14.4 跨学科实践：制作简易的热机模型 暑期预习导学案（附同步作业）-2026-2027学年九年级全一册物理人教版

14.4 跨学科实践：制作简易的热机模型 【学习目标】自主研读 1、牢固掌握热机的工作原理：燃料燃烧将化学能转化为内能，内能再转化为机械能。区分内燃机、外燃机的区别。 2、经历 “项目设计 — 选材制作 — 调试修改 — 故障分析” 完整的探究流程，锻炼动手能力与小组协作能力。 3、学会分析模型制作过程中漏气、叶轮不转、动力不足等各类故障，并且提出对应的改良方案。 4、融合物理、工程、美术手工的跨学科知识，规范记录实践过程，能独立撰写简单的实践总结报告。 5、牢记明火加热实验的安全规范，树立安全操作、严谨探究的实验意识。 【情境导入】想一想（导学引入环节） 汽车依靠汽油机行驶、老式蒸汽火车依靠蒸汽前进、直升机的喷气发动机带动旋翼转动，这些机械都属于热机。 小组思考讨论： 1、热机最核心的能量转化形式是什么？ 2、燃料燃烧产生的内能，怎样才能变成带动机器转动的机械能？ 3、利用身边的易拉罐、吸管、卡纸、蜡烛等材料，能不能亲手做出一台可以运转的简易热机？ 本节课我们以小组为单位，设计并且动手制作简易蒸汽汽轮机模型。 【预习自学】自主填空（学生导学留白部分） 请同学们阅读课本内容，独立完成下面填空： 1、热机的本质：利用 对外做功，把 能转化成 能。 2、蒸汽机、汽轮机属于 外燃机 / 内燃机），它的工作物质一般为 _；汽油机、柴油机属于内燃机，燃料在气缸内部燃烧。 3、简易蒸汽汽轮机主要由三大部分组成：密闭汽缸（储水容器）、 、叶轮转动机构。 4、水蒸气喷出推动叶片旋转，这个过程中，水蒸气的内能 ，叶轮获得了机械能。 5、制作模型时，容器密封不严会造成蒸汽泄露，动力不足，所以接口处必须使用橡皮泥、热熔胶做好 处理。 【合作探究一：项目方案设计（小组研讨核心环节） 思考讨论 思考 1：为什么我们选择制作蒸汽式外燃机模型，而不做汽油机这类内燃机模型？ 思考 2：想要让叶轮顺畅转动，在选材和结构设计上，需要满足哪两个关键点？（密封性、转动摩擦力） 小组方案梳理 1、热源选择：蜡烛、酒精灯（严禁使用酒精喷灯等高温明火） 2、工作介质：清水，加热后产生水蒸气 3、容器：空易拉罐作为密闭汽缸 4、喷嘴：去掉笔芯的中性笔杆，作为蒸汽喷出通道 5、动力叶轮：硬卡纸、塑料小风扇叶片，用竹签做转轴 安全注意事项（重点识记） ① 加热后的易拉罐温度极高，禁止用手直接触碰，防止烫伤； ② 喷嘴的出气口不能对准自己和同学，避免高温蒸汽喷射伤人； ③ 酒精灯点燃后不能倾倒，实验结束及时盖灭灯帽； ④ 尽量不在密闭空间长时间使用明火，保持环境通风。 【合作探究二：动手制作完整步骤（实操导学） 材料清单（每组标配） 易拉罐 1 个、中性笔杆（去芯）、橡皮泥、硬卡纸、竹签、酒精灯 / 蜡烛、铁支架、剪刀、热熔胶。 步骤 1：制作密闭汽缸 把易拉罐上口清理干净，装入 1/3 容量的清水；将笔杆插在罐口，用橡皮泥把罐口缝隙完全封堵严实，保证气体只能从笔杆的小口喷出。 步骤 2：制作叶轮与转轴 用硬卡纸裁剪出对称的扇叶，固定在竹签转轴上，将转轴搭在支架上，保证叶轮可以轻松自由旋转，尽量减小摩擦阻力。 步骤 3：固定整体结构 把易拉罐平稳架在铁制支架上，调整笔杆喷嘴的角度，让喷出的蒸汽垂直击打在叶轮叶片的边缘位置。 步骤 4：加热调试 点燃蜡烛或者酒精灯，对易拉罐底部缓慢加热，观察水蒸气喷出后叶轮的转动情况。 【合作探究三：故障排查与改良优化（小组讨论环节） 小组结合实操现象，分析问题并且填写改良方法： 1、故障现象：加热很久，喷嘴几乎没有蒸汽喷出 原因：罐口密封不严，蒸汽全部从缝隙泄漏 改进方案：重新加厚橡皮泥，全方位密封所有接缝。 2、故障现象：有蒸汽喷出，但是叶轮完全不转动 原因 1：转轴摩擦力太大；原因 2：蒸汽喷射角度不对，没有切向击打叶片 改进：把转轴打磨光滑，调整喷嘴方向，正对叶片外缘吹气。 3、故障现象：热水顺着喷嘴流出来，喷不出蒸汽 原因：罐内加水过多，水容易沸腾溢出 改进：倒出多余的水，罐内水量只保留 1/3 即可。 4、故障现象：叶轮转动速度很慢，动力不足 改进：把叶片做的更轻薄，增大叶片的受风面积，适当调高火焰温度。 【对比梳理】自主归纳（学生总结留白） 小组合作，区分两类热机，完善表格： 热机种类 燃烧位置 工作物质 代表机械 外燃机（蒸汽机） 气缸外部加热 水蒸气 老式蒸汽火车、汽轮机 内燃机（汽油机） 气缸内部燃烧 汽油与空气混合气 家用汽车、摩托车 【误区辨析】答疑解惑（师生互动环节） 1、误区：蒸汽推动叶轮旋转，这是机械能转化成内能。 辨析：水蒸气对外做功，内能减小，转化为叶轮的机械能。 2、误区：容器装的水越多，产生的蒸汽越多，动力越强。 辨析：加水过多容易沸腾溢水，反而阻碍蒸汽喷出，适量加水效果最好。 3、误区：叶轮叶片越大越好，叶片越大转速越快。 辨析：叶片过大会增加自身重量，摩擦阻力变大，转速反而降低，需要轻薄对称。 4、误区：密封做得越紧越好，完全焊死罐口效果最佳。 辨析：完全密闭的罐体持续加热会产生高压，存在胀裂的安全隐患，预留微小泄压缝隙更加安全。 【课堂当堂检测】探究达标 独立完成习题，同桌互相订正答案： 1、蒸汽汽轮机工作时，能量转化的过程是（ ） A. 机械能→内能 B. 内能→机械能 C. 化学能→电能 2、燃料燃烧，首先把燃料的 能转化为内能。 3、制作模型时罐口漏气，叶轮无法转动，这是因为水蒸气的 流失了。 4、判断题：汽油机属于外燃机，燃料在气缸外面燃烧。（ ） 5、简答：为什么喷嘴要对着叶片的边缘吹气，而不能正对转轴中心？ 【实践小结】自我梳理（留白导学） 本次小组制作，你遇到了哪些问题？采用了什么办法解决？本次实践有哪些收获： 【课后同步实践作业】巩固提升 1、优化改良：回家利用矿泉水瓶、吸管重做简易热机模型，对比两次制作的差别，记录改良方法。 2、探究思考：如果不用水和蒸汽，利用热空气能不能做出热机模型？原理是否相同？ 3、实践报告：简单写出本次跨学科实践的完整报告，包含：方案、制作过程、故障问题、改进措施四个部分。 同步作业 一．选择题（共4小题） 1．如图是某同学自制的简易热机模型，在易拉罐内装适量水，在瓶口密封安装一根吸管，吸管正对着小风扇。当点燃下方的蜡烛后，可以看到前方的小风扇转动起来。下列说法正确的是（　　） A．罐内的水在加热过程中，温度升高，所含的热量增加 B．蜡烛用掉一部分后，蜡烛的热值会变小 C．通过改进热机模型的结构，其效率可达100% D．该过程的能量转化与热机做功冲程的能量转化相同 2．热机对人类文明发展起着重要的推动作用。某兴趣小组按照图示方法制作了一个简易热机模型，用酒精灯加热易拉罐中的水，水沸腾后产生蒸汽从管口喷出使小风扇转动。下列说法错误的是（　　） A．该热机模型利用了内能转化为机械能 B．罐中水的温度升高以后，水的比热容变大 C．增加易拉罐的保温性能可以提高该热机模型的效率 D．在测试过程中，发现扇叶不转动的原因可能是注入的水过少，产生的蒸汽量不足 3．热机是人们获得动力的重要机械。创新小组制作了如图所示的简易热机模型，在试管内倒入适量的水，加热试管，当试管内的水沸腾后，风扇在水蒸气的驱动下转动起来，整个过程消耗了1×10﹣3kg的酒精。下列说法正确的是（　　） A．酒精在燃烧的过程中，其热值会变小 B．通过改进模型的结构，其效率可达100% C．整个过程消耗的酒精完全燃烧放出的热量为3×104J D．水蒸气驱动风扇转动时的能量转化与热机压缩冲程的相同 4．如图所示。在跨学科实践中，南南制作了一个简易的热机模型——“蒸汽船”。他在铜制容器中盛入一定量的水之后安装在“船体”上，用酒精灯对铜制容器底部加热，一段时间后容器内水温升高产生水蒸气，铜管向右喷出水蒸气，“蒸汽船”向左行驶，下列说法正确的是（　　） A．“蒸汽船”在向左运动时主要将内能转化为机械能 B．“蒸汽船”用酒精作燃料，是因为它的燃料着火点高 C．酒精在燃烧的过程中不断放热，将内能转化为化学能 D．水在沸腾时会有热量的散失，不遵守能量守恒定律 二．填空题（共2小题） 5．如图所示是小明设计的简易热机模型，燃料燃烧后用它来加热密封的易拉罐中的水，易拉罐的一侧开小孔后让蒸汽喷出，推动风车转动。此时工作物质是 　 　 ，该模型可以看成是 　 　 （选填“内燃机”或“外燃机”）。 6．小明在“跨学科实践：制作简易热机模型”的展示交流环节，展示了自己制作的热机模型，如图1所示，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，此过程相当于图2中　 　 （选填“A”、“B”、“C”或“D”）的能量转化过程；若图2四冲程内燃机的转速是3000r/min，则每秒钟该内燃机对外做功　 　 次。 三．实验探究题（共2小题） 7．【项目提出】初三年级即将举行跨学科实践，牛顿学习小组计划在课堂上展示热机模型。 【项目分析】为保证热机模型能够顺利工作，应完成以下任务：了解热机获得动力的原理；选择合适的器材制作简易热机；进一步优化热机结构，提高热机效率。 【项目实施】 （1）了解热机原理 ①如图甲所示，热机模型工作过程的能量转化情况为：化学能→　 　 →　 　 。 ②此汽轮机模型属于　 　 （选填“内”或“外”）燃机。 （2）制作简易热机 实验器材：易拉罐、剪刀、一支去掉笔芯和尾塞的中性笔、水、密封胶、一小块泡沫、一台小风扇、一个酒精灯 实验步骤： ①在易拉罐的底部开一小孔，将笔的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，如图所示； ②在易拉罐内加入少量的水； ③用一小块泡沫和密封胶，将易拉罐的口封住。将易拉罐平放在支架上，且保证留着喷气的中性笔位于罐子靠　 　 （选填“上”或“下”）部分。 ④将风扇平放在支架上（图乙），中性笔的尖端正对风扇扇叶，点燃酒精灯加热易拉罐，观察到水沸腾后有“白气”喷出，风扇转动，同时扇叶温度升高，内能　 　 （选填“增大”或“减小”），注意防止烫伤。 （3）优化热机结构 ①同学们在测试过程中，发现加热一段时间后，扇叶才开始转动，这是因为　 　 ； ②进行了调整后，再次测试，发现风扇转动得很慢。同学们交流后认为，这是蒸汽喷射力不足造成的。以下两种解决方案中你认为可行的是　 　 。 A．更换一个更细的喷嘴 B．降低小风扇的高度，使喷嘴对准风扇的中心 8．设计制作简易热机模型。 【项目分析】（1）热机的工作原理是什么？ （2）热机包含哪些主要装置？ 【项目实施】某小组同学们制作了如图所示的“汽轮机”。 （1）制作叶轮：将两个塑料瓶盖口对口粘在一起，用小刀在瓶盖侧边切几个对称的小缝，将铝片插在小缝中：在两瓶盖中心用锥子钻一个小孔，将铁丝穿过小孔，使瓶盖能在铁丝上自由转动。 （2）组装“汽轮机”：用铁丝将制作的“叶轮”固定在底座上，并按照如图所示组装器材，调整“叶轮”的位置，使导管的管口正对着“叶轮”上方的铝片。 （3）“汽轮机”工作：点燃酒精灯给烧瓶中的水加热直至沸腾，当大量的“白气”从导管口喷出时可以看到叶轮转了起来。 【交流】（1）根据所学的知识判断该“汽轮机”属于 　 　 （选填“内燃机”或“蒸汽机”）。 （2）该“汽轮机”的燃料是 　 　 ，工作时燃料的化学能转化为水和水蒸气的 　 　 能。高温水蒸气由导管喷出对叶轮做功，又将 　 　 能转化为 　 　 能。 （3）“汽轮机”工作时，水蒸气不易推动叶轮转动，则可进行的改进措施有： ①将叶轮 　 　 （选填“靠近”或“远离”）导管口； ②　 　 。 参考答案与试题解析 一．选择题（共4小题） 1．【解答】解：A、热量是一个过程量，不能用含有来修饰，故A错误； B、热值是燃料本身的一种特性，热值大小与质量无关，蜡烛质量变小，蜡的热值不变，故B错误； C、热机模型在工作时，不可避免的有热量的散失，机械效率也不可能达到100%，故C错误； D、该过程是将内能转化为机械能，与热机的做功冲程能量转化相同，故D正确。 故选：D。 2．【解答】解：A．水蒸气喷出推动小风扇转动，是水蒸气的内能转化为小风扇的机械能，故A正确，不符合题意； B．比热容是物质的一种特性，只由物质的种类和状态决定，与温度、质量等因素无关。罐中的水温度升高，其比热容不会发生变化，故B错误，符合题意； C．增加易拉罐保温性能，可以减少热量向环境散失，更多内能可用来推动风扇做功，能提高模型效率，故C正确，不符合题意； D．若注入水过少，产生的蒸汽量不足，蒸汽对扇叶的推力太小，就会导致扇叶无法转动，故D正确，不符合题意。 故选：B。 3．【解答】解：A、热值是燃料的一种固有属性，只与燃料的种类有关，和燃烧是否充分、燃烧过程、质量多少都没有关系。所以酒精在燃烧过程中，热值保持不变，故A错误。 B、热机在工作过程中，不可避免地会有能量损失，比如废气带走的热量、散热损失、机械摩擦损失等，无论怎么改进结构，都无法消除这些损失，所以热机的效率永远不可能达到100%，故B错误。 C、酒精完全燃烧放出的热量Q放＝mq＝1×10⁻3kg×3×107J/kg＝3×104J，故C正确。 D、水蒸气驱动风扇转动时，是水蒸气的内能转化为风扇的机械能；而热机的压缩冲程是活塞对气缸内气体做功，将机械能转化为气体的内能，两者的能量转化方向完全相反，故D错误。 故选：C。 4．【解答】解：A、铜管向右喷出水蒸气时，“蒸汽船”向左行驶，这是因为蒸汽的内能转化为“蒸汽船”的机械能，使“蒸汽船”获得了向左的动力而运动，故A正确； B、“蒸汽船”用酒精作燃料，是因为它的热值高，而不是着火点高，故B错误； C、酒精在燃烧的过程中不断放热，将化学能转化为内能，故C错误； D、水在沸腾时虽然有热量的散失，但这只是能量发生了转移，总能量依然是守恒的，故D错误。 故选：A。 二．填空题（共2小题） 5．【解答】解：密封的易拉罐加热水，类比高压锅，开小孔后蒸汽喷出推动高压阀运动，此时工作物质是水汽化后的水蒸气，实现了水蒸气内能转化为机械能，因此工作的物质是水蒸气，该热机模型是在易拉罐外燃烧燃料，属于外燃机。 故答案为：水蒸气；外燃机。 6．【解答】解：此过程酒精燃烧产生的内能转化为塑料杯的机械能，相当于做功冲程的能量转化过程；A图为压缩冲程，机械能转化为内能，B图为做功冲程，内能转化为机械能，C图为排气冲程。转速是3000r/min＝50r/s，四冲程内燃机每转2转对外做功1次，则图乙四冲程内燃机的转速是3000r/min，则每秒钟该内燃机对外做功25次。 故答案为：B；25。 三．实验探究题（共2小题） 7．【解答】解：（1）①实验时将易拉罐下面的酒精灯点燃，当有蒸汽喷出时，扇叶就转动起来；酒精燃烧将化学能转化为内能，蒸汽推动扇叶转动，将内能转化为机械能。因此汽轮机模型工作过程的能量转化为：化学能→内能→机械能； ②内燃机是燃料在气缸内燃烧产生高温高压的燃气推动活塞做功；此汽轮机模型酒精在空气中燃烧，蒸汽推动外面的扇叶转动，这两个过程都不在易拉罐内，因此此汽轮机模型属于外燃机； （2）③为了让水蒸气能够从笔中喷出推动风扇转动，应将易拉罐平放在支架上，且保证留着喷气的中性笔位于罐子靠上部分，这样水蒸气上升才会从笔中喷出。 ④水蒸气遇冷液化放热，使扇叶温度升高，这是通过热传递方式改变内能的。 （3）①发现加热很长时间后，扇叶才开始转动，与水蒸气的量有关，加热时间不足，无法产生足够的水蒸气； ②A、更换一个更细的喷嘴可以增大蒸汽喷出速度，能增大蒸汽喷射力，故A正确； B、降低风扇高度，使喷嘴对准风扇的中心，蒸汽推动风扇转动的效果要差于喷射在扇叶处，故B错误； 故选：A。 故答案为：（1）内能；机械能；外；（2）上；增大；（3）加热时间不足，无法产生足够的水蒸气；A。 8．【解答】解：（1）由题意可知，“汽轮机”工作时，酒精灯加热水，大量的“白气”喷出后，带动叶轮转动，这说明该“汽轮机”属于蒸汽机。 （2）由题意可知，制作的“汽轮机”是利用酒精灯加热的，该“汽轮机”的燃料是酒精。 酒精燃烧，消耗燃料的化学能，得到水和水蒸气的内能，所以是将燃料燃烧的化学能转化为水和水蒸气的内能。 汽轮机工作时，水蒸气推动叶轮转动，水蒸气对叶轮做功，消耗水蒸气的内能，得到叶轮的机械能，因此是将水蒸气的内能转化为叶轮的机械能。 （3）“汽轮机”工作时，水蒸气不易推动叶轮转动，改进的措施有将叶轮靠近导管口，提高了蒸汽的利用率；还可以提高蒸汽的温度；还可以减小瓶盖和铁丝之间的摩擦，加润滑剂等。 故答案为：（1）蒸汽机； （2）酒精；内；内；机械； （3）靠近；减小铁丝与瓶盖之间的摩擦 学科网（北京）股份有限公司 $