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

初中物理·人教版九年级全一册　第十四章第4节　跨学科实践：制作简易热机模型 人教版　九年级全一册　第十四章　内能的利用 第4节　跨学科实践：制作简易热机模型　课时作业 班级：__________　姓名：__________　学号：________　用时：______分钟　得分：______ 学习目标 1．综合运用热机原理、物态变化、力的作用是相互的、能量转化与守恒等知识，理解简易热机模型的工作原理。 2．经历“明确任务—设计方案—制作模型—测试评估—改进完善—展示交流”的工程设计过程，提升动手实践能力。 3．能用控制变量法测试影响模型性能的因素，会对模型的能量转化和效率进行简单分析。 4．了解热机的发展历史及其对社会的影响，树立安全实验意识和节约能源意识。 一、知识点梳理 ◆ 知识点1　项目任务与跨学科知识储备 项目任务：利用生活中常见的材料（试管、易拉罐、吸管、铝箔、蜡烛等），制作一个能把内能转化为机械能的简易热机模型，并对模型进行测试和改进。 学科 涉及的知识 物理 热机原理（内能转化为机械能）；汽化吸热、液化放热；力的作用是相互的；能量守恒；热机效率 化学 燃料燃烧需要氧气，燃烧时化学能转化为内能；燃料不完全燃烧会产生有害气体 工程技术 工程设计的一般流程；材料的选择与加工；模型的测试与优化 历史与社会 蒸汽机的发明与改良推动了第一次工业革命；热机的广泛使用带来的环境问题 ◆ 知识点2　常见的简易热机模型 模型 工作过程 能量转化与原理 蒸汽转轮 加热试管中的水，产生的水蒸气从塞子的小孔高速喷出，冲击风车叶片使其转动 化学能→内能→机械能；水蒸气对叶片做功 蒸汽小船 小锅炉中的水受热汽化，水蒸气和水从金属管向后喷出，小船向前运动 内能→机械能；力的作用是相互的（反冲） 反冲蒸汽罐 悬挂的易拉罐内装少量水，加热后水蒸气从两根弯管沿相反方向喷出，罐体旋转 内能→机械能；力的作用是相互的（反冲） 热气转轮（走马灯） 蜡烛加热周围空气，热空气密度变小而上升，推动上方倾斜的叶轮转动 内能→机械能；热空气上升做功 简易蒸汽转轮示意图 【易错提醒】简易蒸汽模型中，燃料在“锅炉”（试管、易拉罐）外部燃烧，与蒸汽机类似；而汽油机、柴油机的燃料在汽缸内部燃烧，属于内燃机。 模型喷口处看到的“白气”不是水蒸气，而是水蒸气遇冷液化形成的小水滴。 ◆ 知识点3　工程设计的一般流程 工程设计的一般流程 环节 主要工作 明确任务 明确模型要实现的功能（如“让风车持续转动”）和限制条件（材料、成本、安全、时间） 设计方案 查阅资料，画出设计草图，列出材料清单，分析工作原理，预测可能出现的问题 制作模型 按图加工、组装；注意连接处密封牢固、转动部分灵活 测试评估 点火测试，记录现象和数据（如风车转速、持续时间）；用控制变量法研究影响因素 改进完善 针对问题优化设计，如减小摩擦、减少散热、调整喷口大小与方向，再次测试 展示交流 展示模型，说明原理和改进过程，听取意见，撰写项目报告 ◆ 知识点4　安全规范 1. 使用蜡烛、酒精灯等明火时，要在老师指导下进行，远离易燃物，备好湿抹布或沙子。 1. “锅炉”（试管、易拉罐）不能完全密封，必须留有出气孔，防止内部气压过大发生爆裂。 1. 装水量要适当，不能加热“干烧”，也不能装得太满，以免沸水喷出烫伤。 1. 喷口不能对着人；实验结束后，待器材冷却后再拆卸，防止烫伤。 ◆ 知识点5　模型的评价与分析 评价维度 评价要点 等级（A/B/C） 科学性 原理正确，能清楚说明能量转化过程 功能性 能稳定工作，运动明显、持续时间较长 安全性 设有出气孔，结构牢固，操作规范 创新性 选材巧妙，结构有改进或独特设计 交流表达 展示清晰，能分析问题并提出改进方案 效率分析：简易热机模型的效率通常很低，燃料放出的能量大部分散失到周围空气中（加热试管、空气及水蒸气带走），只有极少部分转化为模型的机械能。这也从一个侧面说明了提高热机效率的重要性。 η = ×100%　　　Q放 = mq 二、基础巩固 【选择题】 1．用蜡烛加热试管中的水，产生的水蒸气推动风车转动。这一过程中能量转化的顺序是（　　） A．化学能→内能→机械能 B．内能→化学能→机械能 C．机械能→内能→化学能 D．化学能→机械能→内能 2．如图所示为同学们制作的简易蒸汽转轮，风车能够转动的直接原因是（　　） 第2题图 A．蜡烛火焰产生的热空气推动风车 B．从小孔高速喷出的水蒸气冲击叶片，对风车做功 C．大气压对风车的作用 D．试管受到的重力推动风车 3．在制作和测试简易蒸汽模型时，下列做法不符合安全规范的是（　　） A．喷口不能对着人 B．“锅炉”上要留有出气孔 C．为了尽快喷出蒸汽，把试管口用塞子完全塞紧 D．在桌上备好湿抹布，以便及时灭火 4．如图所示，将装有少量水的易拉罐用细线悬挂起来，罐上插有两根弯管，用蜡烛加热后，水蒸气从弯管口喷出，易拉罐转动起来。易拉罐转动的原因是（　　） 第4题图 A．易拉罐受到重力作用 B．物体间力的作用是相互的，喷出的水蒸气对弯管有反作用力 C．蜡烛的火焰推动易拉罐 D．细线对易拉罐的拉力使其转动 5．如图所示为“热气转轮（走马灯）”模型，点燃蜡烛后，上方的叶轮转动起来。叶轮转动的原因是（　　） 第5题图 A．蜡烛周围的空气受热后密度变大而下沉 B．蜡烛周围的空气受热后密度变小而上升，推动叶轮 C．蜡烛发出的光对叶轮产生推力 D．空气分子间的引力带动叶轮 【填空题】 6．制作简易热机模型的工程设计流程一般是：明确任务→__________→制作模型→__________→改进完善→__________。 7．在简易蒸汽转轮中，试管中的水吸收热量，发生__________（填物态变化名称）变成水蒸气；在喷口附近看到的“白气”，是水蒸气__________（填物态变化名称）形成的小水滴，这一过程需要__________热量。 8．18世纪，英国人__________对蒸汽机进行了重大改进，使其得到广泛应用，推动了第一次__________革命。蒸汽机工作时，燃料在汽缸__________（选填“内部”或“外部”）燃烧。 9．简易蒸汽模型和汽油机虽然结构不同，但都是把__________能转化为__________能的装置，都属于__________。不同的是，汽油机的燃料在汽缸__________燃烧。 10．如图所示为自制的蒸汽小船，加热小锅炉后，水蒸气和水从金属管口向后喷出，小船就向前运动，这说明物体间力的作用是__________的；以岸边的树为参照物，小船是__________的；小船前进的动力是由燃料的__________能经过一系列转化而来的。 第10题图 三、能力提升 【选择题】 11．小组测试蒸汽转轮时，发现风车转得太慢。下列改进措施中不合理的是（　　） A．适当增加蜡烛的数量，加大加热功率 B．在风车转轴处加少量润滑油，减小摩擦 C．调整喷口位置，使水蒸气正对叶片喷出 D．把试管中的水装满，让产生的水蒸气更多 12．关于简易热机模型，下列说法正确的是（　　） A．模型的效率很高，可以达到 50% 以上 B．燃料燃烧放出的能量大部分散失到周围空气中 C．模型工作时不遵循能量守恒定律 D．只要不断加热，模型就能无限地对外做功而不消耗能量 【实验探究题】 13．某小组利用蒸汽转轮模型探究“影响风车转速的因素”，每次实验试管中都装入相同体积的水，测得数据如下表。 实验序号 蜡烛数量/支 喷口直径/mm 风车转速/(r·min−1) 1 1 2 20 2 2 2 45 3 3 2 70 4 2 1 60 5 2 4 18 （1）实验中每次装入相同体积的水，这是运用了__________法。 （2）分析实验序号__________的数据，可探究风车转速与加热蜡烛数量的关系，结论是________________________。 （3）分析实验序号 2、4、5 的数据可知：在其他条件相同时，喷口直径越__________，风车转速越大。 （4）请你从能量的角度解释第（2）问中的结论：______________________________。 （5）喷口直径过小时，可能带来的问题是______________________（写出一条即可）。 【计算题】 14．在测试中，小组用酒精灯把试管中质量为 20 g、初温为 20 ℃ 的水加热到 100 ℃，消耗了 1 g 酒精。[c水 = 4.2×103 J/(kg·℃)，q酒精 = 3.0×107 J/kg] 求： （1）水吸收的热量； （2）1 g 酒精完全燃烧放出的热量； （3）酒精灯给水加热的效率。 15．为了估算蒸汽转轮模型的效率，小组让风车通过绕线轴提升钩码。测试一段时间，共燃烧蜡烛 2 g，风车累计把质量为 50 g 的钩码提升了 4 m。（蜡烛的热值取 4.0×107 J/kg，g 取 10 N/kg）求： （1）蜡烛完全燃烧放出的热量； （2）风车提升钩码做的有用功； （3）该模型的效率，并说明效率很低的原因。 【简答题】 16．请针对蒸汽转轮模型提出三条提高其效率或性能的改进建议。 17．请将简易蒸汽转轮模型与四冲程汽油机进行比较，分别写出它们的一个相同点和两个不同点。 四、拓展创新 【阅读与综合题】 18．阅读材料，回答问题。 斯特林发动机是一种“热气机”，它的汽缸是密封的，里面封闭着一定量的气体。工作时，从外部加热汽缸的一端，气体受热膨胀，推动活塞做功；气体流到汽缸较冷的一端后被冷却收缩，活塞返回，如此循环往复。由于热源在汽缸外部，斯特林发动机可以使用太阳能、工厂余热、燃料燃烧等多种热源，工作时噪声小，常被用于科普展示和一些特殊场合。 （1）斯特林发动机工作时，把__________能转化为__________能，它__________（选填“属于”或“不属于”）热机。 （2）斯特林发动机与汽油机相比，最主要的区别是______________________。 （3）斯特林发动机可以利用工厂余热工作，这样做的意义是______________________。 【简答题】 19．请你设计一辆利用水蒸气驱动的“蒸汽小车”模型：说明所需的主要材料，简要描述小车的结构和工作原理，并写出一条安全注意事项。（可在下方空白处画出设计草图） 参考答案及解析 ◆ 选择题答案速查 题号 1 2 3 4 5 11 12 答案 A B C B B D B ◆ 基础巩固 1．【答案】A 【解析】蜡烛燃烧，化学能转化为内能；水吸收热量，温度升高并汽化成水蒸气；水蒸气高速喷出冲击风车，内能转化为风车的机械能。 2．【答案】B 【解析】试管内的水沸腾后产生大量水蒸气，管内气压增大，水蒸气从塞子的小孔高速喷出，冲击风车叶片，对风车做功，水蒸气的内能转化为风车的机械能，使风车转动。 3．【答案】C 【解析】若把试管口完全塞紧，水蒸气无法排出，管内气压会越来越大，可能导致塞子猛烈冲出或试管爆裂，非常危险。所以“锅炉”必须留有出气孔。 4．【答案】B 【解析】水蒸气从弯管口高速喷出时，弯管对水蒸气施加了力，由于物体间力的作用是相互的，水蒸气对弯管也施加反作用力。两根弯管喷气方向相反，两个反作用力使易拉罐绕细线转动。 5．【答案】B 【解析】蜡烛燃烧使周围空气温度升高，空气受热膨胀、密度变小而上升，形成向上的热气流，推动倾斜的叶片使叶轮转动，空气的内能转化为叶轮的机械能。 6．【答案】设计方案；测试评估；展示交流 【解析】本题考查工程设计的一般流程。测试中如果发现模型不满足要求，要返回修改设计或制作，不断改进完善。 7．【答案】汽化；液化；放出 【解析】水受热沸腾，汽化为水蒸气；喷出的水蒸气遇到温度较低的空气，放出热量液化成小水滴，形成“白气”。 8．【答案】瓦特；工业；外部 【解析】蒸汽机的燃料在锅炉中燃烧，产生的蒸汽被引入汽缸做功，燃料在汽缸外部燃烧，这与内燃机不同。 9．【答案】内；机械；热机；内部 【解析】凡是利用内能做功的机械都属于热机。汽油机是内燃机，燃料直接在汽缸内部燃烧。 10．【答案】相互；运动；化学 【解析】金属管向后喷出水和水蒸气，水和水蒸气对小船施加向前的反作用力；小船相对于树的位置不断变化，是运动的；小船的动力来源于蜡烛（燃料）燃烧释放的化学能。 ◆ 能力提升 11．【答案】D 【解析】A 能使单位时间内产生的水蒸气增多；B 能减小摩擦阻力；C 能使水蒸气更有效地推动叶片，都是合理的。 把试管装满水，加热到沸腾需要很长时间，而且沸腾时热水会从小孔喷出，容易烫伤人，也不能让风车转得更快，D 不合理。 12．【答案】B 【解析】简易模型密封和保温效果差，燃料放出的热量大部分散失到空气中，效率很低，A 错误，B 正确；任何能量转化过程都遵循能量守恒定律，C 错误；模型对外做功需要不断消耗燃料的能量，D 错误。 13．【答案】（1）控制变量　（2）1、2、3；在其他条件相同时，加热的蜡烛越多，风车转速越大　（3）小 （4）蜡烛越多，单位时间内放出的热量越多，产生的水蒸气越多，对风车做功越快 （5）管内气压过大，塞子容易被冲出（或喷口易被堵塞，存在安全隐患） 【解析】（1）风车转速可能与多个因素有关，每次只改变一个因素、控制其他因素相同，是控制变量法。 （2）序号 1、2、3 中喷口直径相同，只有蜡烛数量不同，蜡烛从 1 支增加到 3 支，转速从 20 r/min 增大到 70 r/min。 （3）序号 2、4、5 中蜡烛数量相同，喷口直径 1 mm、2 mm、4 mm 对应转速 60 r/min、45 r/min、18 r/min，直径越小转速越大（在安全范围内，喷口小，水蒸气喷出的速度大）。 （4）（5）见答案。 14．【答案】（1）6.72×103 J　（2）3×104 J　（3）22.4% 【解析】（1）m水 = 20 g = 0.02 kg，Q吸 = c水m水(t − t0) = 4.2×103 J/(kg·℃)×0.02 kg×(100 ℃ − 20 ℃) = 6.72×103 J。 （2）m酒精 = 1 g = 1×10−3 kg，Q放 = m酒精q酒精 = 1×10−3 kg×3.0×107 J/kg = 3×104 J。 （3）η = ×100% = ×100% = 22.4%。 15．【答案】（1）8×104 J　（2）2 J　（3）0.0025%；原因见解析 【解析】（1）Q放 = mq = 2×10−3 kg×4.0×107 J/kg = 8×104 J。 （2）钩码重力 G = m钩g = 0.05 kg×10 N/kg = 0.5 N，W有用 = Gh = 0.5 N×4 m = 2 J。 （3）η = ×100% = ×100% = 2.5×10−5×100% = 0.0025%。 原因：蜡烛燃烧放出的热量大部分直接散失到周围空气中，试管吸收的热量也有很多散失；喷出的水蒸气大部分没有作用在叶片上，被带走了大量内能；风车转动还要克服摩擦。因此模型的效率极低。 16．【答案】见解析（合理即可） 【解析】①在火焰周围加挡风罩，或在试管外包一层铝箔，减少热量散失；②让火焰的外焰对准试管中有水的部位加热，使燃料的热量被更多地吸收；③调整喷口大小和方向，使水蒸气集中、正对叶片喷出；④选用轻质叶片，并在转轴处减小摩擦；⑤适当调整叶片的倾斜角度。 17．【答案】见解析 【解析】相同点：都是利用内能做功的装置（都把内能转化为机械能），都属于热机；都需要消耗燃料。 不同点：①燃料燃烧的位置不同，模型的燃料在“锅炉”外部燃烧，汽油机的燃料在汽缸内部燃烧；②做功的方式不同，模型靠水蒸气冲击叶片，汽油机靠燃气推动活塞往复运动；③效率不同，汽油机效率约 20%～30%，远高于简易模型；④结构复杂程度不同。 ◆ 拓展创新 18．【答案】（1）内；机械；属于 （2）斯特林发动机的热源在汽缸外部，汽缸内气体不燃烧；汽油机的燃料在汽缸内部燃烧 （3）充分利用废弃的能量，提高能源利用率，节约能源、减少污染 【解析】（1）气体受热膨胀推动活塞做功，内能转化为机械能，属于热机。 （2）根据材料，斯特林发动机从外部加热封闭气体，不需要在汽缸内燃烧燃料。 （3）工厂余热原本会散失到环境中，加以利用可以提高能源的综合利用率。 19．【答案】参考方案见解析（言之有理即可） 【解析】主要材料：轻质小车底盘（带四个轮子）、空易拉罐（或小金属盒）作锅炉、细铜管或金属吸管、蜡烛（或固体酒精）、支架、胶带等。 结构：将易拉罐固定在小车上，罐内装少量水，罐口用带孔的塞子封住，孔中插入铜管并使管口水平朝向车尾；在易拉罐下方固定蜡烛。 原理：蜡烛燃烧，化学能转化为内能，水吸热汽化，罐内气压增大，水蒸气从铜管口向后高速喷出；由于物体间力的作用是相互的，喷出的水蒸气对小车施加向前的反作用力，推动小车前进，内能转化为小车的机械能。 安全注意事项：锅炉必须留有出气通道，不能完全密封；喷口不能对着人；在不易燃的平整地面上测试，并在老师指导下使用明火。 ◆ 学习反思 跨学科实践的核心是“用知识解决真实问题”。制作简易热机模型时，要以“内能转化为机械能”为主线，综合运用物态变化、相互作用力、能量守恒和效率等知识；在测试中用控制变量法分析问题，在改进中体会工程思维，并始终把安全放在第一位。 第 页　共 页 学科网（北京）股份有限公司 $