14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 教学设计 2026-2027学年物理人教版（2024）九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机能量转化及简易模型制作，通过视频展示大型机器动力来源并提问原理，衔接内能、能量转化知识，搭建从理论到实践的学习支架。 特色为跨学科项目式学习，分析热源、工作介质等培养科学思维，用易拉罐等材料制作模型提升科学探究能力，结合希罗汽转球等历史案例与安全提示渗透科学态度，助力学生理论联系实际，为教师提供结构化跨学科教学方案。

第四节 制作简易热机模型 一、教学基本信息 项目 内容 课题 初中物理人教版（2024）九年级全一册 第十四章第四节 制作简易热机模型 课时 1 课时（45 分钟） 授课年级 九年级 课型 新授课 授课教师 授课时间 二、学情分析及教学分析 本节为人教版九年级全一册第十四章《内能的利用》学科实践课《制作简易热机模型》，在教材体系中作用特殊、意义突出。知识层面，它综合实践内能、能量转化与守恒等核心物理内容；同时兼具跨学科属性，融合物理、化学、工程技术：化学上依托燃料燃烧反应理解能量释放，工程层面锻炼结构设计、选材加工等实操能力，开阔知识视野，培育综合素养，提升解决复杂实际问题的能力。 本课内容分为项目分析、项目实施、展示交流三模块，逻辑层层递进。项目分析结合生活热机实例引出实践任务，围绕热源、工作介质、内能转机械能等核心问题展开研讨；项目实施提供简易汽轮机制作方案，易拉罐、酒精灯等材料易得，操作难度低；展示交流环节要求学生演示模型、讲解原理、分享制作难点与优化思路，锻炼语言表达，实现互助学习。 九年级学生已掌握内能、热值、能量转化等理论知识，但热机能量转化过程综合性强，知识整合理解存在障碍；且缺少工程设计与动手实操经验，模型设计制作易出现构思难以落地、结构不合理等问题。而本节动手实践任务趣味性、挑战性强，能够充分调动学生探究积极性。 三、教学目标 1.知识理解：通过分析不同热机的工作原理，如汽油机、蒸汽机等，深入理解热机的能量转化机制，包括燃料燃烧时化学能如何转化为内能，以及内能怎样进一步转化为机械能，清晰地区分内燃机和外燃机的工作特点。 2.实践操作：依据所学热机知识和查阅的资料，自主设计并成功制作一个简易热机模型。 3.交流评估：展示交流环节，能够清晰、准确地阐述自己热机模型的工作原理，分享制作过程中遇到的难点、解决方法和心得体会。 四、教学重难点 重点 理解蒸汽机的工作原理，掌握能量转化的过程； 掌握简易蒸汽机模型的制作方法和实验操作技能。 难点 转化和传递机制； 在制作和实验过程中，解决模型运行不稳定、能量转化效率低等实际问题；引导学生从历史和社会的角度，深入思考蒸汽机发展的启示和意义。 五、教学准备 教师准备：制作多媒体课件。 学生准备：预习本节课的内容，完成预习清单。 预习清单 热机的工作原理是______________，内燃机的四个冲程是___________________，在内燃机的四个冲程中，对外做功的冲程是________________。 答案 能量的转化；进气、压缩、做功、排气；做功冲程 六、教学过程 课程导入 热机是人们获得动力的重要机械 【提出问题】 同学们，视频里那些大型机器依靠什么提供动力？它们的工作原理是什么呢？ 请大家积极思考、大胆发言，分享自己的想法与观点。 【回答预设】 蒸汽机； 利用水蒸气的内能做功，将内能转化为机械能。 今天我们将深入了解蒸汽机的结构与工作原理，并和大家一起动手制作一台简易蒸汽机。 展示课题：跨学科实践：制作简易热机模型 新课讲解 一、项目提出 同学们，还记得热机中的能量是如何转化的吗？ 加热试管，管内水沸腾 水蒸气将试管塞冲出 请同学们在学过的热机知识基础上，进一步查找相关资料，了解不同热机的工作原理，制作一个简易热机模型 二、项目分析 热机的种类：蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机 热机的工作原理 汽油机：内燃机，工作物质：气缸内空气和汽油的混合物。 外燃机也叫作蒸汽机，工作物质：水蒸气。 工作时燃料燃烧→水变成水蒸气→推动活塞运动产生动力。 蒸汽机燃烧室在气缸外，因此叫外燃机。 【提出问题】 1.热源可以是什么？ 2.工作物质是什么？ 3.工作物质在什么容器中工作？ 4.如何将内能转化为机械能？通过什么装置实现？ 5.如何获得更多的机械能？ 【交流分析】 1.热源可以是酒精灯、蜡烛、燃气、煤气等。 2.水沸腾后产生的水蒸气。 3.比较坚固的金属容器，例如易拉罐、铁罐等。 4.在容器外插一细管，使水蒸汽通过细管喷出，然后使细管口对着汽轮机，推动汽轮机转动。 5.容器的容量要大一些，热源的热值也要大一些等。 【注意安全问题】 制作简易热机模型时会遇到高温蒸汽、锋利的物体等，要注意安全。通常而言，制作采用燃烧燃料加热水产生蒸汽（或直接加热空气）来做功的外燃机，比制作在封闭缸体内燃烧燃料来做功的内燃机要安全，材料也相对易得，建议优先考虑前者。 不同类型的蒸汽机及早期蒸汽机的结构图 希罗汽转球 纽可门蒸汽机 瓦特改良蒸汽机 三、项目实施 请根据自己的设计，制作一个简易的热机模型。下面展示的是一个简易的汽轮机模型，供参考。 准备以下材料：一个空易拉罐，一支去掉笔芯和尾塞的中性笔，一台小风扇，一个酒精灯（蜡烛），一个支架。 【制作步骤】 （1）气缸：用小刀在易拉罐侧壁上开一个比中性笔笔杆略粗的孔，将笔杆截成两段，带笔尖的一段插在易拉罐罐口处，尖端朝外，带尾塞的一段插在侧壁的孔中，尾塞朝外，用橡皮泥将笔杆固定并将开口处密封。 （2）叶片：可直接使用一台小风扇的扇叶，或利用用完的卫生纸纸筒和硬纸板制作。 （3）组装：通过侧壁的笔杆向易拉罐内部注入大约半罐水，旋紧尾塞。将易拉罐放置在用铁丝弯折成的支架上，笔的尖端对准叶片。点燃易拉罐下面的酒精灯，当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 【注意事项】 （1）易拉罐内水不能太多； （2）笔与易拉罐的连接处要加固密封； （3）活动过程中小心划伤。 （4）注意调整叶轮的位置，使导管的管口正对着叶片 【观察分析】当点燃易拉罐下方的酒精灯（或蜡烛）加热罐内的水时，会产生以下现象： ①蒸汽喷出：易拉罐中的水受热沸腾，汽化产生大量水蒸气，蒸汽从插入罐体的中性笔尖（开口端）高速喷出。 ②动能转化：喷出的蒸汽具有一定动能，直接冲击对准笔尖的小风扇扇叶，使其迅速转动。 ③能量转化体现：蒸汽的热能（内能）通过推动扇叶转化为机械能（动能）。 四、展示交流 请大家展示自己的热机模型，看看谁的模型制作精细，运行顺畅，更有创意。 在展示交流中，谈谈你的热机模型的工作原理以及制作过程中的难点，说一说你在制作过程中的心得体会，想一想在哪些方面还可以做得更好。 问题及原因分析 解决方案 待解决的问题 总结归纳 板书设计 简易热机构造：（易拉罐、蜡烛、细线支架等） 工作原理：通过蜡烛加热水产生蒸汽，蒸汽喷出推动易拉罐转动，实现内能向机械能的转化。 能量转化：燃料燃烧（化学能→内能）；蒸汽做功（内能→机械能） 注意事项：①安全操作：防止烫伤、划伤，规范使用工具及火源；②材料选择：优先选用安全且易获取的材料。 课堂练习 1.如图所示是小卓同学自制的简易热机模型，他在空易拉罐底部钻一个小孔，向易拉罐内喷入少量酒精并盖上纸杯，用打火器从底部小孔点火后，酒精燃烧，纸杯飞出。关于简易热机模型，下列说法正确的是(      ) A.酒精燃烧过程，将内能转化为化学能 B.酒精燃烧时，酒精的热值会减小 C.气体推动纸杯飞出过程的能量转化与汽油机的做功冲程相同 D.通过改进简易热机模型的结构，其效率可达100% 答案：C 解析：A.酒精燃烧过程，将化学能转化为内能，故A错误； B.热值是燃料的一种特性，与燃料的质量和体积无关，所以酒精燃烧时，酒精的热值不变，故B错误； C.纸杯飞出时，燃气的内能转化为纸杯的机械能，与热机做功冲程的能量转化相同，故C正确； D.热机在工作时，不可避免的要克服机械部件间的摩擦做额外功，此外还有热量的散失，通过改进热机模型的结构，机械效率也不可能达到，故D错误。 故选：C。 2.跨学科实践 制作简易热机模型 在日常生活中，我们经常利用内能转化为机械能的原理。同学们成立了制作简易热机模型的项目团队，按照“项目提出、项目分析、项目实施、展示交流”的学习流程，研究了制作一个简易热机模型的方法，收集材料并组装了如图所示的简易热机装置。 取一个空易拉罐，根据易拉罐的形状制作支架，向易拉罐内注入大约半罐水，将笔外壳的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封；将易拉罐放在支架上，笔外壳的尖端对准小风扇的扇叶，点燃易拉罐下方的酒精灯，罐内的水蒸气通过笔外壳喷出，推动风扇转动。这样就完成了一个简易热机模型的制作。 （1）该简易热机模型工作时，充当能量传递和转化的核心介质是________________（选填“扇叶”或“水蒸气”）； （2）这个实验基本展示了蒸汽机的工作原理，蒸汽机属于热机的一种，热机的原理是先将_______________能转化为内能，再将内能转化为_______________能； （3）在展示交流环节，有同学提出可以用蜡烛代替酒精灯作为热源，但发现热机运转不稳定，造成此现象的可能原因是____________________（合理即可）； （1）答案：水蒸气 解析：该简易热机模型工作时，充当能量传递和转化的核心介质是水蒸气，水蒸气先吸收热量，内能增大，再将内能转化为机械能。 （2）答案：化学；机械 解析：热机的工作原理是：燃料燃烧，先将化学能转化为内能，再在做功冲程中将内能转化为机械能。 （3）答案：烛焰不稳定 解析：在展示交流环节，有同学提出可以用蜡烛代替酒精灯作为热源，但发现热机运转不稳定，造成此现象的可能是烛焰不稳定或烛焰温度更低。 七、教学反思（课后及时记录，持续优化教案，提升教学质量） 课堂效果 学生反馈 改进方向 教学特色 部分学生在理解热机工作过程中能量转化的复杂机制时仍存在困难。尽管通过图片、动画和实验进行了讲解，但抽象的能量转化概念对部分学生而言理解难度较大。未来教学中可增加更多实例与类比，帮助学生更好地掌握能量转化过程。 在学生制作热机模型的环节，发现部分学生动手能力有待提升，使用工具和材料时不够熟练，导致密封不严、部件安装不牢固等问题。后续教学应加强实践操作技能训练：课前安排专门时间让学生熟悉工具与材料的使用方法，制作过程中加强巡视指导，及时纠正错误操作。 小组合作学习中，个别小组存在分工不合理、合作不默契的情况，影响了制作与实验的进度和效果。今后需加强小组合作指导：分组时注重学生能力与性格的互补，明确各成员职责，同时培养团队合作意识与沟通能力，提升小组合作学习效率。 虽然教学中鼓励学生在制作过程中发挥创新思维，但部分学生创新意识不足，仅按给定方法操作，缺乏主动探索与创新精神。后续可提供更多启发性问题和案例，引导学生从不同角度思考问题，激发创新思维。 学科网（北京）股份有限公司 $