第4节 跨学科实践:制作简易热机模型
【项目提出】热机是人们获得动力的重要机械,在生活生产中非常重要,为了更好地了解其工作原理及能量转化,我们制作一个简易热机模型.
【项目分析】了解热机的工作原理
如图1所示,加热试管使水沸腾,观察到小叶轮旋转起来.这个实验中热源是,工作物质是,说明燃料的化学能转化为能,传递给水,水沸腾变成水蒸气,水蒸气驱动小叶轮转动,水蒸气的能转化为小叶轮的能.该过程相当于四冲程内燃机的冲程.这个实验说明热机是的装置.

【项目实施】制作一个简易热机模型
1. 材料准备:一个空易拉罐,一支去掉笔芯和尾塞的中性笔,一台小风扇,一个酒精灯.
2. 制作步骤:向易拉罐内部注入大约半罐水.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.将易拉罐放置在支架上,笔的尖端对准小风扇的扇叶(如图2所示).点燃易拉罐下面的酒精灯,当有蒸汽喷出时,会发现扇叶.
3. 测试调整:如果扇叶旋转不够快,可以调整的位置或增加酒精灯的.
【交流评价】
4. 如图3所示是小金制作的简易“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蒸汽,“蒸汽船”就向行驶.该过程的能量转化与汽油机的冲程相同.
5. 小华和小明利用酒精灯、烧瓶、玻璃弯管、塑料瓶、软木活塞、木条制成的连杆曲轴及小轮自制了一个简易“蒸汽机”,如图4所示.加热烧瓶使水沸腾,观察到小轮旋转起来.蒸汽将小轮向下推的过程,实现了能向能的转化.该装置存在的不足是.
【项目拓展】小聪和小明在校园科技节中展示了自制的热机模型.小聪在塑料瓶内装入少量的液态乙醚,启动电子打火器,活塞瞬间飞出,如图5甲所示;小明用酒精灯加热固定试管内的空气,结果活塞、连杆带动轮子转动起来了,如图5乙所示.下列说法正确的是 ()
A. 图甲中,活塞飞出是机械能转化为内能 B. 图甲中,乙醚燃烧是内能转化为化学能
C. 图乙中,工作物质是热空气 D. 图乙中,活塞在试管中向右运动,相当于做功冲程

【项目分析】燃料盒 水蒸气 内 内 机械 做功 内能转化为机械能
2. 转动起来
3. 笔芯 火焰强度
4. 左 做功
5. 内 机械 没有排气孔
【项目拓展】CD

【分析】
本题围绕简易热机模型的制作与原理展开，需结合热机的能量转化、四冲程内燃机的工作特点、力的作用相互性等知识，逐个分析各部分问题：
1. 项目分析：明确实验中的热源、工作物质，梳理能量转化过程，对应内燃机冲程，明确热机功能；
2. 项目实施：分析蒸汽对扇叶的作用，明确加快转速的调整方法；
3. 交流评价：利用力的相互性判断蒸汽船运动方向，对应内燃机冲程，分析装置不足；
4. 项目拓展：分析两图的能量转化，结合热机特点判断选项。
【解析】
项目分析
热源为提供热量的燃料（酒精灯，对应“燃料盒”），工作物质是被加热后做功的水蒸气；
能量转化：燃料化学能转化为内能，传给水使水沸腾成水蒸气；水蒸气推动叶轮转动，将内能转化为叶轮的机械能；
冲程对应：该过程内能转化为机械能，相当于四冲程内燃机的做功冲程；热机是将内能转化为机械能的装置。
项目实施
蒸汽喷出时会冲击小风扇扇叶，因此扇叶会转动起来；
若扇叶转速慢，可调整笔芯（蒸汽喷出位置）的位置，让蒸汽更集中冲击扇叶，或增加酒精灯的火焰强度，产生更多蒸汽。
交流评价
蒸汽向右喷，根据力的作用是相互的，船体受向左的反作用力，故“蒸汽船”向左行驶；该过程内能转化为机械能，对应汽油机的做功冲程；
蒸汽推动小轮转动，是内能转化为机械能；装置不足是没有排气孔，蒸汽无法排出，影响持续工作。
项目拓展
选项A：图甲活塞飞出是内能转化为机械能，错误；
选项B：乙醚燃烧是化学能转化为内能，错误；
选项C：图乙加热试管内空气，工作物质是热空气，正确；
选项D：图乙活塞运动是内能转化为机械能，相当于做功冲程，正确；因此选CD。
【答案】
【项目分析】燃料盒 水蒸气 内 内 机械 做功 内能转化为机械能
【项目实施】2. 转动起来
3. 笔芯 火焰强度
【交流评价】4. 左 做功
5. 内 机械 没有排气孔
【项目拓展】CD
【知识点】
热机的工作原理、能量转化、四冲程内燃机的冲程
【点评】
本题为跨学科实践题，结合简易热机模型制作，考查热机核心原理，联系实验现象与内燃机知识，注重知识应用与分析，难度适中，能考查学生综合理解能力。
【难度系数】
0.6