资源简介

(共20张PPT)
幻灯片 1：封面
标题：14.4 跨学科实践：制作简易热机模型
副标题：理论结合实践 探究能量转化
幻灯片 2：实践目标
通过制作简易热机模型，加深对热机工作原理的理解，直观感受内能向机械能的转化过程。
学会利用常见材料设计和制作实验装置，培养动手实践能力和创新思维。
观察热机模型的工作过程，分析能量转化路径和效率影响因素，巩固热机效率相关知识。
体验跨学科实践的乐趣，融合物理、数学、工程等学科知识，提升综合应用能力。
培养严谨的科学态度和合作精神，在实践中发现问题、分析问题并解决问题。
幻灯片 3：热机模型的工作原理
核心原理：基于热胀冷缩和气体做功的原理，通过加热使密闭容器内的气体膨胀，推动部件运动，将内能转化为机械能；冷却后气体收缩，部件复位，形成循环运动。
能量转化路径：燃料的化学能→燃烧产生的内能→气体的内能→机械运动的机械能。
与真实热机的联系：简易模型模拟了真实热机的基本工作过程（能量转化和循环运动），但结构更简单，能量损失更大，效率更低。
幻灯片 4：实验材料准备
基础材料：
容器：空易拉罐（或玻璃瓶）1 个，作为气体受热膨胀的密闭空间。
动力部件：气球 1 个（剪去颈部，用作弹性膜），细铁丝（或铜丝）1 段（直径 0.5-1mm，长度约 30cm），小风车（或轻质叶轮）1 个。
支撑结构：木板（或硬纸板）1 块（作为底座），铁钉 4 个，小支架 2 个（可用饮料瓶剪制）。
加热工具：蜡烛 1 支，火柴（或打火机），铁架台（或自制支架固定蜡烛）。
其他：剪刀、胶带、钳子（弯折铁丝用）、凉水（冷却用）。
材料作用说明：表格列出各材料的具体用途，如易拉罐提供密闭空间，气球膜传递气体压力，铁丝连接叶轮和弹性膜。
幻灯片 5：制作步骤（详细图解）
步骤 1：制作密闭容器
将易拉罐顶部剪开（保留底部和侧壁，高度约 5cm），用砂纸打磨边缘，避免划伤。
在易拉罐侧面靠近底部的位置钻一个小孔（直径与铁丝匹配），作为铁丝穿过的通道。
步骤 2：组装动力结构
将气球剪开，取其顶部的弹性膜，用胶带密封易拉罐的开口端，确保不漏气。
将细铁丝一端弯折成小钩，钩住小风车的中心轴；另一端穿过易拉罐的小孔，末端固定在弹性膜中心（用胶带粘牢）。
步骤 3：搭建支撑底座
将木板放在水平桌面上，用铁钉将两个小支架固定在木板两端，间距与易拉罐长度匹配。
将易拉罐架在两个支架上，确保能稳定放置，且底部离桌面有一定高度（便于放置蜡烛）。
步骤 4：安装加热装置
将蜡烛固定在铁架台上，调整高度，使火焰能正对易拉罐底部中心位置。
用胶带将风车叶片调整到水平位置，确保转动时无阻碍。
幻灯片 6：模型组装示意图
整体结构图：用简笔画或实物照片标注各部件的位置和连接关系，包括底座、支架、易拉罐、弹性膜、铁丝、风车、蜡烛的相对位置。
关键细节放大图：展示弹性膜与易拉罐的密封方式、铁丝与弹性膜的连接点、风车的安装角度，强调密封和灵活转动的重要性。
幻灯片 7：实验操作步骤
步骤 1：检查装置
检查易拉罐的密封性：用手轻压弹性膜，观察是否能鼓起，松手后是否能复位（无漏气则密封良好）。
调整铁丝位置：确保风车能自由转动，铁丝与易拉罐小孔之间无明显摩擦。
步骤 2：加热与观察
将蜡烛放在易拉罐底部正下方，点燃蜡烛，调节火焰大小（中等火焰即可）。
观察现象：随着易拉罐内气体受热膨胀，弹性膜鼓起，推动铁丝向前运动，带动风车转动。
步骤 3：冷却与循环
加热 30 秒后，用凉水轻轻浇在易拉罐侧壁上（避免直接浇在火焰上），观察弹性膜收缩，铁丝复位，风车反向转动或停止后重新转动。
重复加热和冷却过程，观察风车是否能持续转动。
幻灯片 8：实验现象与记录
现象观察要点：
加热时：弹性膜鼓起的程度，铁丝移动的距离，风车开始转动的时间和转速。
冷却时：弹性膜收缩的速度，铁丝复位情况，风车转动的变化（减速、反向或停止）。
异常现象：如漏气导致弹性膜不鼓起，铁丝卡顿使风车不转动，记录问题及解决尝试。
数据记录表格：
操作步骤
弹性膜状态
铁丝运动方向
风车转速（快 / 中 / 慢）
持续时间 /s
备注
加热初期
加热 1 分钟
冷却时
幻灯片 9：模型调试与优化
常见问题及解决方法：
漏气：弹性膜与易拉罐密封不严→重新用胶带加固，确保边缘无缝隙；易拉罐小孔过大→用橡皮泥封堵缝隙。
风车不转动：铁丝与小孔摩擦过大→用砂纸打磨铁丝，或在小孔处滴一滴润滑油；风车过重→更换更轻质的叶轮（如用塑料瓶剪制）。
转动不稳定：支架高度不一致→调整支架高度，使易拉罐水平放置；火焰位置偏离→移动蜡烛，对准易拉罐底部中心。
优化建议：
增加散热效率：在易拉罐另一侧安装小风扇（或用吸管吹气），加速冷却，缩短循环时间。
减小摩擦：在铁丝与小孔接触处涂抹少量凡士林，降低摩擦阻力。
幻灯片 10：实践分析与讨论
能量转化分析：结合实验现象，描述从蜡烛燃烧到风车转动的能量转化过程，指出哪些环节存在能量损失（如热量向空气散失、摩擦消耗能量）。
效率影响因素：讨论模型中影响效率的因素，如密封性能（漏气导致能量损失）、摩擦大小（影响机械能输出）、加热温度（温度越高，气体膨胀越明显）。
改进方向：提出至少 3 条改进模型的建议，如使用更高效的加热方式（酒精棉）、增加保温层减少散热、设计更轻便的传动结构。
幻灯片 11：安全注意事项
加热安全：
点燃蜡烛时使用火柴或打火机，避免用手直接接触火焰；实验时保持桌面整洁，远离易燃物（如纸张、布料）。
易拉罐加热后温度较高，禁止用手直接触摸，冷却后再进行调整或拆卸。
操作规范：
弯折铁丝时使用钳子，避免手被铁丝划伤；剪切易拉罐时注意边缘锋利，可戴手套操作。
实验结束后，及时熄灭蜡烛，待装置完全冷却后再整理材料，将废弃物分类处理。
应急处理：若发生轻微烫伤，立即用凉水冲洗；若蜡烛倾倒引发小火，用湿抹布覆盖灭火。
幻灯片 12：实践报告撰写要点
实验名称：简易热机模型的制作与探究。
实验目的：简述实践目标和想要验证的物理原理。
实验原理：用文字和公式描述模型的能量转化和工作原理。
材料与工具：列出所用材料和工具，标注规格或数量。
制作步骤：结合图文描述关键步骤，附组装完成的模型照片。
实验现象与数据：记录加热和冷却时的现象，整理观察数据。
分析与讨论：解释现象背后的物理原理，分析能量损失和效率问题，提出改进建议。
实验结论：总结模型的工作效果，说明是否达到预期目标。
幻灯片 13：拓展探究方向
不同燃料的影响：对比蜡烛、酒精棉、打火机等不同加热方式下模型的工作效率（转速、持续时间）。
容器形状的优化：更换不同形状的容器（如圆柱形玻璃瓶、方形塑料盒），探究容器形状对气体膨胀效率的影响。
与热机效率的关联：通过改变模型的密封程度、摩擦大小，测量风车转速的变化，验证 “减少能量损失可提高效率” 的结论。
环保改进：尝试用太阳能加热（聚焦阳光）代替蜡烛，制作更环保的热机模型，比较两种加热方式的效率差异。
幻灯片 14：实践总结与评价
知识收获：回顾本次实践涉及的热机原理、能量转化、效率影响因素等知识点，总结理论与实践的结合点。
能力提升：反思在设计、制作、调试过程中培养的动手能力、问题解决能力和创新思维。
自我评价：从模型的稳定性、转动效果、制作规范性等方面进行自评，指出优点和不足。
小组互评：若为小组合作项目，设计互评表，从分工协作、贡献度、创意性等方面进行评价。
2024人教版物理九年级全册
14.4跨学科实践：制作简易热机模型
第十四章 内能的利用
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
飞机使用的喷气发动机
项目提出
　 热机是人们获得动力的重要机械，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，热机中的各部分是如何协调工作的。
本节我们就自己动手制作一个简易热机模型。
项目实施
任务一 了解不同热机的工作原理
1. 内燃机：以汽油机为例，它的工作物质是气缸内
的空气和汽油的混合物。
2. 外燃机：以蒸汽机为例，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。
蒸汽机模型图
通常而言，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。
任务二 设计并制作简易热机模型
1. 材料：一个空易拉罐，一个去掉笔芯的中性笔，
橡皮泥，一台小风扇，铁丝，几个蜡烛。
2. 制作过程
（1）气缸：用小刀在易拉罐侧壁上开一个比中性笔笔杆略粗的孔，将笔杆截成两段，带笔尖的一段插在易拉罐罐口处，尖端朝外，带尾塞的一段插在侧壁的孔中，尾塞朝外，用橡皮泥将笔杆固定并将开口处密封。
(２)叶片：可直接使用一台小风扇的扇叶，或利用用完的卫生纸纸筒和硬纸板制作。
(３)组装：通过侧壁的笔杆向易拉罐内部注入大约半罐水，旋紧尾塞。将易拉罐放置在用铁丝弯折成的支架上，笔的尖端对准叶片。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。
【项目提出】
随着科技发展，热机成为人们获得动力的重要机械，汽车走入寻常百姓
家，燃烧______的是汽油机，大型轮船和飞机有的使用柴油作为燃料，
是______机，而早年燃烧煤炭的火车使用的是______机。热机在生产生
活中非常重要，如果我们能尝试制作一个简易热机模型，就可以更好地
了解热机是利用燃料燃烧获得的____能转化为______能的机器。
汽油
柴油
蒸汽
内
机械
【项目分析】
汽油机属于内燃机，它的工作物质是气缸内的空气
与汽油的混合物。蒸汽机工作时，燃料燃烧变成水
蒸气，水蒸气推动活塞运动产生动力。蒸汽机的燃
烧室在气缸外，属于外燃机。
（1）燃料燃烧后加热水产生水蒸气，通常实验室用
________作热源；
酒精灯
（2）用可以密封的易拉罐加热水，类比家用高压锅，开小孔后蒸汽喷
出，可以推动高压阀运动，此时工作物质是______；实现____能转化为
______能；
蒸汽
内
机械
（3）如图所示是小红设计的模型方案，其中蒸汽对着风车吹动，存在
的不安全因素是________________，改进方法是____________________
___，蒸汽烫伤比开水烫伤还要严重，原因是__________________。
蒸汽可能烫伤手
将风车固定在铁架台上
蒸汽液化需要放热
【项目实施】
实验器材：易拉罐、剪刀、一支去掉笔芯和尾塞的中性笔、水、密封胶、
一小块泡沫、风扇、酒精灯。
实验步骤：（1）在易拉罐的侧底部开一小孔，将
笔的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，如图所示。
（操作过程中要注意安全）
（2）在易拉罐内加入少量的水。
（3）用一小块泡沫和密封胶，将易拉罐的口封住。将易拉罐平放在支
架上，且保证中性笔位于罐子靠____（填“上”或“下”）部分。
（4）将风车平放在支架上，中性笔正对风车扇叶__________（填“中心”
或“中心偏上”），点燃酒精灯加热易拉罐，观察到水______后有“白气”
喷出，风车转动，看到的“白气”是________（填“水蒸气”或“小水滴”），
上
中心偏上
沸腾
小水滴
水蒸气喷射到扇叶时，_______成小水滴，此时内能______（填“增大”
“减小”或“不变”），同时扇叶温度升高，是通过________的方式改变内
能的，注意防止烫伤。
液化
减小
热传递
【展示交流】
（1）小明在易拉罐的侧壁的同一高度，用剪刀开3个小孔，小孔的开口
方向要向同一侧，如图（a）所示，用细线吊起易拉罐，在煤气灶上加
热，如图（b）所示。当水沸腾后，你观察到____________的现象，从
力与运动关系分析，其原因是____________________________________
_____________，从能量转化角度分析，原因是__________________。
易拉罐转动
水蒸气喷出后产生反作用力，改变了罐子的运动状态
内能转化为机械能
（2）查阅资料，蒸汽机的热效率在 之间，结合现在的热机效
率，说明内燃机的效率比外燃机____。
高
（3）“辽宁舰”也有蒸汽机，如图（c），简化的蒸汽弹射装置能带动舰
载机在 内达到起飞速度。气缸内蒸汽体积膨胀，推动活塞做功，使
舰载机获得巨大的牵引力，此过程中蒸汽的温度______（填“升高”或
“降低”），汽油机的______冲程也会发生同样的能量转化。
降低
做功
谢谢观看！

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