资源简介

(共29张PPT)
第4节 跨学科实践：制作简易热机模型
1.通过动手实践，更好地了解热机的结构及工作原理，加深对能量转化的认识。
2.根据项目要求，设计简易热机模型方案，利用科学推理对方案进行合理的分析、优化。
3.在热机模型制作活动中，发展综合运用所学知识解决跨学科问题的能力。
4.通过讨论交流，模型制作和作品展示，在合作学习中提升质疑创新能力，体会物理学对热机技术发展的促进作用。
教学目标
请同学们在学过的热机知识基础上，进一步查找相关资料，了解不同热机的工作原理，制作一个简易热机模型。
项目提出
热机是人们获得动力的重要机械，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。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。
汽油机属于内燃机，它的工作物质是气缸内的空气和汽油的混合物。蒸汽机工作时，燃料燃烧使水变成水蒸气，水蒸气推动活塞运动产生动力。蒸汽机的燃烧室在汽缸外，属于外燃机，蒸汽机的工作物质是水蒸气。
项目分析
1.用什么作热源
2.工作物质是什么
3.如何将内能转化成机械能
要完成热机模型的制作，需要重点考虑以下几个问题。
通常而言，制作采用燃烧燃料加热水产生蒸汽(或直接加热空气)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。
制作简易热机模型时会遇到高温蒸汽，锋利的物体等，要注意安全。
项目实施
请根据自己的设计，制作一个简易的热机模型。下面展示的是一个简易的汽轮机模型，供参考。
准备以下材料：一个空易拉罐，一支去掉笔芯和尾塞的中性笔，一台小风扇，一个酒精灯，一个支架。
上面提供的只是一个非常简易的汽轮机模型，同学们可以制作不同类型的热机模型。只要大家积极地行动起来，一定会制作出更多有创意的热机模型。
向易拉罐内部注入大约半罐水。将笔的尖端朝外，另一端插人易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐如右图所示放置在支架上，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。
简易汽轮机模型的制作详细说明
材料及工具：空易拉罐，去掉笔芯和尾塞的中性笔管，小风车(可以购买成品，也可以自己制作)，酒精灯(包括火柴)，橡皮泥，剪刀，铁架台等。
制作方法：
(1)易拉罐的选择
一般选择容积较小且厚度适中的铝质易拉罐来产生水蒸气。铝质材料具有较好的导热性能，有助于对水快速加热产生水蒸气。常见的易拉罐容积为240mL,330mL,500mL等，推荐使用小容积(如240mL)的易拉罐，这样加热的水量较少，加热时间较短。
(2)喷嘴的选择与安装
用中性笔管前端作为蒸汽喷嘴，能让水蒸气喷出方向更集中，效果更明显。
向罐内注人120mL左右的水，然后把中性笔管的尖端朝外，另一端插人罐内，在罐的开口处用橡皮泥压实密封。
(3)风车制作
选取一张厚度适中的塑料纸(或胶片纸，不能吸水)，将塑料纸剪成10cmx10cm的正方形。分别沿正方形纸张的两条对角线对折，沿折痕将四个角剪开三分之二左右。将剪开的部分交错向中心弯折，超出中心点1cm左右且保留弧度，再用双面胶粘好。
选一根光滑细木棍(可用竹签或细金属杆代替)作为风车的旋转轴。在风车中心打一个小孔，孔径略大于细木棍的直径，将细木棍穿过风车中心孔，确保风车能够稳定地固定在细木棍上并能自由转动，如右图所示。
(4)模型组装调试
如右图所示，将酒精灯放在铁架台底座上，将易拉罐放在小金属圈上并用大金属圈固定罐体上端以防止易拉罐倾倒，将小风车固定在金属杆上。
调节易拉罐和风车的高度，确保酒精灯点燃时外焰能加热罐体底部。罐体上端的蒸汽喷嘴离风车扇叶2~3cm，并靠近扇叶尖端。点燃酒精灯加热易拉罐，水沸腾时产生的蒸汽通过喷嘴喷出，推动小风车的扇叶转动。
展示交流
1.请大家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.在展示交流中，谈谈你的热机模型的工作原理，以及制作过程中的难点，说一说你在制作过程中的心得体会，想一想在哪些方面还可以做得更好。
小结
跨学科实践：制作简易热机模型
项目提出
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。
项目分析
用什么作热源？
工作物质是什么？
如何将内能转化成机械能？
项目实施
准备以下材料：一个空易拉罐，一支去掉笔芯和尾塞的中性笔，一台小风扇，一个酒精灯，一个支架。向易拉罐内部注入大约半罐水。将笔的尖端朝外，另一端插入易拉罐内，用胶将罐的开口处密封。将易拉罐如右图所示放置在支架上，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。
展示交流
请大家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。
在展示交流中，谈谈你的热机模型的工作原理，以及制作过程中的难点，说一说你在制作过程中的心得体会，想一想在哪些方面还可以做得更好。
复习与提高
1.枪虾(右图)的大螯猛地合上时，能挤出速度很大的水柱，水柱产生的微小气泡在破裂瞬间会产生高温并发出很大的声音，还会发出一道极短的光。在这个过程中，有哪些形式的能量转化
机械能转化为内能、声能和光能。
2.有些地铁站间的轨道高度比地铁站台低，即列车从一个站台开出时是下坡的，行驶到接近下一站时是上坡的。从能量转化的角度看，这种设计有什么好处
列车开出站台时是下坡的，是为了将列车本身的重力势能转化为动能；行驶到接近下一站时是上坡的，是为了将动能转化为重力势能，减少能源消耗。
3.我国古人曾发明一种点火器，以牛角为套筒，把艾绒粘在木质推杆前端，其结构如右图所示。
取火时一只手握住套筒，另一只手向内猛推推杆，推杆前端的艾绒就会被点燃，拔出推杆后，吹吹艾绒就有火苗产生。艾绒被点燃的过程中有哪些形式的能量转化 这一过程与四冲程汽油机的哪个冲程相似
向内猛推推杆，机械能转化为空气的内能，艾绒被点燃是化学能转化为内能。这一过程与四冲程汽油机的压缩冲程相似。
4.1kg的氢气和多少千克的煤油完全燃烧时放出的热量相同
氢气放出的热量Q氢=m氢q氢=1kgx1.4x108J/kg=1.4x108J
3.04kg
因为放出的热量相同，所以煤油的质量
m煤油=
≈3.04kg
5.请从能量转化的角度，具体说明以下效率的意义。
(1)某太阳能电池工作的效率是16%。
(2)某电动机工作的效率是83%。
(3)某锂电池充电的效率是99%。
(4)某柴油机工作的效率是35%。
(5)某电热水器工作的效率是87%。
电能转化为内能的比例为87%
太阳能转化为电能的比例为16%
电能转化为机械能的比例为83%
电能转化为化学能的比例为99%
柴油完全燃烧释放的热量转化为做有用功的能量的比例为35%
6. 一辆质量为2t的汽车在水平路面上匀速行驶时，所受阻力为车重的6%。如果汽油完全燃烧所产生的热量有35%用来克服阻力做功，那么汽车行驶100km要消耗多少升汽油 已知汽油的密度为0.73x103kg/m3,g取10N/kg。
汽车受到的阻力大小F阻=0.06G
=0.06 mg
=0.06x2x103kgx10N/kg
=1.2x103N
10L
克服阻力做的功W=F阻s=1.2x103Nx100x103m=1.2x109J
汽油完全燃烧释放的热量
Q=
≈3.43x108J
≈1.022x10-2m3
消耗汽油的质量m=
≈7.46kg
消耗汽油的体积V=
=10.22L
7.右图所示的是我国自行设计研制的AG600"鲲龙"水陆两栖飞机。飞机使用四台相同的发动机，每台发动机的输出功率可达3120kW，效率可达60%。在这种情况下，飞机飞行1h肖耗燃油多少吨 已知燃油的热值为4.3x107J/kg.
一台发动机1h做的有用功
W有用=Pt=3.12x106Wx3600s=1.1232x1010J
1.74t
=1.872x1010J
燃油放出的热量Q放=
四台发动机燃油放出的热量
Q放总=4Q放
=4×1.872x1010J
=7.488x1010J
四台发动机消耗的燃油质量
m=
≈1.74x103kg
=1.74t
8.某同学家自来水的温度为15℃，他洗澡时把燃气热水器的温度设定为40℃,已知他洗澡用了0.02m3的热水。如果燃气热水器的效率是95%，他这次洗澡消耗了多少天然气 天然气的热值取4.0x107 J/m3。
0.055m3
水吸收的热量
Q=cm(t-t0)
=2.1x106J
=cρV (t-t0)
=4.2x103J/(kg·℃)x0.02m3x1.0x103kg/m3x(40℃-15℃)
热水器放出的热量Q放=
消耗的天然气的体积V=
≈2.21x106J
=0.05525m3
9.垃圾分类有利于资源的回收再利用，焚烧垃圾可以实现综合热利用。右图展示的是我国最大的垃圾焚烧发电站，日处理生活垃圾6000t。如果1t垃圾焚烧时能产生2.16x109J的电能，这些电能相当于完全燃烧多少干木柴所放出的能量 干木柴的热值取1.2x107J/kg。
1t垃圾产生的电能为2.16x109J
则干木材的质量m=
180 kg
=180 kg
下课
Thanks!
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