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14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 导学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1. 知道热机是一种利用内能转化为机械能的设备，能说出汽油机(内燃机)与蒸汽机(外燃机)在燃烧室位置和工作物质上的不同。
2. 能围绕"用什么作热源、工作物质是什么、如何将内能转化为机械能"三个主要问题，完成简易热机模型的方案设计，说出酒精灯、蒸汽发生器、导管、汽轮机(风叶)等器材的作用。
3. 能按制作步骤完成简易热机模型的制作与测试，能针对汽轮机旋转不畅等问题从各制作环节提出改进意见，并说出展示交流中的安全注意事项。
二、课前自学
1. 热机是一种利用________能转化________能的设备，广泛应用于日常生活中的交通工具(如汽车、火车、飞机)及能源生产(如发电厂)中。
2. 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________；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________。
3. 制作简易热机模型的原理：高温蒸汽推动叶片转动，将________能转化为________能。
4. 使用酒精灯时，要用火柴点燃，不能用燃着的酒精灯引燃另一只酒精灯；熄灭酒精灯时用________，不可用嘴吹；用酒精灯的________焰加热。
我的疑问：_______________________________________________
三、课内探究
探究一　项目提出
热机是一种利用________能转化________能的设备，广泛应用于日常生活中的交通工具(如汽车、火车、飞机)及能源生产(如发电厂)中.热机的工作原理基于热力学的基本定律，将热能通过工作物质的膨胀和压缩转化为机械能.制作简易热机模型不仅能帮助学生更好地理解热机的基本原理，还能作为学生了解物理学、热力学以及工程设计的一个实践项目.
探究二　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__________.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__________.要完成热机模型的制作，需要考虑下面一些主要问题.
1. 用什么作热源？
答：在制作简易热机模型时，可以使用以下简单易得的热源：①酒精灯：可以选用酒精灯作为热源，使用酒精灯时，用火柴点燃，不能用燃着的酒精灯引燃另一只酒精灯；熄灭酒精灯时用____________，不可用嘴吹；用酒精灯的______焰加热；②电加热器：电加热器也可以提供稳定的热源来加热封装空间内的气体或液体，且没有燃烧后产生的气味.
2. 工作物质是什么？
答：①空气是最简单的工作物质.加热空气后，空气膨胀，推动活塞或转子做功；②如果条件允许，可以用少量水加热产生水蒸气作为工作物质.水蒸气膨胀产生的力较大，适合驱动简单的机械装置.总之，工作物质应选取受热后容易__________的气体.
3. 如何将内能转化为机械能？
答：在简易热机中，工作物质受热后膨胀，对外做功，我们可以选取容易被推动或转动的物体作为工作物质做功的对象，例如风叶.工作物质驱动风叶转动而做功，消耗了________能，转化为__________能.
探究三　项目实施
1. 简易热机设计示例图
简易热机设计示例图
2. 实验器材
(1)蒸汽发生器：用于盛放工作物质，可用空易拉罐制作.
(2)小风车叶片：可用小风扇或塑料片制作.
(3)导管：可用笔或空笔芯制作，要注意确保蒸汽不泄漏.
(4)热源：酒精灯.
(5)水：用作蒸汽源.
3. 制作步骤
(1)选择一个空易拉罐作为蒸汽发生器.在瓶底部做一个小孔，然后安装笔筒或笔芯作为导管，用于导出蒸汽.在易拉罐内装入约一半的水，将开口处封闭.
(2)选择一个小风扇叶片或者制作几片塑料叶片，均匀地安装在一个轴上.将导管的另一端对准转子的叶片，确保蒸汽可以直接冲击叶片，驱动转子旋转.
(3)安装热源：将酒精灯放置在蒸汽发生器下方，调整酒精灯，使酒精灯的外焰来加热容器内的水，产生蒸汽.
(4)测试与调整：在连接好所有部分后，点燃酒精灯，并开始加热水.随着水温升高，蒸汽开始生成.调整导管的方向和角度，以确保蒸汽能够最大限度地推动叶片旋转.
探究四　展示交流
1. 展示你制作的简易热机模型，针对汽轮机旋转不畅，请就制作的各个环节提出改进意见.
制作环节 改进意见
(1)准备蒸汽发生器 应确保瓶口处__________，以防止蒸汽泄漏.可以使用密封胶或橡胶圈进行封装.水量要适中，不能过多或过少
(2)安装蒸汽导管 确保导管连接牢固，并尽量防止蒸汽泄漏
(3)制作汽轮机转子 ①叶片可以用小风扇或塑料片制作；②轴的另一端可连接到简单的轴承上，确保汽轮机可以顺利转动
2. 展示过程中有哪些安全注意事项？
我的回答：_________________________________________________________
探究五　课堂总结
制作简易热机模型的原理、制作要点与注意事项归纳如下：
要点 内容
原理 高温蒸汽推动叶片转动，将内能转化为机械能
制作——热源 酒精燃烧，将化学能转化为内能
制作——蒸汽发生器 水吸热汽化，产生大量的水蒸气
制作——汽轮机 水蒸气推动汽轮机转动，将内能转化为机械能
注意事项 要密封，防止蒸汽泄漏；注意安全，防止蒸汽烫伤或蒸汽过度膨胀
四、课堂检测
1. 热机是人们获得动力的重要机械.创新小组制作了如图所示的简易热机模型，在试管内倒入适量的水，加热试管，当试管内的水沸腾后，风扇在水蒸气的驱动下转动起来，整个过程消耗了 的酒精.()下列说法正确的是(　　)
简易热机模型装置
A.酒精在燃烧的过程中，其热值会变小
B.通过改进模型的结构，其效率可达 100%
C.整个过程消耗的酒精完全燃烧放出的热量为
D.水蒸气驱动风扇转动时的能量转化与热机压缩冲程的相同
2. 小李去火车博物馆参观，了解到蒸汽火车工作的原理，回家后设计了一个利用蒸汽机提升重物的装置，其工作原理如图所示.工作过程为：打开阀门 A、关闭阀门 B，高压蒸汽进入汽缸，推动活塞上行；当活塞到达汽缸顶部时，关闭阀门A、打开阀门 B，蒸汽进入冷凝器，汽缸内压强减小，活塞下降，循环往复.活塞与杠杆之间用一根硬杆相连，杠杆的另一端与滑轮组的绳子末端相连.已知重物的质量为 20 kg，杠杆左端的力臂为 2L，右端的力臂为 L，活塞的面积为 ，活塞上行一次重物上升的高度为 0.25 m，动滑轮的质量为 5 kg，汽缸的能量损失和活塞的质量不计，.
蒸汽机提升重物装置的工作原理
(1)活塞上行过程与汽油机的________冲程相似；高压蒸汽进入汽缸后推动活塞上行过程中，汽缸内高压蒸汽的内能________.(均填"增大"或"减小")
(2)需要将重物提起，汽缸需要产生的最小压强为多大？
(3)关于小李设计的蒸汽机提升重物的装置，下列说法正确的是__________(填字母).
A.需要一次将物体提升得更高，可以将 O 点水平向左移
B.汽缸产生最小压强时，O 点水平向右移，不能将重物提升起来
C.在汽缸产生的最小压强下，滑轮组提升重物的效率为 80%
D.活塞上行一次，蒸汽机对物体做的有用功为 50 J
五、课后延伸
1. 根据"展示交流"中提出的改进意见，完善你制作的简易热机模型，再次进行测试，并向同学汇报：汽轮机转动是否顺畅，还有哪些地方需要继续改进。
2. 向家人展示你的简易热机模型，用"高温蒸汽推动叶片转动，将内能转化为机械能"说明它的工作原理，并提醒家人使用酒精灯等热源时的安全注意事项。
六、参考答案
【课前自学】
1. 内；机械
2. 动力；水蒸气
3. 内；机械
4. 灯帽；外
【课内探究】
探究一：内；机械
探究二：知识梳理——动力；水蒸气。1. 灯帽；外　2. 膨胀　3. 内；机械
探究三：按"简易热机设计示例图"和制作步骤完成简易热机模型的制作即可（实践操作，无统一答案）。
探究四：1. 密封　2. ①在操作过程中，务必小心使用热源，并确保所有部件都连接紧密，以防蒸汽泄漏造成烫伤；②要避免蒸汽发生剧烈膨胀.(答案合理即可)
探究五：见"课堂总结"表格。
【课堂检测】
1. C　解析：A错误，热值是燃料的特性，与燃料是否燃烧无关，酒精在燃烧的过程中热值不变；B错误，任何热机的效率都不可能达到 100%；C正确，酒精完全燃烧放出的热量；D错误，水蒸气驱动风扇转动时，将内能转化为机械能，与热机做功冲程的能量转化相同，与压缩冲程不同.故选 C。
2. (1)做功；减小
2. (2)解：对动滑轮和重物整体受力分析，有
则杠杆对绳子向下的拉力为 ，
由 得，，
解得 ，
汽缸需要产生的最小压强为 .
(3) ACD　解析：A正确，将 O 点水平向左移，绳端一侧力臂变大，活塞上行相同距离时绳端被拉下的距离变大，重物一次上升的高度更高；B错误，将 O 点水平向右移，活塞一侧力臂变大，绳端一侧力臂变小，提起重物所需的活塞拉力变小，汽缸的最小压强变小，仍能将重物提升起来；C正确，在汽缸产生的最小压强下，活塞上行一次做的有用功，克服动滑轮重力所做的额外功，总功，滑轮组提升重物的机械效率；D正确，活塞上行一次，蒸汽机对物体做的有用功为 50 J。
【课后延伸】(示例)
1. 示例：完善模型后再次测试，若汽轮机转动顺畅，说明瓶口密封、导管出汽方向和叶片角度的调整有效；若仍转动不畅，可进一步检查瓶口是否密封、导管出汽口是否正对叶片、叶片安装是否均匀.(答案合理即可)
2. 示例：点燃酒精灯加热，蒸汽发生器中的水吸热汽化产生大量水蒸气，高温蒸汽经导管冲击叶片，推动叶片(汽轮机)转动，将内能转化为机械能；使用酒精灯时要用火柴点燃、用外焰加热、熄灭时用灯帽盖灭，同时注意防止蒸汽烫伤.(答案合理即可)

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