的表达式，让学生讨论在四个冲程中工作物质内能的变化与它对外做功(或外界对工作物质做功)W及和外界进行热交换的热量Q之间的关系，得出热机效率的定量数值表达。具体的分析过程如下所示(注：如课时不够，也可放在下一节进行)；假定汽油机只工作在两种环境温度：爆燃时汽缸气体温度t1和外界或冷凝器温度t2之间，且没有摩擦、漏气等造成的能量损失。工作物质设为汽缸内气体。吸气冲程：此时，进气门打开，排气门关闭，在飞轮作用下，活塞向下运动，汽油和空气混合物进入汽缸，混合气体积增大，温度近似看作不变，即工作物质没有传热和做功效应，其内能近似不变。压缩冲程：在飞轮作用下，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，外界对工作物质做功使工作物质内能增加，温度升高。做功冲程：在压缩冲程结束时由电火花点火，使燃料燃烧，产生高温高压气体，推动活塞向下运动，在此阶段中，工作物质既从高温热库(爆燃的燃料)t1吸热Q1，又对外做负功(－W)，其内能先是在吸热后增加．又在对外做功后减少。排气冲程：此时，进气门关闭，排气门打开，在飞轮作用下，活塞向上运动，把温度较高的废气排出汽缸，同时将一部分热量Q2传递给外界环境(低温热库t2)，其内能继续减少。上述四个冲程中，因与外界有做功和热交换过程，工作物质的内能尽管有时增加，有时减少，但考虑到汽油机要连续工作，在完成一个循环后，其工作物质最终要恢复原状，即U末＝U初，U=0。根据热力学第一定律U＝Q+w，整个循环过程的能量转化关系满足：0＝(Q1－Q2)＋(－W)。因此有，Q1＝Q2+W。工作物质从高温热库t1吸收热量Q1，一部分转化为对外做功w，另一部分以Q2热量形式向环境(低温热库t2)放出。由于Q1>W，所以热机效率＝W/Q1总是小于1的。3.学生初次接触制冷机的工作原理，在理解上有一定的困难，应做重点讲解。要使学生明白：制冷机是与蒸汽机、内燃机功热转换方向相反的另一类热机，在一个循环中，外界对其工作物质(氟利昂或R134a)所做的功，有一部分要以热量(Q1)的形式向低温热库放出，而无法实现l00％的功热转换效率。有关致冷过程的内能变化与做功、传热的关系涉及较多的热力学知识，难以向学生进行具体的分析，可利用课本中图2．3—6的两个图例做类比说明。本章的“课题研究”安排有电冰箱、空调机两个示范案例，为使学生能阅读这些内容，了解家用制冷机的技术资料，建议在这里适当介绍一些电冰箱、空调机的结构和使用的知识，并引入能反映制冷机效率的制冷系数概念(冷＝Q2/W。)4.“活塞式点火器”是一篇很有趣的阅读材料，文中所介绍的点火装置比较简单，教师不妨在课前尝试制作，如能成功，可演示给学生看，让他们亲身见识人类在野外环境中十分可贵的科学智慧与生存手段，并为我国历史上曾有过的不亚于西方人的科技成果而自豪。5.第六节“课题研究：家庭中的热机”与本节在内容上相接近，如