14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 （教学设计） 物理新教材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，通过复习热机能量转化及生活实例，结合教师演示简易热机模型转动现象，衔接14.2热机、14.3热机效率理论知识，搭建理论到实践的学习支架。 此资料以跨学科实践为特色，融合物理能量转化、化学燃料燃烧、劳动手工制作，引导学生经历模型设计、组装调试、故障排查完整流程，落实科学探究与科学思维，如分析漏气、动力弱等问题优化方案，培养安全规范与低碳意识，助力学生直观理解抽象原理，帮助教师高效落实新课标跨学科实践要求。

14.4 跨学科实践：制作简易热机模型（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 教学 目标 物理观念 通过动手制作简易热机，直观再现内能转化为机械能的过程，巩固热机工作原理、能量转化相关物理概念。 科学思维 在模型设计、故障排查中分析动力不足、无法运转的原因，运用能量转化、热损耗逻辑推理优化方案。 科学探究 完整经历提出方案、选材组装、调试改进、实验观察的探究流程，动手验证热机的基本工作规律。 科学态度与责任 融合劳动实践、安全规范意识，体会工程制作严谨性，懂得节约材料、规范用火，树立低碳节能的工程设计理念。 教材 分析 本节是第十四章跨学科实践活动，是对 14.2 热机、14.3 热机效率理论知识的实操落地，融合物理热学、化学燃料燃烧、劳动手工制作、工程设计多学科内容。学生通过自制蒸汽式简易热机，复刻课本水蒸气冲塞实验，具象理解热机 “内能→机械能” 核心原理；在制作、调试、改良过程中，分析热损耗、密封、燃料等影响模型运转的因素，深化热机效率相关知识；同时锻炼动手操作、工程设计、小组协作能力，落实新课标跨学科实践要求，实现理论与手工实践结合。 学情分析 已有基础：学生已系统学习热机原理、四冲程、热值、热机效率，知晓水蒸气推动物体的能量转化，具备基础手工裁剪、组装能力。 存在难点：密封处理不到位导致漏气、加热水量过多 / 过少、火焰位置不当、支架不稳造成模型无法运转；难以自主分析故障并改良；用火操作存在安全隐患。 学习特点：动手实践积极性高，但操作细心度不足，小组分工易混乱，需要教师分步示范、提前明确安全规范、分层指导调试。 教学重点 1.简易蒸汽热机模型组装操作，完整再现内能转化为机械能； 2.结合模型说出热机工作过程、能量转化； 3.跨学科融合：物理能量转化、化学燃料燃烧、劳动手工加工。 教学难点 1.模型密封、配重、加热量的调试优化； 2.自主排查模型不转动、动力弱等故障并提出改进方案； 3.结合模型分析能量损耗，联系热机效率知识。 教学 器材 小号金属铝制药瓶 / 易拉罐、细硬质吸管、橡胶塞、塑料叶轮、铁丝支架、酒精灯、火柴、烧杯、水、隔热石棉垫、尖嘴钳、剪刀、热熔胶、砂纸；故障示范半成品、成品标准模型。 教学过程 教师活动 学生活动 复习导入，项目提出（5分钟） 1. 复习提问：热机的核心能量转化是什么？生活中蒸汽机、内燃机如何实现持续做功？ 2. 演示激趣：教师展示自制简易热机模型，点燃蜡烛加热，叶轮持续转动，让学生直观观察内能驱动机械转动的现象。 3. 导入课题：今天结合物理、劳动、化学知识，亲手制作简易热机模型，模拟真实热机的工作过程。板书课题。 4. 安全前置：强调明火、尖锐工具、高温罐体的安全操作规范。 思考并回答老师的问题 学习新课 项目分析（5分钟） 模型完整能量转化： 蜡烛燃烧（化学能→内能）→加热水产生高温高压水蒸气→水蒸气喷出推动叶轮转动（内能→机械能） 核心制作要点：罐体密封不漏气、喷管对准叶轮、叶片角度合适、水量适中、支架稳固。 分析叶轮机能量转化，理解热机模型制作的要点 学习新课 项目实施（20分钟） 教师分步示范，学生分组协作完成制作： 步骤1：制作密封蒸汽罐体 裁剪易拉罐制作储水罐，橡胶塞打孔穿入吸管作为喷气管，用胶带或热熔胶密封缝隙，杜绝漏气。 步骤2：制作动力叶轮 塑料圆片均匀剪出4-6片叶片，统一向外弯折30°，保证蒸汽可以冲击叶片产生转动力。 步骤3：搭建固定支架 用细铁丝制作支架，固定叶轮与罐体，保证喷管正对叶片，高度对齐、整体稳固。 步骤4：加水组装预调试 罐内加入10-15mL清水，塞紧胶塞，摆放蜡烛，调整整体位置，完成预组装。 制作热机模型 学习新课 展示与交流（10分钟） 学生点燃蜡烛加热，观察叶轮转动，教师引导故障排查： 故障1：叶轮不转动——罐体漏气、喷管偏移、叶片角度过平、无水无蒸汽 故障2：转动缓慢、动力弱——水量过多、火焰过小、吸管孔径过大、距离过远 故障3：装置晃动——支架底座过轻，增加配重加固 知识延伸：漏气、散热、摩擦都会造成能量损耗，降低模型的“热机效率”。 分析交流模型存在的故障问题以及解决办法 【典例】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，并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。 (1)汽轮机模型工作过程的能量转化情况为：化学能___________机械能； (2)某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） (3)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：___________。 【答案】(1)内能 (2)笔尖喷出的蒸汽太少 (3)在易拉罐上半部分覆盖保温层 【详解】（1）酒精燃烧，是将酒精内部的化学能转化为内能释放出来，然后将内能通过热传递转移给水和易拉罐，水吸热迅速的汽化，形成大量的水蒸气，水蒸气对扇叶做功，将水蒸气的内能转化为扇叶的机械能。 （2）在测试过程中，发现扇叶不转动，可能水蒸气的内能太小，笔尖喷出的蒸汽太少。 （3）在易拉罐上半部分覆盖保温层，可以减少热量的损失，提高汽轮机效率。 通过例题练习，加深理解热机模型的制作过程及注意事项 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 1．（2026·湖南娄底·二模）图是某科技小组自制的简易热机。点燃蜡烛，易拉罐中产生蒸汽喷出推动扇叶转动。下列说法正确的是（    ） A．燃料燃烧放出热量越多，其热值越大 B．易拉罐中的蒸汽主要通过做功的方式增大内能 C．蜡烛燃烧时化学能直接转化为机械能 D．蒸汽推动扇叶转动起来的过程中，蒸汽的部分内能转化为扇叶的机械能 【答案】D 【详解】A．热值是燃料本身的固有属性，只和燃料的种类有关，与燃料燃烧放出热量的多少无关，故A错误； B．蜡烛燃烧加热易拉罐内的水产生蒸汽，蒸汽是通过热传递的方式增大内能，故B错误； C．蜡烛燃烧时，是将化学能转化为内能，不是直接转化为机械能，故C错误。 D．蒸汽喷出推动扇叶转动时，蒸汽对外做功，部分内能转化为扇叶的机械能，故D正确。 故选D。 2．（2026·天津北辰·一模）跨学科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，用酒精灯加热至沸腾，而后，蒸汽从管口喷出使风车转动。简易汽轮机工作过程中（　　） A．酒精燃烧时，内能转化为化学能 B．管口喷出的“白气”是水蒸气 C．蒸汽被喷出时，内能转化为机械能 D．蒸汽的内能可以全部转化为风车的机械能 【答案】C 【详解】A．酒精燃烧时，将酒精储存的化学能转化为内能，故A错误； B．水蒸气是肉眼不可见的气体，管口喷出的“白气”是水蒸气遇冷液化形成的小水滴，故B错误； C．蒸汽喷出时推动风车转动，将蒸汽的内能转化为风车的机械能，故C正确； D．能量转化过程中不可避免存在能量损耗，如内能散失、克服摩擦消耗能量等，蒸汽的内能不可以全部转化为风车的机械能，故D错误。 故选 C。 3．（24-25九年级上·福建泉州·期中）点燃如图所示的走马灯底部蜡烛， 扇叶可以在热空气的驱动下转动起来。该过程与汽油机工作中能量转换相似的是（　　） A．吸气冲程 B．压缩冲程 C．做功冲程 D．排气冲程 【答案】C 【详解】扇叶可以在热空气的驱动下转动起来，是内能转化为机械能，与汽油机工作中能量转换相似的是做功冲程，故ABD不符合题意，C符合题意。 故选C。 4．（24-25九年级上·江苏苏州·期末）如图所示，将一个空易拉罐的底部钻一个小孔，从易拉罐开口端向罐内喷适量酒精喷雾，然后将一个空纸杯迅速套上。用细线将易拉罐水平悬挂在铁架台上，将点燃的打火枪靠近易拉罐底部的小孔，纸杯就会“向前”飞去。以下说法正确的是（　　） A．酒精燃烧越充分，其热值越大 B．纸杯飞出去时，易拉罐对纸杯做了功 C．纸杯飞出去时，易拉罐内气体的内能减小 D．纸杯飞出过程中的能量转化，与内燃机的压缩冲程相同 【答案】C 【详解】A．燃料的热值是燃料的一种特性，热值的大小与燃料的种类有关，与质量和燃烧情况等无关，因此酒精是否充分燃烧，其热值不变，故A错误； BC．纸杯飞出去时，易拉罐内的酒精燃烧产生的气体对纸杯做功，气体的内能减小，故B错误，C正确； D．纸杯飞出过程中，内能转化为机械能，内燃机的压缩冲程中将机械能转化为内能，两者能量转化不同，故D错误。 故选C。 5．（24-25九年级上·安徽阜阳·阶段检测）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（　　） 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 【详解】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。 6．（25-26九年级上·陕西榆林·期末）如图是小明制作的简易“蒸汽船”模型。将盛有一定量水的玻璃容器安装在“船体”上，用蜡烛对玻璃容器底部加热，一段时间后铜管会向右喷蒸汽，“蒸汽船”就向左行驶。蜡烛对玻璃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。当铜管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，该过程将内能转化为________能，该过程中能量的总量________。 【答案】 热传递 机械 保持不变 【详解】[1]蜡烛燃烧放出热量被水吸收，水温升高，增大了水的内能，这是通过热传递的方式改变水内能。 [2]当铜管向右喷蒸汽时“船体”向左运动，此时气体内能减小，“船体”机械能增大，这个过程将内能转化为机械能。 [3]根据能量守恒定律可知，该过程中能量的总量保持不变。 7．（25-26九年级上·河南焦作·期中）如图所示是小光制作的简易热机模型。 (1)制作过程中，需要将笔的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处____________。 (2)点燃易拉罐下面的酒精灯，当蒸汽喷出时，扇叶转动起来，此过程相当于内燃机的____________冲程。 (3)为了提高热机的效率，我们可以在气缸、管道等部位使用____________材料，以减少____________。 【答案】(1)密封 (2)做功 (3) 隔热 热量散失 【详解】（1）该模型需要让罐内水产生的水蒸气集中从笔尖喷出，推动扇叶，因此必须将罐的开口处密封，防止蒸汽漏气，才能保证蒸汽从笔尖喷出。 （2）该过程中水蒸气的内能转化为扇叶的机械能，内燃机的做功冲程正是将内能转化为机械能，因此对应做功冲程。 （3）热机能量损失的主要原因之一是机件散热带走大量内能，在气缸、管道部位使用隔热材料，可以减少热量散失，从而提高热机效率。 8．（2026九年级下·安徽·专题练习）实践小组制作了如图简易汽轮机模型，操作过程如下： ①取一个空易拉罐，用铁丝根据易拉罐的形状制作支架； ②向易拉罐内注入大约半罐水，将笔管的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，用密封胶将罐的开口处密封； ③将易拉罐放在支架上，笔管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芯喷出，推动风扇转动。 (1)上述过程中酒精燃烧将化学能转化为内能，水沸腾产生大量水蒸气。水蒸气对小风扇做功，将内能转化为_______，这个过程相当于热机的_______冲程； (2)热机发展史也是一部机械效率提高史，如何提高该汽轮机效率，请你帮他们提出一条可行性措施_______。 【答案】(1) 机械能 做功 (2)给易拉罐包裹隔热材料，减少热量散失 【详解】（1）[1]水蒸气推动小风扇转动，对外做功，将自身的内能转化为风扇的机械能。 [2]热机的做功冲程的能量转化就是内能转化为机械能，因此该过程相当于热机的做功冲程。 （2）提高热机效率的思路是减少能量损耗，只要能减少该装置的热量散失、额外功损耗或工作物质泄漏，都可以提高效率，如①给易拉罐包裹隔热材料，减少热量散失。②优化笔管喷嘴的形状，让水蒸气的能量更集中地作用在扇叶上。③使用效率更高的酒精灯，减少燃料的浪费等。 板 书 设 计 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 一、工作原理 能量转化：化学能 → 内能 → 机械能（外燃机） 二、制作步骤 1. 密封蒸汽罐 2. 制作倾斜叶轮 3. 搭建支架 4. 调试加热 三、常见故障与改进 不转→漏气、角度不对；动力弱→水多、火小、喷管不合理 四、跨学科融合 物理（能量转化）、化学（燃料燃烧）、劳动（手工制作） 课 堂 小 结 第4节 跨学科实践：制作简易热机模型 作 业 1. 完成教材课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步分层作业 教学反思 本节课为跨学科实操课，学生参与积极性极高，通过亲手制作模型直观理解了热机内能转化为机械能的核心原理，有效突破抽象知识点。 课堂主要问题集中在密封处理不到位导致漏气、叶轮角度不标准、水量控制不当，多数故障源于操作不细致。同时部分学生安全操作意识不足，明火操作需要反复提醒。 后续教学可提前预制部分配件，降低课堂组装难度，增加对比实验，让学生直观感受“密封好坏、水量多少”对热机效率的影响，进一步落实跨学科实践育人目标。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $