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14.4 跨学科实践：制作简易热机模型 学习任务单
班级：________　姓名：________　小组：________
【学习目标】
1. 通过课前查阅与课堂梳理，能说出热机的工作原理及工作过程，知道热机是利用内能做功的机械，工作时将内能转化为机械能。（科学思维）
2. 经历"方案设计—器材准备—制作测试—展示改进"的跨学科实践过程，能从热源、工作物质、将内能转化成机械能的方法三方面设计并动手制作简易热机模型。（科学探究与实践）
3. 在展示交流中能分析蒸汽机、汽油机、蒸汽船、汽轮机等模型中的能量转化并主动提出改进建议，体会热机技术对人类社会发展的价值，增强用火安全与节能环保意识。（科学态度与责任）
【课前任务】
1. 查阅资料，了解蒸汽机或内燃机的发明与发展，把一条你印象最深的资料写在横线上：______________________________________________________________。
2. 准备器材：为课堂制作简易热机模型，在家中寻找可以使用的材料（如空易拉罐等），把你找到的材料列出来：______________________________________________________。
【课堂任务】
任务一　了解热机的工作原理及工作过程
◆ 问题链
1.热机是利用______做功的机械。热机中的能量转化是____能转化为______能。
2.汽油机属于内燃机，它的工作物质是____________的混合物。蒸汽机的燃烧室在汽缸外，属于外燃机，蒸汽机工作时，燃料燃烧使水变成________，________推动活塞产生动力，所以蒸汽机的工作物质是________。
◆ 活动（学以致用）
例1 某一冷凝器蒸汽机的工作原理示意图如图所示：①打开阀门A并关闭阀门B，高压蒸汽随即进入汽缸，推动活塞向上移动；②当活塞到达汽缸的顶部位置时，关闭阀门A并打开阀门B，使得蒸汽流入冷凝器，汽缸内的压强降低，活塞随之下降。这一过程循环往复地进行。请问，上述过程①与下列哪个冲程相对应( )
冷凝器蒸汽机的工作原理示意图
A.　　　　　　　　B.　　　　　　　　C.　　　　　　　　D.
　　　　　　
选项对应的气缸工作示意图
◆ 我的结论：热机工作时，将______能转化为______能。
任务二　设计和制作简易热机模型
◆ 活动（方案设计）
1.设计简易热机模型需要考虑的主要问题：（1）热源；（2）工作物质；（3）将内能转化成机械能的方法。
我们小组的设计：热源选____________；工作物质选____________；将内能转化成机械能的方法是____________________________。
◆ 活动（准备材料）
2.制作简易热机模型（1）准备材料：一个空易拉罐、一支去掉笔芯和尾塞的中性笔、一台小风扇、一盏酒精灯、一个支架。
对照上面的材料清单，我们小组还需要补充的材料：________________。
◆ 活动（制作步骤）
（2）制作步骤：以下为样例，请根据自己的设计选择材料，设计制作步骤（可附图说明）。
①向易拉罐内部注入大约半罐水。
②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。
③将易拉罐如图所示放置在支架上，笔的尖端对准小风扇的扇叶。
简易热机模型装置
④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。
我们小组的制作记录（制作步骤或测试时发现的问题）：________________________。
◆ 问题链（学以致用）
例2 在"跨学科实践：制作简易热机模型"活动中，小明利用厨房里的蒸蛋器自制了一个简易"蒸汽机"，如图所示。在使用过程中蒸蛋器会通过上方的小孔喷出水蒸气，小明将自制的风车放在蒸蛋器上方，成功地让风车转了起来。下列说法错误的是( )
用蒸蛋器自制简易"蒸汽机"
A. 蒸蛋器内部温度越高，水蒸发越快
B. 水的内能增大是通过热传递的方式实现的
C. 水的温度升高以后，水的比热容明显变小
D. 此实验展现了热机工作时做功冲程的能量转化过程
◆ 我的结论：简易热机模型工作时，燃料燃烧释放的内能通过工作物质对外做功转化为______能。
任务三　学以致用
知识点　制作简易热机模型
◆ 活动（模型分析）
1.小龙在活动中展示的自己制作的火箭模型如图所示。瓶子的内侧壁安装一个遥控电火花发生器，给瓶内喷入少量酒精，盖上锥形纸筒，然后用电火花发生器点燃瓶内酒精气体，看到纸筒向上飞出。下列说法正确的是( )
火箭模型
A. 纸筒飞出过程中机械能转化为内能
B. 瓶内酒精燃烧越充分，酒精热值越大
C. 纸筒飞出的原理与汽油机压缩冲程相同
D. 纸筒飞出后瓶内气体的内能减少
2.小辉在爸爸指导下制作的简易汽油机模型如图所示，将适量的汽油喷入圆筒内，用软木塞塞住筒口，当放电针释放电火花时，软木塞被冲出。下列说法正确的是( )
简易汽油机模型
A. 汽油的热值随其质量的变小而变小
B. 电火花使汽油燃烧的过程，将电能转化为汽油的化学能
C. 使用热值更大的燃料，一定可以提高热机的效率
D. 此装置可模拟四冲程汽油机工作时的做功冲程
3.在制作简易热机模型活动中，小明制作了如图所示的简易"蒸汽船"模型。将盛有一定量水的铜制容器安装在"船体"上，用蜡烛对铜制容器底部加热，一段时间后铜管会向右喷气，"蒸汽船"就向左行驶。
简易"蒸汽船"模型
（1）蜡烛对铜制容器底部加热使容器内水温升高，这是通过________的方式改变水的内能的。
（2）当铜管向右喷气时，"船体"向左运动。这个过程的能量转化是____能转化为_____能。这与内燃机的______冲程相同。
◆ 我的结论：模型中的能量转化都是将______能转化为______能。
任务四　基础巩固与能力提升
【基础巩固】
◆ 活动（展示交流）
1.在"制作简易热机模型"实践活动的展示交流环节，小迪展示的是蒸汽机模型，她选择烧瓶、酒精灯、带导管的橡皮塞和小风扇，组装了如图甲所示的模型。
　　
甲　蒸汽机模型　　乙　四冲程内燃机的工作过程示意
（1）小迪讲解：图甲中，用酒精灯加热烧瓶内的水，水蒸气从导管中喷出，推动小风扇转动，将____能转化为______能，实现了利用______来做功的目的。
（2）小迪提出问题：内能需要依靠燃料燃烧获得，为了提高内能的利用效率，图乙相比图甲有什么改进之处？______________________________________________（写出一条即可）。
2.小恩同学设计并制作了如下的汽轮机模型，并开展了相关的探究活动。
（1）制作叶轮：在圆形软木塞四周用小刀切几个对称的小缝，将铝片插在小缝中，在叶轮中心用锥子钻一个小孔，将铁丝穿过小孔，使叶轮能在铁丝上自由转动。
汽轮机模型
（2）组装"汽轮机"：组装器材，注意调整叶轮的位置，使导管的管口正对着叶片，如图所示。
（3）给烧瓶中的水加热直至沸腾，当大量的"白气"从导管口喷出时可以看到叶轮转动。
（4）探究思考：①汽轮机的工作原理是____________________________________________。
②请从内能的利用效率方面作出评价：__________________________。
【能力提升】
3.小东学习了热机后，想制作一个压缩空气动力小车。
甲　压缩空气动力小车
（1）小东将充满气的气球捆绑在小车上，制成压缩空气动力小车，当气球向右喷气时，静止的小车向左运动起来了，如图甲所示。这说明力可以改变物体的__________。细心的小东还发现喷完气的气球嘴内壁湿漉漉的，原因是______________________________________________________________。
（2）为制造压缩空气动力汽车，工程师将装有压缩空气的钢瓶与空气动力发动机连接起来，该发动机的一个工作循环分为进气冲程和排气冲程，示意图如图乙所示。该发动机对外做功的是______（选填"进气"或"排气"）冲程。若该发动机的转速为 ，则 内发动机对外做功____次。
乙　压缩空气动力发动机的工作示意图
（3）和传统汽油机相比，压缩空气动力汽车的优点是________。
◆ 我的结论：上述模型工作时的能量转化都是将______能转化为______能。
【课后任务】
1. 结合课堂测试情况，从内能的利用效率方面评价你们小组制作的简易热机模型，写出一条改进措施并说明理由：______________________________________________。
2. 查阅资料，了解压缩空气动力汽车等新型动力装置的应用，写一句你最感兴趣的介绍：________________________________________。
【参考答案】
【课前任务】
1. 示例：蒸汽机的发明使人类进入"蒸汽时代"，极大推动了工业生产和交通运输的发展（合理即可）。
2. 示例：空易拉罐、去掉笔芯和尾塞的中性笔、小风扇（或自制纸风车）、酒精灯、支架等（合理即可）。
【任务一】
问题链：1. 内能；内；机械
2. 空气和汽油；水蒸气；水蒸气；水蒸气
活动（学以致用）：例1 B　解析：过程①中高压蒸汽进入汽缸，推动活塞向上移动，蒸汽的内能转化为活塞的机械能，与内燃机的做功冲程相对应。A图进气门打开、活塞向下运动，是吸气冲程；B图两个气门都关闭、火花塞点火、活塞向下运动，是做功冲程；C图排气门打开、活塞向上运动，是排气冲程；D图两个气门都关闭、活塞向上运动，是压缩冲程。故选B。
我的结论：机械（热机工作时将内能转化为机械能）。
【任务二】
活动（方案设计）：示例：热源用酒精灯（或蜡烛）；工作物质用水（和水蒸气）；加热易拉罐中的水，水蒸气从笔尖喷出冲击扇叶转动，将内能转化成机械能（合理即可）。
活动（准备材料）：示例：胶带（密封罐口用）、火柴、护目镜等（合理即可）。
问题链（学以致用）：例2 C　解析：水的比热容是物质的一种性质，不随温度升高而明显变小，C说法错误，符合题意；温度越高，水蒸发越快，A正确；水吸收热量、内能增大，是通过热传递实现的，B正确；水蒸气喷出推动风车转动，将内能转化为机械能，展现了做功冲程的能量转化过程，D正确。
我的结论：机械（燃料燃烧释放的内能通过工作物质对外做功转化为机械能）。
【任务三】
1. D　解析：纸筒飞出是瓶内燃气对纸筒做功，将内能转化为机械能，A错误；热值是燃料的特性，只与燃料种类有关，与燃烧是否充分无关，B错误；纸筒飞出的原理与做功冲程相同，与压缩冲程不同，C错误；瓶内气体对外做功，内能减少，D正确。
2. D　解析：热值是燃料的特性，与质量无关，A错误；电火花点燃汽油，是汽油燃烧将化学能转化为内能，不是电能转化为化学能，B错误；热机效率与能量损失情况有关，使用热值更大的燃料不一定能提高热机的效率，C错误；该装置中燃气推动软木塞做功，可模拟做功冲程，D正确。
3.（1）热传递　（2）内；机械；做功
我的结论：内；机械（模型工作时都将内能转化为机械能）。
【任务四】
【基础巩固】1.（1）内；机械；内能　（2）燃料在气缸内部燃烧，能量损失少，效率相对较高（合理即可）。
2.（4）①燃料燃烧时化学能转化为内能，内能再转化为机械能　②内能损失多，汽轮机效率低（合理即可）。
【能力提升】3.（1）运动状态；球内气体对外做功，导致内能减小、温度降低，水蒸气遇冷液化形成小水滴。
（2）进气；20
解：该发动机的一个工作循环分为进气冲程和排气冲程，压缩空气进入汽缸推动活塞运动，对外做功的是进气冲程。发动机转速为 1200 r/min，即每秒转动的圈数为
每转一圈完成一个工作循环、对外做功一次，所以1 s内发动机对外做功20次。
（3）无污染（示例：行驶时不燃烧燃料，几乎不排放废气，清洁环保）。
【课后任务】(示例)
1. 示例：①给易拉罐包上一层保温材料，减少热量散失，提高内能的利用率；②调整笔尖与扇叶的距离，让喷出的蒸汽正对扇叶中心，使扇叶转动更快（合理即可）。
2. 示例：压缩空气动力汽车行驶时利用压缩空气膨胀做功驱动车轮，不需要燃烧燃料，几乎不产生污染物（合理即可）。

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