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

该初中物理教学设计聚焦热机工作原理及内能转化为机械能核心知识点，通过生活中热机应用实例情境导入，衔接已学的热机及效率知识，以项目式学习为支架，引导学生从理论理解走向动手实践。 资料特色在于采用项目式学习与小组合作探究，通过设计制作汽轮机模型（如易拉罐动力装置、叶轮组装调试）直观验证内能转化为机械能，体现科学探究与科学思维。展示交流培养合作意识，练习巩固能量转化分析，助力学生提升动手与问题解决能力，为教师提供可操作的跨学科实践教学方案。

14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 人教版 九年级物理全一册 第十四章 第4节 课题 课型 课时 教材版本 14.4 制作简易热机模型 跨学科实践课 1课时（45分钟） 人教版 九年级全一册 教学方法 项目式学习法、小组合作探究、实验法、讨论交流法 教学用具 易拉罐、笔杆、叶轮、齿轮轴、轴套、空心圆管、木条、酒精灯、火柴、橡皮泥、热熔胶枪、支架、水 教材分析：本节是第十四章的跨学科实践课，在学生已学完热机、热机的效率之后，通过动手制作汽轮机模型，加深对热机工作原理、能量转化的理解。项目分为四个阶段：项目提出→项目分析（内燃机vs外燃机、热源选择、工作物质、能量转化方式）→项目实施（设计汽轮机、制作动力装置、组装叶轮、实验调试）→展示交流。贯穿始终的核心线索是“内能→机械能”的能量转化过程。末尾3道练习围绕能量转化判断和改进措施展开。 学情分析：学生已掌握热机的工作原理和四冲程能量转化，但“内能→机械能”仍然是抽象概念。动手制作汽轮机模型能将抽象的能量转化过程变成可观察的现象（蒸汽高速喷出推动扇叶转动），极大地调动学生的学习兴趣。学生对动手制作活动往往热情很高，但实验调试环节可能碰到困难（叶轮不转、蒸汽不对准叶片等），教师要提前准备好应对策略。 本节概要：情境导入（热机在生活中的应用）→项目提出→项目分析（内燃机vs外燃机、热源/工作物质/能量转化方式的选择分析）→项目实施（设计→制作动力装置→组装叶轮→实验调试）→展示交流→小结→3道练习。 核心素养目标 物理观念 通过活动，熟悉简单热机的结构和原理。 科学思维 通过活动，进一步加强对热机做功、内能转化为机械能知识点的理解。 科学探究 通过设计汽轮机模型并调试运行，培养动手实践能力和问题解决能力。 科学态度与责任 通过讨论和交流，培养学生合作的意识和将所学知识应用生活的意识。 教学重难点 教学重点：①汽轮机模型的设计思路和制作方法；②内能转化为机械能的实验验证。 教学难点：①汽轮机模型的调试——蒸汽喷射方向与叶轮转动的匹配；②从实验现象中抽象出“内能→机械能”的本质认识。 教学过程 环节一：情境导入（3分钟） 【教师活动】展示图片，提问：热机是人们获得动力的重要机械，你知道哪些常见的热机？例如燃油汽车中的汽油机、大型轮船使用的柴油机或汽轮机、有些飞机使用的喷气发动机等。 【学生活动】回顾并回答：汽油机、柴油机、蒸汽机、汽轮机、喷气发动机等。它们的共同本质是将内能转化为机械能。 【过渡语】如果我们能亲手制作一个热机模型，就可以更好地了解热机的工作原理、能量转化过程，以及各部分是如何协调工作的。今天我们就来完成这个项目！ 环节二：项目提出（4分钟） 热机应用与项目引入图 项目提出：制作一个热机模型 【教师活动】宣布项目任务：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。 【学生活动】明确项目目标，分组讨论初步设想。 环节三：项目分析（10分钟） 【教师活动】分析问题一：热机的分类。以汽油机为例，它的工作物质是在汽缸内的空气和汽油混合物——汽油机属于内燃机。以蒸汽机为例，其燃烧室在汽缸外，燃料燃烧使水变成水蒸气，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——蒸汽机属于外燃机。 【知识点】内燃机：燃料在汽缸内燃烧，如汽油机。外燃机：燃烧室在汽缸外，如蒸汽机。 【教师活动】分析问题二：用什么作热源？——热源可以是酒精灯、蜡烛、燃气、煤气等。 【教师活动】分析问题三：工作物质是什么？——水沸腾后产生的水蒸气。 【教师活动】分析问题四：应该制作内燃机还是外燃机？——制作采用燃烧燃料加热水产生蒸汽来做功的外燃机，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。 【学生活动】讨论并理解：内燃机需要封闭汽缸、火花塞等复杂部件，且存在安全隐患；外燃机用开放式加热，结构简单、材料容易获得。 【教师活动】分析问题五：如何将内能转化为机械能？——用酒精灯给水加热，水变成高温高压的水蒸气，水蒸气高速喷出推动扇叶转动。这样一来，水蒸气的内能就变成了扇叶运动的机械能。 【知识点】汽轮机模型能量转化链：酒精的化学能→水蒸气的内能→扇叶的机械能。核心原理：内能→机械能。 【过渡语】项目分析完成，各小组已经明确了设计方案——用酒精灯加热易拉罐中的水，水蒸气喷出推动叶轮转动。接下来开始动手制作。 环节四：项目实施（18分钟） 步骤一：设计汽轮机模型并准备材料 【教师活动】展示材料清单：易拉罐、笔杆、叶轮、齿轮轴、轴套、空心圆管、木条、酒精灯、火柴、橡皮泥、热熔胶枪、支架和适量水。 材料清单与汽轮机模型设计图 汽轮机的“动力装置”示意图 汽轮机的“叶轮”示意图 【学生活动】各小组核实材料，理解每种材料的用途：易拉罐用于装水和产生水蒸气，笔杆作为喷嘴，叶轮用于将蒸气动能转化为机械能。 步骤二：制作汽轮机的“动力装置” 【教师活动】讲解制作步骤： （1）向易拉罐内装入适量水（50mL左右）。 （2）将笔杆插入易拉罐孔中，用橡皮泥密封罐口。 （3）将易拉罐平放在支架上。 制作动力装置——将笔杆插入易拉罐 汽轮机的“动力装置”完成图 安全提示：1. 摆放易拉罐时，喷嘴不要朝向人。2. 操作过程中，皮肤不要接触高温易拉罐和高温蒸汽。 【学生活动】分组操作制作动力装置，注意安全规范。重点检查橡皮泥密封是否严实，喷嘴方向是否安全。 步骤三：组装汽轮机的“叶轮” 【教师活动】讲解组装步骤： （1）轮轴与叶轮连接，空心管插入轮轴，轴套固定于轮轴外端。 （2）用胶将木条固定在空心管上。 组装叶轮——轮轴与叶轮连接 【学生活动】分组操作组装叶轮，确保叶轮能自由转动，轮轴与叶轮连接牢固。 步骤四：进行实验并调试汽轮机模型 【教师活动】讲解实验步骤： （1）酒精灯火焰的外焰正对易拉罐下方加热。 （2）将“叶轮”靠近蒸汽，调试一定角度，使其转动。 实验调试——酒精灯加热易拉罐 【学生活动】分组实验调试，观察叶轮转动情况。如叶轮不转或转速慢，尝试调整叶轮角度、距离或加大火焰重新实验。 【设计意图】实验调试是本节最能调动学生积极性的环节。叶轮转起来的瞬间，学生能直观感受到“内能→机械能”的转化过程。这个成功体验对坚固热机原理的理解起关键作用。调试失败也是学习——分析为什么不转，地点有哪些可能原因。 环节五：展示交流（5分钟） 【教师活动】组织展示交流：1. 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。2. 谈谈制作过程中的难点和心得体会，讨论可以改进的地方。 【学生活动】各小组派代表展示模型并汇报：制作过程、遇到的问题、解决方案、改进建议。其他小组可以提问或给出建议。 【设计意图】展示交流不仅检验实验成果，更重要的是通过分享让学生互相学习不同的设计思路和解决方案，培养合作意识和表达能力。 环节六：课堂小结（3分钟） 【教师活动】引导学生回顾整个项目流程：项目提出（为什么做？——更好理解热机工作原理）→项目分析（怎么做？——外燃机、酒精灯热源、水蒸气工作物质、内能→机械能）→项目实施（动手做！——动力装置、叶轮、调试）→展示交流（分享与改进）。 【学生活动】完成学案上的项目流程图和能量转化链填写。 课堂练习（5分钟） 【教师活动】练1 如图是某跨学科实践小组制作的简易汽轮机模型，请完成1-2题。 简易汽轮机模型图 【教师活动】1．关于该模型在工作过程中发生的能量转化和转移，下列说法正确的是(　　) A．酒精燃烧：内能转化为化学能 B．加热水产生蒸汽：机械能转化为内能 C．蒸汽推动扇叶转动：内能转化为机械能 D．热量散失：一部分水的内能消失 【学生活动】选C。解析：A错——酒精燃烧是化学能转化为内能；B错——加热水产生蒸汽是内能的转移，不是转化；C正确——蒸汽推动扇叶转动是内能→机械能；D错——能量不会消失，只是转移到空气中。 【教师活动】2．为了加快扇叶的转动速度，小组成员提出了下列改进措施，其中不合理的是(　　) A．延长酒精灯的加热时间 B．使用更轻的材料制作扇叶 C．用保温材料包裹烧瓶(不含底部) D．换用加热效率更高的热源 简易汽轮机模型图（练习题配图） 【学生活动】选A。解析：延长加热时间只会让更多水变成蒸汽，但不会提高蒸汽喷出速度，不能直接加快扇叶转速。B有效——更轻的扇叶惯性更小，更容易被推动；C有效——保温材料减少热量散失，更多内能用于产生蒸汽；D有效——提高热效率意味着更多热量用于加热水。 “蒸汽船”模型图 【教师活动】3. 如图是小明制作的简易“蒸汽船”模型。将盛有一定量水的铜制容器安装在“船体”上，用蜡烛对铜制容器底部加热，一段时间后铜管会向右喷蒸汽，“蒸汽船”就向左行驶。 ①蜡烛对铜制容器底部加热导致容器内水温升高，这是通过___________的方式改变水的内能。 ②当管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，这个过程的能量转化是：___________能转化为___________能。这与热机的___________冲程相同。 【学生活动】填空：①热传递；②内能，机械能，做功。解析：蜡烛燃烧加热铜制容器——热传递改变内能；蒸汽向右喷出时，对船反作用向左推动——内能→机械能，跟汽油机的做功冲程相同（高温高压气体推动活塞做功）。 板书设计 14.4 制作简易热机模型 一、项目提出 目标：亲手制作汽轮机模型，理解热机工作原理和能量转化 二、项目分析 内燃机（汽油机）vs 外燃机（蒸汽机） 选用外燃机：安全、材料易得 热源：酒精灯 · 工作物质：水蒸气 能量转化：内能→机械能 三、项目实施 ①制作动力装置（易拉罐+笔杆+橡皮泥） ②组装叶轮（叶轮+轴套+木条） ③实验调试（外焰加热、叶轮靠近蒸汽、调整角度） 四、展示交流 展示模型·交流难点和心得·讨论改进 人教版 九年级全一册 第十四章 第4节 教学反思 □ 项目分析环节中，“为什么选择外燃机而不是内燃机”的问题，学生是否能从安全性、材料可获得性两个角度独立分析？ □ 制作动力装置时，橡皮泥密封是关键步骤——如果漏气，蒸汽压力不足就推不动叶轮。教师是否提前测试过？学生操作时是否检查了密封性？ □ 实验调试是最容易出现“叶轮不转”的环节。教师是否准备了排障指南：蒸汽量不足？叶轮角度不对？叶片太重？让学生自己排查原因比直接告诉答案更有价值。 □ 练3的“蒸汽船”模型涉及了热传递和做功两种改变内能的方式，同时联系了热机的做功冲程。学生能否正确区分“热传递”和“做功”？“蜡烛加热”和“84b8汽喷出”的能量转化过程有何不同？ □ 这是一节跨学科实践课，实验操作占据了大量时间，知识点的解释与实验操作的时间分配是否合理？如果时间不够，可以提前布置部分制作工作为课前任务。 学科网（北京）股份有限公司 $