14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 教案 2026-2027学年物理人教版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦热机工作原理与能量转化，通过回顾化学能→内能→机械能转化链，结合生活中汽油机、汽轮机等实例，搭建从理论到实践的学习支架，区分内燃机与外燃机特点。 此资料以跨学科实践为特色，采用项目式学习法，通过“热源、工质等五要素”培养科学思维，用易拉罐、笔杆等材料制作外燃机模型提升科学探究能力，展示交流环节强化科学态度与责任，助力学生深化理解，为教师提供可操作的实践教学方案。

14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 教案 课题 学科 年级 教材版本 课型 课时 14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 物理 九年级全一册 人教版（2024） 实践活动课 1课时 一、核心素养目标 物理观念：通过分析不同热机的工作原理，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。 科学思维：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，培养工程思维和动手实践能力。 科学态度与责任：在展示交流环节中，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。 二、教学重点与难点 教学重点： 深入理解热机工作原理与能量转化，区分内燃机与外燃机（蒸汽机） 设计并制作简易热机模型，体验工程设计与制作流程 展示与交流：阐述工作原理、总结经验教训 教学难点： 将热机理论知识转化为实际制作能力，解决密封、对准、安全等工程问题 从现象出发分析能量转化过程，归纳制作中影响效果的因素 三、教学方法与教学用具 教学方法：项目式学习法、实践操作法、小组合作法、展示交流法 教学用具：多媒体课件、空易拉罐、去芯中性笔、小风扇、酒精灯（蜡烛）、铁丝支架、橡皮泥、小刀 四、教学过程 环节一：回顾与导入——热机在我们身边（约4分钟） 图14.4-1 各种热机：汽油机、汽轮机、喷气发动机 【教师活动】同学们，我们已经学完了能量转化与守恒、热机、热机的效率三节课。今天是第十四章的最后一节——一节特殊的课：跨学科实践。我们不光要“知道”热机怎么工作，还要自己动手“做”一台热机！ 【教师活动】先回顾——热机工作时能量怎么转化？燃料燃烧（化学能→内能）→气体推动活塞做功（内能→机械能）。这条转化链是我们化为实践的“理论地图”。 【教师活动】热机是人们获得动力的重要机械。汽车用汽油机，大型轮船用汽轮机，飞机用喷气发动机——都是热机，只是形式不同。今天，我们要用最简单的材料，还原最核心的原理。 【学生活动】回顾热机能量转化过程：化学能→内能→机械能。 【过渡语】要做一台热机，先搞清楚——热机有哪些种类？它们的工作原理有什么不同？ 【知识点】热机工作核心能量转化链：化学能（燃料燃烧）→内能（高温高压气体）→机械能（推动活塞或叶片运动） ★ 本节定位：这是第十四章的收尾实践课。前三节学了“能量转化与守恒”“热机”“热机效率”，本节把理论变成实践——让学生在“做”中深化对“学”的理解。 环节二：项目分析——热机的种类与工作原理（约6分钟） 图14.4-2 各种热机：蒸汽火车、火电站汽轮机、火箭发动机、内燃机汽车 【教师活动】热机种类：蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、汽轮机、喷气发动机。核心区分：内燃机——燃料在汽缸内燃烧；外燃机（蒸汽机）——燃料在汽缸外燃烧。 【教师活动】内燃机以汽油机为例：工作物质是汽缸内空气和汽油的混合物，四个冲程（吸气、压缩、做功、排气）。外燃机以蒸汽机为例：工作物质是水蒸汽，燃烧室在汽缸外，所以叫“外燃机”。 【教师活动】为什么我们选择制作外燃机（蒸汽汽轮机）模型？原因有二：一是相比内燃机更安全（不需要封闭缸体内燃烧），二是材料相对容易获得（易拉罐、酒精灯、笔等就夯了）。 图14.4-3 早期蒸汽机：史蒂芬孙蒸汽机车、富尔顿轮船蒸汽机 【学生活动】刻意区分内燃机与外燃机：内燃机燃烧在“内”（汽缸内），外燃机燃烧在“外”（锅炉）。 【学生活动】思考：为什么课件建议优先做外燃机？从安全和材料两个角度分析。 【过渡语】原理搞清楚了，下一步就是具体的设计思路——要做一台热机，必须解决哪五个问题？ 【知识点】内燃机：燃料在汽缸内燃烧，工作物质为燃料与空气的混合物（汽油机）或纯空气（柴油机） 【知识点】外燃机（蒸汽机）：燃料在汽缸外燃烧，工作物质为水蒸汽，更安全、材料更易得 ★ 内燃vs外燃：“内”与“外”的区别在于燃烧位置。内燃机结构紧凑效率高，但制作要求精密；外燃机结构简单安全，我们用易拉罐和笔杆就能模拟。 环节三：项目设计——五个核心问题（约5分钟） 【教师活动】要制作一台热机模型，必须先回答五个问题：①热源是什么？——酒精灯、蜡烛、燃气等。②工作物质是什么？——水沸腾后产生的水蒸汽。③工作物质在什么容器中工作？——比较坚固的金属容器，如易拉罐、铁罐等。④如何将内能转化为机械能？通过什么装置实现？——在容器外插细管，蒸汽通过细管高速喷出，冲击叶片转动。⑤如何获得更多的机械能？——容器容量大一些，热源热值大一些。 【教师活动】这五个问题对应了热机设计的五个核心要素：热源、工质、工作容器、能量转化装置、功率提升因素。它们正是任何一台热机设计都要考虑的基本问题。 【学生活动】小组讨论：围绕五个核心问题，设计自己的热机模型方案，列出所需材料清单。 【过渡语】设计方案有了，现在看课件给的参考方案——一个简易的汽轮机模型。 【知识点】热机设计五要素：热源、工作物质（工质）、工作容器、能量转化装置（喷嘴+叶片）、提升功率因素 ★ 工程思维培养：从“热源是什么”到“如何获得更多机械能”，这五个问题体现的正是工程设计基本思维：从原理到方案，从可行到优化。建议先让学生自己想方案，再看课件参考方案。 环节四：项目实施——制作步骤与安全注意（约12分钟） 图14.4-4 制作材料：空易拉罐、去芯中性笔、小风扇、酒精灯、支架 【教师活动】准备材料：一个空易拉罐，一支去掉笔芯和尾塞的中性笔（笔杆做蒸汽喷管），一台小风扇或自制叶片，一个酒精灯（或蜡烛），一个铁丝支架，橡皮泥、小刀。 图14.4-5 制作步骤（1）：在易拉罐侧壁开孔并插入笔杆 【教师活动】制作步骤：（1）汽缸——用小刀在易拉罐侧壁上开一个比笔杆略粗的孔，将中性笔笔杆截成两段：带笔尖的一段插在易拉罐罐口处（笔尖朝外，做蒸汽喷嘴），带尾塞的一段插在侧壁的孔中（尾塞朝外，做水的注入口），用橡皮泥将所有开口处密封固定。 图14.4-6 制作步骤（2）：叶片可用小风扇或自制硬纸板叶片 【教师活动】（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自制叶片。 图14.4-7 制作步骤（3）：组装完成后的汽轮机模型 【教师活动】（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（封闭）。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。点燃易拉罐下方的酒精灯，当蒸汽喷出时，扇叶就转动起来。 【教师活动】安全注意事项：（1）易拉罐内水不能太多，否则蒸汽产生太猛，有破裂风险；（2）笔与易拉罐连接处要加固密封，确保蒸汽只从笔尖喷出；（3）活动过程中小心划伤（小刀开孔时）；（4）注意调整叶片位置，使笔尖管口正对叶片，确保蒸汽冲击效果最佳。 【学生活动】小组分工合作：一人执笔绘制设计图，一人用小刀开孔（效师协助），一人用橡皮泥密封，一人安装支架和叶片。 【学生活动】完成后由教师检查安全性，再点燃酒精灯进行测试。 【过渡语】点燃酒精灯后，叶片转起来了——但它为什么会转？这里面的能量怎么转化的？ 【知识点】制作步骤：开孔→插笔杆→密封→注水→安装支架和叶片→点火测试 【知识点】安全四要点：水不能太多、密封要牢、小心划伤、喷嘴对准叶片 ★ 安全第一！：制作简易热机模型时会遇到高温蒸汽、锋利物体等，必须注意安全。建议优先制作外燃机，因为它比内燃机更安全、材料更容易获得。动手前先读安全须知！ 环节五：现象观察与能量分析（约5分钟） 【教师活动】点燃酒精灯后，观察现象：易拉罐中的水受热沸腾，汽化产生大量水蒸汽，蒸汽从笔尖高速喷出。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。 【教师活动】能量转化分析：酒精燃烧（化学能）→水吸热沸腾产生蒸汽（内能）→蒸汽喷出推动叶片转动（机械能）。这就是一个典型的外燃机工作过程——蒸汽的内能通过推动叶片转化为机械能。 【教师活动】加深理解：这个简单模型和真正的蒸汽机、汽轮机原理是一样的——都是利用蒸汽高速喷出产生反冲力或直接冲击叶片。只不过真正的汽轮机有多级叶片、高压蒸汽、密闭润滑等复杂设计，效率更高。 【学生活动】观察并记录：叶片转动的方向、转速、蒸汽喷出的强弱变化。 【学生活动】用箭头画出能量转化链：酒精燃烧→水蒸汽→叶片转动，分别标注化学能、内能、机械能。 【过渡语】各小组都成功让叶片转起来了，下面是展示交流时间——看看谁的模型最精巧，谁的原理解释最清楚。 【知识点】简易汽轮机模型的能量转化：酒精燃烧（化学能）→水受热产生蒸汽（内能）→蒸汽推动叶片转动（机械能） ★ 能量转化是核心：本节课所有活动——回顾原理、设计方案、观察现象、展示交流——都围绕一个核心：“能量如何转化？”。这是本章整体的“穿线”，也是考试热点。 环节六：展示交流与反思优化（约7分钟） 【教师活动】请各小组派代表展示自己的热机模型，阐述以下内容：（1）你的热机模型工作原理是什么？能量如何转化？（2）制作过程中遇到了哪些难点？怎么解决的？（3）你的模型还有哪些可以改进的地方？ 【教师活动】引导学生用“问题—原因分析—解决方案—待解决问题”的框架进行反思。例如：叶片转得不快？→可能是喷嘴没对准或密封不严。转了一会就停了？→水烧干了或热源不足。 【教师活动】展示中国大飞机的发展历程——从运-10到C919，每一步都凝聚了无数科研人员的智慧和汗水。热机技术的每一点进步，都推动了人类自由的边界。 【学生活动】小组代表上台展示模型，演示运行效果，阐述工作原理和能量转化。 【学生活动】其他小组提问、点评，填写“问题及原因分析 | 解决方案 | 待解决的问题”反思表。 【过渡语】展示交流完了，回到理论——用三道练习检验今天学的能量转化知识。 【知识点】展示交流框架：原理阐述→制作难点→解决方法→改进方向 ★ 反思与优化：“做得出”只是第一步，“说得清”才是真正的理解。引导学生从“做得出”到“说得清”再到“改得好”——这就是工程思维的完整闭环。 环节七：课堂练习（约6分钟） 练习1（PPT原题） 图14.4-8 瓦特改良的蒸汽机 如图所示是瓦特改良的蒸汽机。蒸汽机的发明是人类利用能源的新里程碑，它的工作原理是：用煤烧水产生水蒸汽，水蒸汽进入汽缸，推动活塞，带动机器工作。由此可知，蒸汽机工作过程中能量转化的正确顺序是（　　） A.内能→机械能→化学能 B.内能→化学能→机械能 C.化学能→内能→机械能 D.机械能→内能→化学能 【答案】C 【解析】煤燃烧属于化学变化，将化学能转化为内能；锅炉内的水吸收热量，变成水蒸汽，水蒸汽进入汽缸推动活塞，将内能转化为机械能。故选C。 练习2（PPT原题） 图14.4-9 课外兴趣小组制作的“蒸汽船”模型 如图是课外兴趣小组制作的“蒸汽船”模型，在铜质容器中盛有一定量的水之后安装在“船体”上，用蜡烛对铜质容器底部加热，一段时间后铜质容器内水温升高产生蒸汽，铜管会向右喷出蒸汽，“蒸汽船”就会向左行驶，下列说法正确的是（　　） A.水变热是通过做功来改变内能的 B.“蒸汽船”运动时能量转化与热机做功冲程相同 C.水在沸腾时会有热量的散失，所以能量不守恒 D.“蒸汽船”在向左运动时主要将机械能转化为内能 【答案】B 【解析】水变热是通过热传递来改变内能的，A错误；铜管喷出蒸汽，船体向左运动，是内能转化为机械能，与热机做功冲程相同，B正确，D错误；能量总量不变，是守恒的，C错误。故选B。 练习3（PPT原题） 图14.4-10 小昕自制热机模型及四冲程对照图 如图所示，图甲为小昕自制的热机模型，她在矿泉水瓶的侧壁上开了一个孔，把电火花发生器紧紧插入孔中，实验时从上方瓶口喷入液态酒精并轻轻盖上一次性塑料杯，按动电火花发生器的按钮，点燃瓶内酒精后，塑料杯立即飞出，此过程酒精燃烧产生的____能转化为塑料杯的____能，相当于图乙中____（选填“A”“B”“C”或“D”）的能量转化过程。 【答案】内；机械；C 【解析】酒精燃烧产生的内能转化为塑料杯的机械能。图乙中C活塞向下运动，火花塞点火，是做功冲程，将内能转变为机械能；酒精燃烧产生的内能转化为塑料杯的机械能的过程，相当于图乙中C的能量转化过程。 五、板书设计 主板书 14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 一、热机的种类 内燃机：燃料在汽缸内燃烧（汽油机、柴油机） 外燃机（蒸汽机）：燃料在汽缸外燃烧 二、能量转化 化学能（燃料燃烧）→内能（高温高压气体）→机械能（推动活塞/叶片） 三、热机设计五要素 热源 → 工质 → 工作容器 → 能量转化装置 → 提升功率 四、制作步骤 开孔→插笔杆→密封→注水→组装→点火→观察 五、安全注意 水不能太多 | 密封要牢固 | 小心划伤 | 喷嘴对准叶片 副板书 1. “内燃”与“外燃”——关键看燃烧位置在汽缸内还是汽缸外 2. 能量转化三步链：化学能→内能→机械能（考试热点，多次考查） 3. “蒸汽船”喷气后退=做功冲程（内能→机械能） 4. 塑料杯飞出=做功冲程（C），能量转化方向一致 六、教学反思 本节是第十四章的最后一节——跨学科实践课，与前三节的新授课模式不同，侧重动手实践与工程思维培养。整个教学设计按“理论回顾→原理分析→方案设计→制作实践→现象观察→展示交流→练习巩固”的逻辑线推进，理论与实践交替。 “五个核心问题”环节是本课亮点——它将抽象的热机设计变成五个具体问题，重点培养学生“从原理到方案”的工程思维，而不是简单地照着步骤做。 安全教育在本课中至关重要——涉及小刀开孔、明火加热、高温蒸汽，必须在制作前明确安全要求，并在实践中全程监督。 学科网（北京）股份有限公司 $