第4节 跨学科实践：制作简易热机模型
热机是人们获得动力的重要机械，在人类的发展中，其发明和使用大幅提升了生产速度与规模，大大提高了生产效率，并催生了火车、汽车、轮船等交通工具，极大地“缩短”了地理距离，促进了交通运输的发展，使手工业转向机械化生产，推动了工业革命，促进了材料科学、热力学等学科的进步，推动了社会整体技术水平的提升。下面我们运用已学知识来做一个简易热机模型。
活动1:认识原理
热机分为内燃机和外燃机。汽油机属于内燃机，工作物质是气缸内的空气和汽油的混合物，利用汽油在气缸内燃烧生成的高温高压气体推动活塞做功，实现内能到机械能的转化。蒸汽机工作时，燃料燃烧加热水使之变成水蒸气，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。
活动2:设计简易热机模型
制作外燃机比制作内燃机要安全，材料相对易得，设计外燃机模型的思路如下：

活动3:制作简易热机模型

活动4:迁移运用
在制作简易热机模型的活动中，小星和小慧两位同学分别制作了自己的热机模型，并进行了相关研究。

(1)图甲是小星设计的汽轮机模型。小星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与四冲程汽油机的冲程的能量转化情况相同。
②加热过程中，易拉罐中的水的温度升高，这是通过的方式改变水的内能的。
③小星在测试时发现，加热一段时间后，扇叶才开始转动，这是因为。进行调整后再次测试，发现风扇转动得很慢。小星与同学交流后认为，这是蒸汽喷射时的速度较小造成的。以下两种解决方案中可行的是（填选项字母）。
A. 更换一个尖端更细的中性笔
B. 增加加热时间
(2)图乙是小慧制作的内燃机模型。用喷雾器往塑料瓶内喷入适量酒精，启动电子打火机点燃酒精，活塞瞬间冲出。这个热机模型中，工作物质是，电子打火机相当于汽油机的。

(1)①做功
②热传递
③水的质量较大,将水加热至沸腾需要的时间较长 A
(2)酒精和空气的混合物 火花塞

【分析】
本题围绕简易热机模型的制作，考查热机相关的基础知识。解题时需结合热机的能量转化、内能改变方式、内燃机的工作原理等知识点逐一分析：
1. 对于(1)①，先明确汽轮机的能量转化是内能转化为机械能，再对比四冲程汽油机各冲程的能量转化，找到对应冲程；
2. (1)②需区分改变内能的两种方式（做功、热传递），加热过程属于热量的转移，对应热传递；
3. (1)③中，加热后扇叶才转的原因从水的吸热所需热量分析，蒸汽速度小的解决方案需结合流体速度与横截面积的关系判断；
4. (2)需明确内燃机的工作物质是燃料与空气的混合物，以及汽油机点火部件的对应关系。
【解析】
(1)① 汽轮机工作时，蒸汽的内能转化为扇叶的机械能；四冲程汽油机的做功冲程是燃气的内能转化为活塞的机械能，二者能量转化情况相同，故填做功。
② 加热水时，酒精灯的热量传递给水，使水的内能增加，这种改变内能的方式是热传递。
③ 加热一段时间后扇叶才转动，是因为水的质量较大，将水加热至沸腾需要吸收较多热量，耗时较长；要增大蒸汽喷射速度，更换尖端更细的中性笔，相同体积的蒸汽通过更细的出口时速度更大，故可行方案选A。
(2) 该内燃机模型中，喷入的酒精与瓶内空气混合，点燃后推动活塞，因此工作物质是酒精和空气的混合物；电子打火机用于点燃混合气体，对应汽油机的火花塞（火花塞是汽油机的点火部件）。
【答案】
(1)①做功；②热传递；③水的质量较大，将水加热至沸腾需要的时间较长；A
(2)酒精和空气的混合物；火花塞
【知识点】
内能的改变、热机的冲程、热机的工作原理
【点评】
本题为跨学科实践类题目，将热机理论知识与简易模型制作结合，既考查基础知识点掌握，又注重知识的实际应用，引导学生理解物理与实践的联系，难度适中。
【难度系数】
0.6