人教版（2024）九年级全册（2024）第4节 跨学科实践：制作简易热机模型教学设计

这是一份人教版（2024）九年级全册（2024）第4节 跨学科实践：制作简易热机模型教学设计，共4页。教案主要包含了师生活动，设计意图等内容，欢迎下载使用。
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，发展综合运用所学知识解决跨学科问题的能力。
2．根据项目要求，设计简易的热机模型方案，利用科学推理对方案进行合理的分析、优化。
3．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。
教学重点
1．熟悉热机工作原理的理解与应用，将原理融入模型制作。
2．掌握简易热机模型的制作方法和步骤，确保模型能够正常运行。
教学难点
1．模型制作过程中，如何实现能量的有效转化，提高模型的运行效率。
2．培养在跨学科实践中的综合应用能力，融合物理、工程材料等多学科知识。
教学准备
水、易拉罐、中性笔、硬卡纸、酒精灯、铁丝、钳子、密封胶、剪刀等。
教学过程
新课导入
【师生活动】
教师展示一些常见热机的图片，如燃油汽车、大型轮船、飞机等。提问：这些交通工具是靠什么获得动力的？引导学生思考热机在生产生活中的重要性。
学生观察图片，积极思考并回答问题。
【设计意图】通过提问方式，让学生思考热机靠什么获得动力，激发学生学习兴趣，为学生动手实践制作热机模型做铺垫。
新知探究
一、项目提出
【师生活动】教师讲解《瓦特发明蒸汽机的故事》及课件展示热机的种类（蒸汽机、内燃机、汽轮机、喷气发动机等），讲解科学家们的发明过程。
教师提出任务：今天我们一起尝试设计并制作一个简易热机模型，来更好地了解热机的工作原理。
【设计意图】通过瓦特发明蒸汽机的故事，以及老师对多个科学家关于热机发明经历的讲解，更强的激发了学生对物理学科的好奇心，培养学生的科学探究精神。
二、项目分析
【师生活动】教师提出问题：前面我们所学习的汽油机属于哪种热机？工作原理是什么？
学生：汽油机属于内燃机，工作原理是空气进入气缸与汽油构成可燃的混合物，气门关闭，混合物被点燃产生高温高压的气体推动活塞，活塞带动曲轴转动，对外做功；废气排出气缸，空气和汽油的混合物再进入气缸，循环往复的工作。
教师：汽油机是燃料在气缸内燃烧提供能量的，所以属于内燃机的一种，相比内燃机，给蒸汽机提供能量的燃料是在气缸外的，所以又称为外燃机。它的工作是燃料燃烧给气缸内的水进行加热，产生的水蒸气推动活塞运动。
根据以上描述，那么我们要制作一台热机模型，需要考虑哪些问题？
小组讨论，然后交流。
1．用什么作热源？
热源可以是酒精灯、蜡烛等。
2．工作物质是什么？
给水加热至沸腾，产生水蒸气。
3．用什么容器作气缸？
坚固性和密闭性较好的金属容器，例如易拉罐、茶叶罐和饼干盒等。
4．如何将内能转化为机械能？通过什么装置实现？
在容器外插一根细管，使水蒸气通过细管喷出，形成高速的气流，气流推动扇叶转动。
5．如何获得更多的机械能？
增大热源，产生更多的水蒸气；选择更细小的喷嘴，产生更高速的气流等。
教师：制作采用燃烧燃料加热水产生水蒸气来推动做功的外燃机，比制作在封闭缸体中燃烧燃料来做功的内燃机更加安全，而且材料比较容易获得，所以我们今天制作外燃机。
【设计意图】教师引导学生以讨论交流的方式，思考制作热机模型中需要考虑的问题，培养学生对问题的分析能力。
三、项目实施
【师生活动】教师引导学生根据讨论的结果设计制作方案，做好实验前的准备，然后完成热机模型的制作。
1．制作准备
学生通过小组合作方式完成。对各小组提出以下要求：
（1）明确分工：要求每位成员明确自己所负责内容。
（2）讨论交流：成员间及时沟通，对热机模型的设计制作提出建议，不断优化方案。
（3）协同制作：每位成员都要参与项目当中，共同协作完成项目实施。
准备实验材料：水、易拉罐、中性笔、硬卡纸、酒精灯、铁丝、钳子、密封胶、剪刀等。
2．制作步骤：
（1）气缸的选择
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330 mL、240 mL等，推荐使用较小的易拉罐，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水蒸气喷嘴，能让水蒸气喷出方向更集中，效果更明显。
向罐内注入一半量左右的水，然后把中性笔管的管口朝外，另一端插入罐口1 cm左右深度，在罐的开口处用密封胶压实密封。
（3）制作风车
选取一张厚度适中的硬卡纸（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，对折成风车状。用一根大头针作为风车的旋转轴。确保风车能够稳定地固定在细木棍上并能自由转动。
（4）制作支架
用铁丝做成一个凹形支架，让易拉罐放在支架上时，高度高过酒精灯1~2 cm。
（5）模型组装与调试
将支架放在酒精灯上方，支架上方固定易拉罐，将风车固定在正对中性笔的管口处，点燃酒精灯，加热易拉罐。
学生行为：参照制作步骤指导，制作热机模型。
【设计意图】教师引导学生设计制作方案，描述制作步骤，并以合作方式完成模型制作。培养学生科学探究能力和动手实践能力。
【师生活动】教师提醒学生安全注意事项：
1．剪刀、钳子等工具使用时要注意安全，避免划伤。
2．使用酒精灯加热易拉罐时，要避免烫伤手，不要用手直接触摸燃烧的酒精灯和加热后的易拉罐。
【设计意图】教师通过安全讲解，让学生提高安全意识，避免在实验过程中出现不必要的危险，为学生安全提供保障。
四、展示交流
【师生活动】
教师行为：组织学生展示自己制作的简易热机模型，并邀请各小组代表介绍模型的工作原理、制作过程中遇到哪些问题，是如何处理的。想想是否可以再继续优化设计。
让学生一起参与评选优秀作品，可以通过作品的创意度、制作的精细度、运行的流畅度综合评选。
学生行为：积极展示自己的作品，认真听取其他小组的介绍，参与交流评价问题的讨论，发表自己的观点和看法。
【设计意图】通过学生作品展示，鼓励学生分析自制模型的优缺点，以及给出如何优化建议，最终一起评选优秀作品，培养学生团队协作与科学表达能力。
课堂小结