资源简介

中小学教育资源及组卷应用平台
人教版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第十四章 内能的利用
专题10 跨学科实践：制作简易热机模型
物理观念：通过制作简易热机模型，进一步加强对热机做功、内能转化为机械能的理解。
科学思维：尝试应用科学规律解释具体问题，获得初步的分析概括能力。
科学探究:经历简易热机模型的制作过程，提升科学探究能力。
科学态度与责任：培养学生动手，发现问题、解决问题的能力，通过了解物理知识在实际生活中的应用，进一步提高学生学习物理知识的兴趣和能力。
贯彻本节课核心素养目标，必须完成以下精细化的学习目标
1. 热机的发展历史 2. 热机分类标准 3. 热机的工作原理
4. 要完成热机模型的制作，需要重点考虑的几个问题。
5.项目实施过程中，积极主动参与。
6.对小组制作的热机模型功能性、美观性、创新性及汇报情况等综合评价，并提出改进建议。
本节课重点难点
重点：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。
难点：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。
跨学科实践：制作简易热机模型 （学习大致过程）
一、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油机、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。
今天我们将重温科学家的发明过程，本节课我们也来做科学家，设计制作简易热机模型。
二、项目分析
1. 热机的发展历史
（1）希罗福在1世纪发明了最早的蒸汽引擎原型，被认为是热机的初步雏形。
（2）18世纪早期，托马斯.纽科门发明了蒸汽机的早期原型，用于从矿井中抽水。
（3）19世纪中期，内燃机的出现进一步推动了热机的发展。奧托发明了四冲程内燃机，而且还发表了有关燃烧机理的研究，成为内燃机技术发展的里程碑。
（4）20世纪初，蒸气涡轮机的发明推动了热机技术的进一步革新。蒸气涡轮机利用高速旋转的涡轮叶片将热能转化为机械能，被广泛应用于发电厂和船舶。
（5）20世纪后期，燃气轮机的发明带来了新的热机技术突破。燃气轮机使用燃气燃烧产生高温气体，驱动涡轮旋转，产生大量机械能。
总结：常见的热机类型及原理
热机类型 工作原理 应用
蒸汽机 锅炉加热水产生高压蒸汽，推动活塞或涡轮转动 早期火车、发电厂等
内燃机 汽油或柴油在气缸内燃烧，气体膨胀推动活塞往复运动 汽车、摩托车等
燃气轮机 高温燃气直接推动涡轮叶片旋转 军舰
喷气发动机 在燃烧室燃烧，向后喷出高速气体从而获得前进的动力 飞机、火箭等
2. 热机分类标准
从外燃机到内燃机，再到现代喷气发动机，热机不断发展。每种热机都有其独特的结构和工作原理，适应不同的应用场景。不同分类标准反映了热机在结构和性能上的差异。
3. 热机的工作原理
各种热机都是利用内能做功，将内能转化为机械能。
①内燃机:以汽油机为例，它的热源是在气缸内的空气和汽油混合物。
②外燃机:
以蒸汽机为例，其热源在气缸外，燃料燃烧使水变为水蒸气，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。
4. 要完成热机模型的制作，需要重点考虑的几个问题。
（1）用什么作热源？
在常见的热源中，有燃料燃烧加热和电加热两种。如何选择操作简便且更安全的热源 通过讨论分析不难得出，常见的热源有酒精灯、蜡烛、煤油灯等。在该实践活动中利用酒精灯作为热源比电加热更简单易行。但在使用过程中，一定要规范操作酒精灯，排除安全隐患。
（2）工作物质是什么？
常见的工作物质有高温高压燃气和水蒸气两种，从学生设计制作的角度来讲，水蒸气的产生更容易，也相对安全。如何获取持续稳定的水蒸气，让热机模型正常工作呢
参考方案：在水蒸气产生装置上，要选择一个大小适中的容器，水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定。例如，利用烧水时从水壶嘴喷出的水蒸气，或用酒精灯加热自制的具有更小喷嘴的容器等。
要选择一个大小适中的容器，考虑坚固性及导热性可以选择合适的金属易拉罐。
水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定可以用笔芯或者去掉笔芯的旧笔杆的前端。
（3）如何将内能转化成机械能？
设计一个什么样的装置才能将水蒸气的内能转化为机械能 根据生活中的相关现象，小组交流讨论并设计出可行的方案。
参考方案：比如从高压锅喷出的水蒸气可以推动限压阀旋转的现象中寻找灵感，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。常见的可作为机械能输出的装置有小风车、小叶轮、小风扇等。
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。
三、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。
【制作材料及工具】
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。
（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240 mL、330 mL、500 mL等，推荐使用小容积（如240 mL）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。向罐内注入120 mL左右的水，然后把中性笔管的尖端朝外，另一端插入罐内，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10 cm×10 cm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，如图所示。
（4）模型组装调试
如图所示，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—3 cm，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。
四、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、运行流畅，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。
3.对小组制作的热机模型功能性、美观性、创新性及汇报情况等综合评价，并提出改进建议。
4.（拓展）改进提高我们自制模型的热效率
热机在给我们带来便利的同时，也产生了环境问题，如热污染、废气排放。作为“未来工程师”，如何设计更环保的热机，让能源利用与自然共生，为人类可持续发展筑牢根基。
希望同学们在未来能肩负起这一重要的责任。
警示：注意活动过程中的安全性。
一、参与跨学科实践活动过程的思维方法
二、实践活动中的问题及处理
1．蒸汽喷射力不足，风扇不转动
（1）原因：密封不严导致蒸汽泄漏；喷嘴直径过大，蒸汽流速不足；火力太小。
（2）解决方法：重新密封接口，可用耐高温环氧树脂胶加固；更换更细的喷嘴；加大酒精灯火焰等。
2．塑料笔杆受热变形
（1）原因：罐内水量过少，导致易拉罐侧壁受热后将塑料笔杆软化。
（2）解决方法：水要保持一定的量，避免易拉罐罐体温度过高。
3．安全问题
（1）酒精灯使用时须远离易燃物，熄灭时用灯帽盖灭，切勿吹熄。
（2）加热后的易拉罐温度极高，需冷却后再触碰。
【例题1】如图是某同学自制的简易热机模型，在易拉罐内装适量水，在瓶口密封安装一根吸管，吸管正对着小风扇。当点燃下方的蜡烛后，可以看到前方的小风扇转动起来。下列说法正确的是（ ）
A．罐内的水在加热过程中，温度升高，所含的热量增加
B．蜡烛用掉一部分后，蜡烛的热值会变小
C．通过改进热机模型的结构，其效率可达100%
D．该过程的能量转化与热机做功冲程的能量转化相同
【答案】D
【解析】A．热量是过程量，不能说物质所含的热量增加，故A错误；
B．热值是燃料的一种特性，蜡烛用掉一部分后，蜡烛的热值不变，故B错误；
C．通过改进热机模型的结构，由于存在热损失，其效率小于100%，故C错误；
D．该过程的能量转化与热机做功冲程的能量转化相同，都是将内能转化为机械能，故D正确。
故选D。
【例题2】（2025·山西）跨学科实践
制作简易汽轮机模型
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，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_____________；
（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_____；（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 机械能 （2）见解析 （3）见解析
【解析】（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。
1．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
【解析】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。
2．实验中学举行了中学生自制火箭比赛。甲组参赛选手对水火箭打气，拉开气阀，水向下喷出，水火箭一飞冲天（如图甲所示）。乙组参赛选手用塑料瓶自制了火箭模型（如图乙所示），先在瓶内喷入酒精，然后盖上锥形纸筒，再按下电火花发生器按钮，点燃瓶内酒精气体，纸筒向上飞出。下列说法正确的是（　　）
A．水对水火箭向上的推力是水火箭向上起飞的原因
B．水火箭上升过程中，水火箭的机械能一直增大
C．瓶内酒精燃烧越充分，酒精热值越大
D．纸筒飞出后瓶内气体的内能不变，温度不变
【答案】A
【解析】A．力可以改变物体的运动状态，水对水火箭向上的推力是水火箭向上起飞的原因，故A正确；
B．水火箭上升过程中，水火箭的机械能不断克服摩擦力做功，且水火箭的质量不断减小，速度先增大后减小，高度不断升高，因此水火箭的机械能并不是一直增大，故B错误；
C．燃料的热值是燃料本身的一种特性，与燃料燃烧的充分程度无关。瓶内酒精燃烧越充分，酒精热值不变，故C错误；
D．纸筒飞出后，瓶内气体对纸筒做功，瓶内气体的内能减小，温度降低，故D错误。
故选A。
3．如图所示是我国古代发明的取火器模型图，把推杆迅速推入牛角套筒时，套筒内空气被压缩，推杆前端的艾绒立刻燃烧起来，关于这个过程，下列说法正确的是（　　）
A．套筒内空气被压缩时其内能不变
B．艾绒燃烧时，内能转化成化学能
C．与热机工作过程中的压缩冲程原理相似
D．主要利用了热传递来改变套筒内空气的内能
【答案】C
【解析】AD．封闭的气体被推杆压缩过程中，活塞对气体做功，所以气体内能增加，则温度升高，达到艾绒的着火点，使艾绒着火达到取火的目的，故AD错误；
B．艾绒燃烧时，化学能转化为内能，故B错误；
C．此过程中是机械能转化为内能，与热机的压缩冲程的能量转化相同，故C正确。
故选C。
4．如图，试管里盛适量水，用带玻璃管的胶塞塞住试管口，加热试管使水沸腾，玻璃管口冒出“白气”推动管口处的纸风车转动。对此过程中的热现象，分析正确的是（　　）
A．水在沸腾过程中，水的内能不变
B．水在沸腾过程中，水的比热容变大
C．玻璃管口冒出的“白气”是扩散现象
D．“白气”使风车转动过程相当于汽油机的做功冲程
【答案】D
【解析】A．水在沸腾过程中，不断吸收热量，水的内能增大，故A错误；
B．水在沸腾过程中，水的比热容不变，故B错误；
C．玻璃管口冒出的“白气”是水蒸气液化形成的小水珠，故C错误；
D．“白气”使风车转动过程中，水蒸气的内能转化为风车的机械能，汽油机的做功冲程中，燃气推动活塞做功，燃气的内能转化为活塞的机械能，两者原理相同，故D正确。
故选 D。
5.如图所示的“喷气小船”中，易拉罐中的水吸收热量后从液态水变成水蒸气，水蒸气从小孔中冲出时，相当于热机中的 冲程，这一过程中水蒸气的内能 （选填“变大”、“变小”或“不变”）。
【答案】 做功 变小
【解析】水蒸气从小孔中冲出时，对小船做功，内能转化为机械能，这相当于热机的做功冲程。
这一过程水蒸气消耗内能对外做功，所以它的内能变小。
6．如图是小明同学设计的“燃气内能转化”的实验装置。把电火花发生器紧紧塞进塑料瓶侧边的小孔中，往瓶中喷入雾状酒精，在瓶口上盖一个塑料杯，按动电火花发生器按钮后，观察到塑料杯向上飞起，这个过程中高温高压燃气的内能转化为塑料杯的 能，它与四冲程内燃机的 冲程的能量转化相同。
【答案】 机械 做功
【解析】内燃机的做功冲程中，燃料燃烧产生的高温高压气体推动活塞向下运动，内能转化为机械能。按动电火花发生器按钮后，高温高压燃气的内能转化为机械能，可以观察到塑料杯向上飞起，该过程中的能量转化与四冲程内燃机的做功冲程中的能量转化相同。
热机模型概念的提出
尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）是最早提出热机模型概念的科学家。他在1824年出版的《关于火的动力》一书中，提出了卡诺热机和卡诺循环的概念及卡诺原理，为提高热机效率指明了方向。
卡诺是第一个把热和动力联系在一起的人，他的研究基于理想实验的思维方法，提出了一个简单的但具有重要理论意义的热机模型，该模型包括一个高温热源、一个低温热源和理想的循环方式。尽管卡诺的著作在他生前销售情况冷清，且他英年早逝，但他的理论后来被重新发现并成为内燃机发展的基础。德国发明家尼古拉斯·奥古斯特·奥托受到卡诺和德罗沙理论的启发，最终设计出了实用化的四冲程发动机。
尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）是法国物理学家、工程师。
他于1796年6月1日出生于法国巴黎，父亲拉扎尔·卡诺是法国大革命时期的著名政治家、军事工程师与数学家。卡诺在1812年考入巴黎综合理工大学，师从盖-吕萨克、安培、泊松等科学巨匠，接受严谨的科学训练。1814年加入工兵部队，在梅斯等地服役期间，亲身观察蒸汽机运行，对能量转换效率产生浓厚兴趣。1824年，他提出了卡诺循环和卡诺定理，为热力学第二定律的建立奠定了基础。卡诺的理论在他生前并未引起广泛关注，但后来热力学成为现代科学的标志。1832年8月24日，卡诺因霍乱病逝，年仅36岁。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台
人教版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第十四章 内能的利用
专题10 跨学科实践：制作简易热机模型
物理观念：通过制作简易热机模型，进一步加强对热机做功、内能转化为机械能的理解。
科学思维：尝试应用科学规律解释具体问题，获得初步的分析概括能力。
科学探究:经历简易热机模型的制作过程，提升科学探究能力。
科学态度与责任：培养学生动手，发现问题、解决问题的能力，通过了解物理知识在实际生活中的应用，进一步提高学生学习物理知识的兴趣和能力。
贯彻本节课核心素养目标，必须完成以下精细化的学习目标
1. 热机的发展历史 2. 热机分类标准 3. 热机的工作原理
4. 要完成热机模型的制作，需要重点考虑的几个问题。
5.项目实施过程中，积极主动参与。
6.对小组制作的热机模型功能性、美观性、创新性及汇报情况等综合评价，并提出改进建议。
本节课重点难点
重点：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。
难点：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。
跨学科实践：制作简易热机模型 （学习大致过程）
一、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油机、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。
今天我们将重温科学家的发明过程，本节课我们也来做科学家，设计制作简易热机模型。
二、项目分析
1. 热机的发展历史
（1）希罗福在1世纪发明了最早的蒸汽引擎原型，被认为是热机的初步雏形。
（2）18世纪早期，托马斯.纽科门发明了蒸汽机的早期原型，用于从矿井中抽水。
（3）19世纪中期，内燃机的出现进一步推动了热机的发展。奧托发明了四冲程内燃机，而且还发表了有关燃烧机理的研究，成为内燃机技术发展的里程碑。
（4）20世纪初，蒸气涡轮机的发明推动了热机技术的进一步革新。蒸气涡轮机利用高速旋转的涡轮叶片将热能转化为机械能，被广泛应用于发电厂和船舶。
（5）20世纪后期，燃气轮机的发明带来了新的热机技术突破。燃气轮机使用燃气燃烧产生高温气体，驱动涡轮旋转，产生大量机械能。
总结：常见的热机类型及原理
热机类型 工作原理 应用
蒸汽机 锅炉加热水产生高压蒸汽，推动活塞或涡轮转动 早期火车、发电厂等
内燃机 汽油或柴油在气缸内燃烧，气体膨胀推动活塞往复运动 汽车、摩托车等
燃气轮机 高温燃气直接推动涡轮叶片旋转 军舰
喷气发动机 在燃烧室燃烧，向后喷出高速气体从而获得前进的动力 飞机、火箭等
2. 热机分类标准
从外燃机到内燃机，再到现代喷气发动机，热机不断发展。每种热机都有其独特的结构和工作原理，适应不同的应用场景。不同分类标准反映了热机在结构和性能上的差异。
3. 热机的工作原理
各种热机都是利用内能做功，将内能转化为机械能。
①内燃机:以汽油机为例，它的热源是在气缸内的空气和汽油混合物。
②外燃机:
以蒸汽机为例，其热源在气缸外，燃料燃烧使水变为水蒸气，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。
4. 要完成热机模型的制作，需要重点考虑的几个问题。
（1）用什么作热源？
在常见的热源中，有燃料燃烧加热和电加热两种。如何选择操作简便且更安全的热源 通过讨论分析不难得出，常见的热源有酒精灯、蜡烛、煤油灯等。在该实践活动中利用酒精灯作为热源比电加热更简单易行。但在使用过程中，一定要规范操作酒精灯，排除安全隐患。
（2）工作物质是什么？
常见的工作物质有高温高压燃气和水蒸气两种，从学生设计制作的角度来讲，水蒸气的产生更容易，也相对安全。如何获取持续稳定的水蒸气，让热机模型正常工作呢
参考方案：在水蒸气产生装置上，要选择一个大小适中的容器，水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定。例如，利用烧水时从水壶嘴喷出的水蒸气，或用酒精灯加热自制的具有更小喷嘴的容器等。
要选择一个大小适中的容器，考虑坚固性及导热性可以选择合适的金属易拉罐。
水蒸气喷口要小，才能保证水蒸气喷出时持续稳定可以用笔芯或者去掉笔芯的旧笔杆的前端。
（3）如何将内能转化成机械能？
设计一个什么样的装置才能将水蒸气的内能转化为机械能 根据生活中的相关现象，小组交流讨论并设计出可行的方案。
参考方案：比如从高压锅喷出的水蒸气可以推动限压阀旋转的现象中寻找灵感，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。常见的可作为机械能输出的装置有小风车、小叶轮、小风扇等。
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。
三、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。
【制作材料及工具】
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。
（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240 mL、330 mL、500 mL等，推荐使用小容积（如240 mL）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。向罐内注入120 mL左右的水，然后把中性笔管的尖端朝外，另一端插入罐内，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10 cm×10 cm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，如图所示。
（4）模型组装调试
如图所示，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—3 cm，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。
四、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、运行流畅，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。
3.对小组制作的热机模型功能性、美观性、创新性及汇报情况等综合评价，并提出改进建议。
4.（拓展）改进提高我们自制模型的热效率
热机在给我们带来便利的同时，也产生了环境问题，如热污染、废气排放。作为“未来工程师”，如何设计更环保的热机，让能源利用与自然共生，为人类可持续发展筑牢根基。
希望同学们在未来能肩负起这一重要的责任。
警示：注意活动过程中的安全性。
一、参与跨学科实践活动过程的思维方法
二、实践活动中的问题及处理
1．蒸汽喷射力不足，风扇不转动
（1）原因：密封不严导致蒸汽泄漏；喷嘴直径过大，蒸汽流速不足；火力太小。
（2）解决方法：重新密封接口，可用耐高温环氧树脂胶加固；更换更细的喷嘴；加大酒精灯火焰等。
2．塑料笔杆受热变形
（1）原因：罐内水量过少，导致易拉罐侧壁受热后将塑料笔杆软化。
（2）解决方法：水要保持一定的量，避免易拉罐罐体温度过高。
3．安全问题
（1）酒精灯使用时须远离易燃物，熄灭时用灯帽盖灭，切勿吹熄。
（2）加热后的易拉罐温度极高，需冷却后再触碰。
【例题1】如图是某同学自制的简易热机模型，在易拉罐内装适量水，在瓶口密封安装一根吸管，吸管正对着小风扇。当点燃下方的蜡烛后，可以看到前方的小风扇转动起来。下列说法正确的是（ ）
A．罐内的水在加热过程中，温度升高，所含的热量增加
B．蜡烛用掉一部分后，蜡烛的热值会变小
C．通过改进热机模型的结构，其效率可达100%
D．该过程的能量转化与热机做功冲程的能量转化相同
【答案】D
【解析】A．热量是过程量，不能说物质所含的热量增加，故A错误；
B．热值是燃料的一种特性，蜡烛用掉一部分后，蜡烛的热值不变，故B错误；
C．通过改进热机模型的结构，由于存在热损失，其效率小于100%，故C错误；
D．该过程的能量转化与热机做功冲程的能量转化相同，都是将内能转化为机械能，故D正确。
故选D。
【例题2】（2025·山西）跨学科实践
制作简易汽轮机模型
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，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_____________；
（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_____；（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 机械能 （2）见解析 （3）见解析
【解析】（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。
1．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。
2．实验中学举行了中学生自制火箭比赛。甲组参赛选手对水火箭打气，拉开气阀，水向下喷出，水火箭一飞冲天（如图甲所示）。乙组参赛选手用塑料瓶自制了火箭模型（如图乙所示），先在瓶内喷入酒精，然后盖上锥形纸筒，再按下电火花发生器按钮，点燃瓶内酒精气体，纸筒向上飞出。下列说法正确的是（　　）
A．水对水火箭向上的推力是水火箭向上起飞的原因
B．水火箭上升过程中，水火箭的机械能一直增大
C．瓶内酒精燃烧越充分，酒精热值越大
D．纸筒飞出后瓶内气体的内能不变，温度不变
3．如图所示是我国古代发明的取火器模型图，把推杆迅速推入牛角套筒时，套筒内空气被压缩，推杆前端的艾绒立刻燃烧起来，关于这个过程，下列说法正确的是（　　）
A．套筒内空气被压缩时其内能不变
B．艾绒燃烧时，内能转化成化学能
C．与热机工作过程中的压缩冲程原理相似
D．主要利用了热传递来改变套筒内空气的内能
4．如图，试管里盛适量水，用带玻璃管的胶塞塞住试管口，加热试管使水沸腾，玻璃管口冒出“白气”推动管口处的纸风车转动。对此过程中的热现象，分析正确的是（　　）
A．水在沸腾过程中，水的内能不变
B．水在沸腾过程中，水的比热容变大
C．玻璃管口冒出的“白气”是扩散现象
D．“白气”使风车转动过程相当于汽油机的做功冲程
5.如图所示的“喷气小船”中，易拉罐中的水吸收热量后从液态水变成水蒸气，水蒸气从小孔中冲出时，相当于热机中的 冲程，这一过程中水蒸气的内能 （选填“变大”、“变小”或“不变”）。
。
6．如图是小明同学设计的“燃气内能转化”的实验装置。把电火花发生器紧紧塞进塑料瓶侧边的小孔中，往瓶中喷入雾状酒精，在瓶口上盖一个塑料杯，按动电火花发生器按钮后，观察到塑料杯向上飞起，这个过程中高温高压燃气的内能转化为塑料杯的 能，它与四冲程内燃机的 冲程的能量转化相同。
热机模型概念的提出
尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）是最早提出热机模型概念的科学家。他在1824年出版的《关于火的动力》一书中，提出了卡诺热机和卡诺循环的概念及卡诺原理，为提高热机效率指明了方向。
卡诺是第一个把热和动力联系在一起的人，他的研究基于理想实验的思维方法，提出了一个简单的但具有重要理论意义的热机模型，该模型包括一个高温热源、一个低温热源和理想的循环方式。尽管卡诺的著作在他生前销售情况冷清，且他英年早逝，但他的理论后来被重新发现并成为内燃机发展的基础。德国发明家尼古拉斯·奥古斯特·奥托受到卡诺和德罗沙理论的启发，最终设计出了实用化的四冲程发动机。
尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot）是法国物理学家、工程师。
他于1796年6月1日出生于法国巴黎，父亲拉扎尔·卡诺是法国大革命时期的著名政治家、军事工程师与数学家。卡诺在1812年考入巴黎综合理工大学，师从盖-吕萨克、安培、泊松等科学巨匠，接受严谨的科学训练。1814年加入工兵部队，在梅斯等地服役期间，亲身观察蒸汽机运行，对能量转换效率产生浓厚兴趣。1824年，他提出了卡诺循环和卡诺定理，为热力学第二定律的建立奠定了基础。卡诺的理论在他生前并未引起广泛关注，但后来热力学成为现代科学的标志。1832年8月24日，卡诺因霍乱病逝，年仅36岁。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
21世纪教育网(www.21cnjy.com)

展开更多......

收起↑