14.4 跨学科实践：制作简易热机模型（培优教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

该初中物理课件聚焦热机结构、工作原理及能量转化，从生活中汽车、轮船等热机应用导入，通过“项目提出—分析—实施—展示”流程，以热机发展历史、分类及原理分析为支架，引导学生制作简易模型衔接知识。 其亮点是跨学科实践与项目式学习结合，通过设计优化模型方案（科学思维）、用易拉罐等材料动手制作（科学探究）、展示评价与拓展反思（科学态度），辅以视频演示。学生提升实践创新能力，教师获详细流程与评价工具，助力教学。

人教版 九年级全一册 14.4 跨学科实践： 制作简易热机模型 第十四章 内能与热机 学习目标 物理观念 通过动手实践，更好地了解热机的结构及工作原理，加深对能量转化的认识。 科学思维 根据项目要求，设计简易热机模型方案，利用科学推理对方案进行合理的分析、优化。 科学探究 在热机模型制作活动中，发展综合运用所学知识解决跨学科问题的能力。 科学态度 与责任 通过讨论交流、模型制作和作品展示，在合作学习中提升质疑创新能力，体会物理学对热机技术发展的促进作用。 重点难点 重点 设计简易热机模型方案，利用科学推理对方案进行合理的分析、优化。 难点 设计简易热机模型方案，利用科学推理对方案进行合理的分析、优化。 学习内容 1. 项目提出 2. 项目分析 3. 项目实施 4. 展示交流 5. 课堂小结 6. 提升训练 一、项目提出 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 一、项目提出 热机是人们获得动力的重要机械，广泛应用于生产生活中，例如燃油汽车中的汽油机、大型轮船使用的柴油机或汽油机、有些飞机使用的喷气发动机等。 热机在生产生活中非常重要，如果我们能尝试制作一个热机模型，就可以更好地了解热机的工作原理，包括热机中的能量是如何转化的，热机中各部分是如何协调工作的。 （1）了解热机的工作原理； （2）热机中的能量是如何转化的； （3）热机中各部分是如何协调工作的。 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。 一、项目提出 二、项目分析 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 二、项目分析 1. 热机的发展历史 （1）蒸汽引擎原型 希罗福在1世纪发明了最早的蒸汽引擎原型，被认为是热机的初步雏形。 四冲程内燃机 早期的蒸汽机模型 （3）四冲程内燃机 19世纪中期，内燃机的出现进一步推动了热机的发展。奧托发明了四冲程内燃机，而且还发表了有关燃烧机理的研究，成为内燃机技术发展的里程碑。 （2）蒸汽机的早期原型 18世纪早期，托马斯.纽科门发明了蒸汽机的早期原型，用于从矿井中抽水。 二、项目分析 （4）蒸气涡轮机 20世纪初，蒸气涡轮机的发明推动了热机技术的进一步革新。蒸气涡轮机利用高速旋转的涡轮叶片将热能转化为机械能，被广泛应用于发电厂和船舶。 二、项目分析 （5）燃气轮机 20世纪后期，燃气轮机的发明带来了新的热机技术突破。燃气轮机使用燃气燃烧产生高温气体，驱动涡轮旋转，产生大量机械能。 二、项目分析 视频讲解—《发动机的200年简史》 二、项目分析 2. 热机分类标准 热机 内燃机——例如：汽油机、柴油机等。 外燃机——例如：蒸汽机、汽轮机等。 从外燃机到内燃机，再到现代喷气发动机，热机不断发展。每种热机都有其独特的结构和工作原理，适应不同的应用场景。 不同分类标准反映了热机在结构和性能上的差异。 汽油机 蒸汽机 二、项目分析 3. 热机的工作原理 各种热机都是利用内能做功，将内能转化为机械能. ●内燃机：以汽油机为例，它的热源是在气缸内的空气和汽油混合物. ●外燃机：以蒸汽机为例，其热源在气缸外，燃料燃烧使水变为水蒸气，水蒸气推动活塞运动产生动力，蒸汽机的工作物质是水蒸气。 二、项目分析 4. 要完成热机模型的制作，需要重点考虑的几个问题。 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。 （1）用什么作热源？ （2）工作物质是什么？ （3）如何将内能转化成机械能？ 二、项目分析 （1）用什么作热源？ 在常见的热源中，有燃料燃烧加热和电加热两种。如何选择操作简便且更安全的热源? 通过讨论分析不难得出，常见的热源有酒精灯、蜡烛、煤油灯等。在该实践活动中利用酒精灯作为热源比电加热更简单易行。但在使用过程中，一定要规范操作酒精灯，排除安全隐患。 二、项目分析 （2）工作物质的选择与获取 常见的工作物质有高温高压燃气和水蒸气两种，从学生设计制作的角度来讲，水蒸气的产生更容易，也相对安全。 如何获取持续稳定的水蒸气，让热机模型正常工作呢? 参考方案： 在水蒸气产生装置上，要选择一个大小适中的容器，水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定。 例如，利用烧水时从水壶嘴喷出的水蒸气，或用酒精灯加热自制的具有更小喷嘴的容器等。 二、项目分析 要选择一个大小适中的容器，考虑坚固性及导热性可以选择合适的金属易拉罐。 水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定可以用笔芯或者去掉笔芯的旧笔杆的前端。 二、项目分析 （3）如何将内能转化成机械能？ 想一想： 设计一个什么样的装置才能将水蒸气的内能转化为机械能? 根据生活中的相关现象，小组交流讨论并设计出可行的方案。 参考方案： 比如从高压锅喷出的水蒸气可以推动限压阀旋转的现象中寻找灵感，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。常见的可作为机械能输出的装置有： 小风车、小叶轮、小风扇等。 三、项目实施 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 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。 三、项目实施 【制作材料及工具】 空易拉罐、去掉笔芯和尾塞的中性笔管、小风车(可以购买成品，也可以自己制作)、酒精灯(包括火柴)、橡皮泥、剪刀、铁架台等。 三、项目实施 （1）易拉罐的选择 一般选择容积较小且厚度适中的铝质易拉罐来产生水蒸气。铝质材料具有较好的导热性能，有助于对水快速加热产生水蒸气。常见的易拉罐容积为240 mL、330 mL、500 mL等，推荐使用小容积（如240mL）的易拉罐，这样加热的水量较少，加热时间较短。 三、项目实施 （2）喷嘴的选择与安装 用中性笔管前端作为蒸汽喷嘴，能让水蒸气喷出方向更集中，效果更明显。向罐内注入120 mL左右的水，然后把中性笔管的尖端朝外，另一端插入罐内，在罐的开口处用橡皮泥压实密封。 三、项目实施 （3）风车制作 选取一张厚度适中的塑料纸（或胶片纸，不能吸水），将塑料纸剪成10 cm×10cm的正方形。分别沿正方形纸张的两条对角线对折，沿折痕将四个角剪开三分之二左右。将剪开的部分交错向中心弯折，超出中心点1cm左右且保留弧度，再用双面胶粘好。 制作好的风车 选一根光滑细木棍（可用竹签或细金属杆代替）作为风车的旋转轴。在风车中心打一个小孔，孔径略大于细木棍的直径，将细木棍穿过风车中心孔，确保风车能够稳定地固定在细木棍上并能自由转动，如图所示。 三、项目实施 （3）模型组装调试 如图所示，将酒精灯放在铁架台底座上，将易拉罐放在小金属圈上并用大金属圈固定罐体上端以防止易拉罐倾倒，将小风车固定在金属杆上。 调节易拉罐和风车的高度，确保酒精灯点燃时外焰能加热罐体底部。罐体上端的蒸汽喷嘴离风车扇叶2~3 cm，并靠近扇叶尖端。 点燃酒精灯加热易拉罐，水沸腾时产生的蒸汽通过喷嘴喷出，推动小风车的扇叶转动。 简易汽轮机模型 三、项目实施 视频演示—《自制简易热机模型》 四、展示交流 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 四、展示交流 1. 展示热机模型 （1）请大家展示自己的热机模型，看看谁的模型制作精细、运行流畅，更有创意。 （2）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。 四、展示交流 对小组制作的热机模型功能性、美观性、创新性及汇报情况等综合评价，并提出改进建议. 能够完成制作 能够完成制作，并能使制作基本符合应用的要求 能够完成制作，并能使制作基本符合应用的要求，制作较为美观 能够完成制作，并能使制作基本符合应用的要求，制作较为美观，有一定的创新，或能对制作过程中出现的问题，发现的技巧进行总结。 能够完成制作，并能使制作基本符合应用的要求，制作较为美观，有一定的创新，或能对制作过程中出现的问题，发现的技巧进行总结。能够进行独立或小组合作的展示，能够提出并明确下一步的改进方向。 师评等级: 互评等级: 综合等级: 2. 综合评价 四、展示交流 评价反馈 四、展示交流 3. 其他的简易自制热机模型 在桌面上点燃酒精灯，然后加热一支悬挂着的装着水的试管，当导气管出气口（喷嘴处）有蒸气喷出时，小风车就转动起来。 四、展示交流 4. 拓展思考 如何改进提高我们自制模型的热效率? 热机在给我们带来便利的同时，也产生了环境问题，如热污染、废气排放。作为“未来工程师”，如何设计更环保的热机，让能源利用与自然共生，为人类可持续发展筑牢根基。 希望同学们在未来能肩负起这一重要的责任。 五、课堂总结 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 五、课堂总结 了解热机工作原理，制作一个简易热机模型. ①热源的选择. ②工作物质的选择. ③将内能转化成机械能的方法. ●材料的准备与选择. ●制作步骤. 制作简易热机模型 项目实施 项目分析 项目提出 展示交流 五、课堂总结 我们可能从未直接见过一台汽轮机，但我们的生活时刻离不开它: ●我们开的灯、用的电脑的电能来自它。 ●冬天我们家中的暖气可能来自它。 ●我们网上购物收到的快递，其运输的大型货轮可能由它推动。 ●我们使用的塑料制品、钢材、纸张等商品，在其生产过程中很可能也利用了它提供的动力和蒸汽。 ●处理我们产生的生活垃圾，也有它的一份功劳。 汽轮机是一种典型的“幕后英雄”式设备，它作为将内能转化为机械能的核心装置，支撑着整个现代工业社会和我们的日常生活。 六、提升训练 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 六、练习与应用 1. 如图所示，实践小组制作了一个简易汽轮机装置，在易拉罐中装入适量的水，将吸管一端插入易拉罐中，用胶将罐的开口处密封。用酒精灯加热，水沸腾后从管口喷出蒸汽，使风车转动。下列说法正确的是（ ） D A．蒸汽被喷出后，其内能保持不变 B．水沸腾前，水的内能是通过做功的方式改变的 C．酒精灯内的酒精在燃烧过程中，将内能转化为化学能 D．蒸汽推动风车转动时的能量转化与汽油机做功冲程相同 六、练习与应用 【解析】A．蒸汽从管口喷出后，使风车转动，对风车做功，蒸汽的内能转化为风车的机械能，其内能会减小，故A错误； B．水沸腾前，酒精燃烧产生的热量通过热传递的方式传递给水，使水的内能改变，故B错误； C．酒精燃烧过程中，将化学能转化为内能，故C错误； D．蒸汽推动风车转动的过程中，蒸汽的内能转化为风车的机械能；汽油机的做功冲程中，燃气的内能转化为活塞的机械能，故蒸汽推动风车转动时的能量转化与汽油机做功冲程相同，故D正确。 故选D。 六、练习与应用 2. 如图是课外兴趣小组制作的“蒸汽船”模型，在铜制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（　　） B 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。 六、练习与应用 【解析】A．蜡烛燃烧放出的热量被水吸收，使水的内能增大，这是通过热传递的方式改变水的内能，故A错误； BD．当铜管向右喷蒸汽时，“船体”向左运动，这个过程的能量转化是内能转化为机械能。这与热机做功冲程的能量转化相同，故B正确，D错误； C．水在沸腾时，一部分水吸收热量变为水蒸气，剩余的水内能减小，但水和水蒸气总的能量不变，符合能量守恒定律，故C错误。 故选B。 六、练习与应用 3. 【跨学科实践·制作简易热机模型】某小组的同学们在项目化学习过程中，制作了如图所示的器具研究热机原理。实验时向易拉罐内部注入适量的水，塞上带导气管的塞子。将导气管的另一端管口对准叶轮的叶片。点燃酒精灯，当导气管出气口有蒸气喷出时，叶片就转动起来。 （1）充当能量传递和转化的工作物质是__________； （2）将___________转化为机械能通过小风车装置实现。 水蒸气 内能 加热过程中不要用手触摸易拉罐，以免烫伤 （3）某团队的同学们发现项目实施过程中存在一些不安全因素，请你为他们拟写一条注意事项__________。 六、练习与应用 【解析】（1）汽轮机模型工作过程，首先酒精灯燃烧，将酒精的化学能转化为内能，使水的温度升高，产生大量水蒸气。然后，水蒸气从笔的尖端喷出，推动扇叶转动，将水蒸气的内能转化为扇叶的机械能。充当能量传递和转化的工作物质是水蒸气。 （2）汽轮机模型工作过程，首先酒精灯燃烧，将酒精的化学能转化为内能，使水的温度升高，产生大量水蒸气。然后，水蒸气从笔的尖端喷出，推动扇叶转动，将水蒸气的内能转化为扇叶的机械能。 （3）实验过程中使用了酒精灯，且易拉罐中装有热水和蒸汽，存在烫伤或火灾等风险。因此可提出的注意事项如实验时要远离易燃物，防止酒精灯点燃易燃物引发火灾，或加热过程中不要用手触摸易拉罐，以免烫伤等。 六、练习与应用 4. 跨学科实践：制作简易汽轮机模型 热机对人类文明发展起着重要的推动作用。同学们成立了制作简易汽轮机模型的项目团队，制定了“项目提出——项目分析——项目实施——展示交流”的学习流程，研究了热机原理，收集材料组装了如图所示的汽轮机模型。 实验时向易拉罐内部注入大约半罐水，将去掉笔芯和尾塞的中性笔的尾端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐放置在支架上，笔的尖端对准小风扇的扇叶。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。 六、练习与应用 （1）汽轮机模型工作过程的能量转化情况为：_____→_____→_____； （2）随着酒精的燃烧，酒精灯内剩余酒精的热值_____（填“变大”“变小”或“不变”）。加热过程中，易拉罐中的水的温度升高，是通过_____的方式改变水的内能的； （3）团队的同学们在测试过程中，发现扇叶不转动，出现这种现象的原因可能是_____；（答出一条即可） （4）热机发展史也是一部热机效率提高史，在展示交流环节，对如何提高简易汽轮机效率，同学们进行了激烈讨论。请你依照“结构决定功能”的观念，从结构的角度思考，帮助他们提出一个可行性措施：_____。 化学能 内能 机械能 热传递 改进蒸汽喷出的通道结构，使蒸汽更集中地冲击扇叶，提高内能到机械能的转化效率；增强装置的密封性，减少蒸汽泄漏，减少内能损失；优化扇叶的形状，如做成流线型，降低转动阻力，提高机械能转化效率等。 不变 可能是蒸汽的推力不足或装置结构问题 六、练习与应用 【解析】（1）酒精燃烧时，将化学能转化为内能。酒精的化学能通过燃烧释放，使水和蒸汽获得内能。蒸汽喷出推动扇叶转动时，将蒸汽的内能转化为扇叶的动能。因此能量转化过程为：化学能→内能→机械能。 （2）热值是燃料的固有属性，只与燃料的种类有关，与质量、燃烧情况无关。因此，酒精灯内剩余酒精的热值不变。加热过程中，水通过吸收酒精灯火焰的热量升高温度，这种通过热传递改变水的内能。 （3）扇叶转动的动力来自蒸汽的推力，若扇叶不转动，可能是蒸汽的推力不足或装置结构问题。例如：水的温度太低，产生的蒸汽推力不够；蒸汽喷出方向未对准扇叶，无法有效推动等。 （4）通过优化结构减少能量损失或增强能量转化效率。例如：改进蒸汽喷出的通道结构，使蒸汽更集中地冲击扇叶，提高内能到机械能的转化效率；增强装置的密封性，减少蒸汽泄漏，减少内能损失；优化扇叶的形状，如做成流线型，降低转动阻力，提高机械能转化效率等。 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 Lavf59.27.100 $