14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 导学案-2026-2027学年人教版物理九年级全一册

该初中物理导学案围绕“制作简易热机模型”展开，核心知识点为热机工作原理及内能转化为机械能的过程。课堂通过热机应用情境导入提问，结合旧知温故复习力、汽化、能量等前序知识，搭建从理论到实践的学习支架。 特色在于采用项目式学习，通过“提出-分析-实施-展示”流程引导学生动手制作模型，具象化抽象概念。注重科学探究能力培养，结合安全操作与课外拓展，提升学生科学态度与责任，习题设计兼顾基础与跨学科实践，助力核心素养发展。

14.4 制作简易热机模型 预习提要 1.利用内能做功的规律，动手设计简易热机模型，观察内能转化为机械能的实验现象，分析模型工作中的能量损耗问题。 2.阅读课本P35—P36内容，自主探究“制作简易热机模型”小节基础知识内容，并根据阅读内容填写本节预习任务，把握本课重难点。 旧知温故 1.力可以改变物体的形状，也可以改变物体的________。 2.液体受热汽化，体积急剧膨胀，内部________会增大。 3.力的作用是________，向外喷出的气流会产生反向推动力。 4.材料导热能力各不相同，金属一般导热较________。 5.装置组装时减小摩擦，能够降低能量的额外________。 6.实验操作中，高温物体容易________，要注意安全防护。 7.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________________________。 【情境导入】 热机是人们获得动力的重要机械 【思考】这些大型机器依靠什么提供动力？它们的工作原理是什么呢？ 一、项目提出 （1）查阅资料，尝试说出希罗蒸汽机的构造和工作原理吗？ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ （2）查阅资料，尝试说出摆动式蒸汽机的构造吗？ _________________________________________________________________________________ 二、项目分析 希罗蒸汽机项目分析 【想一想 1】 出于方便安全考虑，选择哪种物质作为热源？怎样选择工作物质？ ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 【想一想 2】 制作安全性要考虑哪些问题？ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 【想一想 3】 根据方便、易寻找、安全的原则，怎样选择制作材料？ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 酒精灯和蜡烛相比，使用安全要求更高，需注意以下几点： ①酒精灯必须用火柴点燃，禁止用一盏酒精灯引燃另一盏酒精灯，否则可能引发火灾。 ②酒精灯使用完毕后，应用灯帽盖灭，禁止用嘴吹灭。 ③如果酒精洒到桌面上并引发燃烧，要用湿抹布盖灭。 三 项目实施 希罗蒸汽机制作 【材料准备】 易拉罐1个、滴管1个、蜡烛1支、细绳1根、清水1杯、铁架台1套、钳子、螺丝刀 【制作步骤】 1.易拉如何开孔？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2.如何向易拉罐内加水？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3.怎样把易拉罐挂在支架上？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 【注意事项】 1.打孔时要注意安全，避免手部受伤。 2.使用胶水时要小心，防止胶水进入眼睛或接触皮肤。 3.点燃蜡烛或酒精灯时需使用火柴或打火机，按照正确操作方法进行，避免发生火灾。 4.实验过程中要注意观察，防止被蒸汽烫伤。 5.制作过程中要保持台面整洁，实验结束后要及时清理实验器材和场地。 四、展示交流（可以课后完成） 1.在制作和实验过程中，遇到了哪些问题？是如何解决的？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 2.通过实验，对热机的工作原理有了哪些更深入的理解？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 3.在实验中观察到了哪些有趣的现象？这些现象说明了什么？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 4.在制作过程中，有哪些创新的想法和做法？这些创新对模型的性能有什么影响？ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 课前自测 1.（多选）实践小组制作的简易热机模型如图所示。易拉罐中装有适量的水，点燃酒精灯，有蒸汽喷出时，风车的扇叶就转动起来。下列说法正确的是(      ) A.酒精燃烧过程中热值不变 B.管口冒出的“白气”是汽化现象 C.蒸汽的内能转化为扇叶的机械能 D.简易热机模型改进后效率可达100% 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）。 课外拓展：蒸汽机：发明演进与变革 蒸汽机起源于古希腊，瓦特重大改良后推动工业革命，改变生产生活方式，促进科技进步，影响深远。 一、蒸汽机的起源与雏形 瓦特改良蒸汽机 世界上第一台蒸汽机的雏形——汽转球，由亚历山大港的古希腊数学家希罗于1世纪发明。汽转球主要由一个空心的球和一个装有水的密闭锅炉以两个空心管子连接在一起。在锅底加热使水沸腾，变成水蒸气后由管子进入球中最后水蒸气从球体两旁喷出，使得球体转动。 希罗汽转球 二、早期工业燕汽机的发展 （一）丹尼斯·巴本的贡献 法国的丹尼斯·巴本在观察蒸汽从高压锅中逸出后，制造了第一台蒸汽机的工作模型。巴本受到“帕平壶”（即高压锅）的高压蒸汽启发，制造出气缸-活塞装置，奠定了蒸汽机的基本构造原理。 （二）托马斯·塞维利和托马斯·纽科门的成就 十八世纪，托马斯·塞维利和托马斯·纽科门制造了早期的工业蒸汽机，对蒸汽机的发展作出了巨大贡献。英国工程师托马斯·塞维利参考巴本的模型，发明制造出一台用于矿井抽水的蒸汽机。这是人类继自然力——人、畜、水、火、风之后，首次将蒸汽作为人工制造的动力使用。不过，这种机器还极不完善，距离“划时代”还差一步之遥。塞维利的蒸汽机利用高温蒸汽在密闭容器冷却后形成的低压，在大气压的作用下将水通过管道吸出，但由于受到大气压强的限制，抽水高度最多只能达到9米，而且效率极低。 参考答案 旧知温故 1.运动状态 2.压强 3.相互的 4.快 5.损耗 6.烫伤 7.能量的转化；进气、压缩、做功、排气；做功冲程 一、项目提出 （1）希罗蒸汽机的构造：希罗蒸汽机的构成有细线、支架、易拉罐、蜡烛和水。 工作原理：蜡烛加热易拉罐内的水，水蒸气受热膨胀，从侧壁的小孔中喷出，带动易拉罐转动。水蒸气的内能转化为机械能。 （2）构造：锅炉及加热装置、活塞与气缸、传动机构、其他部件这几类构成。 二、项目分析 【想一想 1】 热源选择：可选择酒精灯、蜡烛等常见的燃料燃烧装置作为热源。酒精灯火焰温度相对稳定，便于控制；蜡烛成本较低，获取方便。综合安全性、加热效率以及操作便利性等因素考虑，选择蜡烛作为热源。 工作物质确定：依据蒸汽机原理，可选择水作为工作物质。水受热后易汽化为水蒸气，且来源广泛、成本低廉、性质稳定。制作过程中，要确保盛装水的容器密封性良好，保证水蒸气能有效推动活塞做功。 【想一想 2】 制作安全性考量： 制作简易热机模型时，会接触高温蒸汽、锋利物体等危险因素，因此需要采取全面的安全防护措施。操作高温部件时，需佩戴隔热手套；使用剪刀、钻孔器等锋利工具时，要严格遵守操作规程，避免划伤。同时，需保证制作场地通风良好，防止燃料燃烧产生的有害气体积聚。 【想一想 3】 从安全性和材料易获取性出发，锅炉选择易拉罐，支架选择铁架台，所需工具为钳子、螺丝刀和细线。 三、项目实施 【制作步骤】 1.首先，在未开罐的易拉罐两侧靠近顶部的位置，用螺丝刀略微倾斜地各钻1个小孔，将罐内的饮料倒干。 2.用滴管往小孔中注入约50 mL清水，也可以直接对着自来水龙头灌入清水。 3.把细绳的一端系在易拉罐的拉环上，另一端系在支架横梁上，尽量让易拉罐保持竖直，不倾斜。 四、展示交流 本部分没有标准答案，请同学们积极思考、大胆发言，分享自己的想法与观点。 课前自测 1.答案：AC 解析：A.热值是燃料本身的固有特性，只和燃料的种类有关，和燃料质量、燃烧情况无关，酒精燃烧过程中燃料种类不变，因此热值不变，故A正确； B.管口冒出的＂白气＂是喷出的高温水蒸气遇冷液化形成的小液态水滴，属于液化现象，不是汽化，故B错误； C.蒸汽喷出时推动风车扇叶转动，蒸汽对外做功，将自身的内能转化为扇叶的机械能，故C正确； D.任何热机工作时都不可避免存在能量损失，比如散热损失、克服摩擦消耗能量等，因此热机效率一定小于，不可能达到，故D错误。 故选AC。 2.（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导致的。 学科网（北京）股份有限公司 $