第九章　浮力 实践：调研我国造船与航海方面的成就 ----2024-2025学年沪科版物理八年级下学期

实践 调研我国造船与航海方面的成就 【问题缘起】 船是人类伟大发明，是重要的水上交通工具，船的发展史也是从某个方面体现了人类的科技进步。郑和下西洋促进了中外贸易交流，推动了沿线各国经济的发展；传播了中华文化，促进了中外文化的交流与融合；加强了中国与亚非各国的友好关系，展示了中国的和平友好形象，提高了中国的国际影响力；展现了中国当时先进的航海技术和组织能力，是人类航海史上的伟大壮举。 活动主题 调研我国造船与航海方面的成就 活动时间 活动地点 参加人员 活动内容 1.查阅资料，了解我国古代和近年来船舶的发展及成就，了解我国航海家郑和下西洋为世界航海史作出的贡献。 2. 查阅资料，了解不同类型船舶的设计特点及其对浮力等知识的应用。 3.制作一个用动力的小船。 活动过程 任务一 ：了解我国古代和近年来船舶的发展及成就，了解我国航海家郑和下西洋为世界航海史作出的贡献。 《关于我国船舶发展成就与郑和下西洋贡献的调研报告》 一、引言 船舶的发展在我国历史长河中占据着重要地位，从古代的辉煌到近现代的奋起直追，我国船舶业经历了波澜壮阔的历程。同时，郑和下西洋这一伟大航海壮举对世界航海史产生了深远影响。 二、我国古代船舶的发展成就： 中国是世界上造船历史最为悠久的国家之一，古代造船技术取得了辉煌成就，且在相当长一段时间内领先世界。 1.新石器时代：祖先广泛使用独木舟和筏，筏是水上运载工具的雏形，由百越人发明。 2.秦汉时期：造船业发展出现第一个高峰。秦始皇时曾组织能运输50万石粮食的大船队，其攻打楚国时的舰队使用了楼船等多种战船。汉朝水师强大，中央政府能出动2000多艘楼船、20万水军。楼船是汉朝重要船型，其建造和发展标志着造船技术高超。 3.三国时期：孙吴所据的江东造船业发达，吴国灭亡时被晋朝俘获的官船达5000多艘，所造战船最大可载3000名战士。 4.南朝时期：江南能建造1000吨的大船。南齐大科学家祖冲之制造出装有桨轮的“车船”，利用人力脚踏车轮推动船前进，为船舶动力改进提供新思路。 5.唐宋时期：进入古代造船的成熟时期，达到第二个高峰。这一时期船体不断增大且结构更合理，唐朝内河船长20余丈、载人六七百者屡见不鲜，宋朝“神舟”载重量可达1500吨以上。造船数量增多，唐朝造船基地广泛，宋朝东南各省建立大批官方和民间造船工场，如明州、温州两地年造船600艘，吉州船场曾年产1300多艘。造船工艺也越来越先进，唐朝舟船采用钉接榫合工艺提高船的强度，宋朝开始使用船坞，比欧洲早500年，且能依据船图施工，而欧洲在16世纪才出现简单船图。宋朝还继承和发展了南朝的车船制造工艺，车船是一种装有木叶轮的战船，可人力踏动，船行如飞，南宋杨幺起义军使用的车船可达二三层、载千余人，最大的有32车。 6.明朝时期：造船业达到第三个高峰。元朝继承和发展唐宋先进造船工艺和技术，建造大量各类船只，阿拉伯人的远洋航行逐渐衰落，中国航海船舶居世界首位。明朝的造船工场分布广、规模大、配套全，达到古代造船史的最高水平。主要造船场有南京龙江船场、淮南清江船场、山东北清河船场等。明朝造船工场还有配套手工业工场及严格的管理制度，为郑和七次下西洋的远航壮举奠定了基础。 三、我国近年来船舶的发展成就： 新中国成立后，我国船舶工业取得了举世瞩目的成就。经过70年的发展，中国已成为世界船舶工业大国，国际竞争力达到世界一流水平，基本形成船舶现代科技创新体系，初步建立现代高水平的船舶工业体系。 1.2009年，中国新接订单量、手持订单量这两大造船指标超过韩国，成为世界第一造船大国。 2.2022年，我国造船完工量、新接订单量和手持订单量以载重吨计分别占全球总量的47.3%、55.2%和49.0%，以修正总吨计分别占43.5%、49.8%和42.8%，各项指标国际市场份额均保持世界第一，这也是我国造船国际市场份额连续13年雄踞世界第一。 3.在深远海开发装备、海洋科考装备等智慧海洋装备方面创造了多个世界第一。例如，中船重工自主设计建造的蛟龙号，下潜深度达7062米，是世界潜深最大的载人深潜器；自主设计建造首艘载人潜水器支持母船——深海一号下水以及世界最先进的钻井平台a5000交付等，标志着我国高端深海装备制造能力达到新高度。 4. 1999年，中国购买了“瓦良格”号航母，并对其展开研究和改装，并于2011年8月10日首次进行航海试验，该航空母舰被命名为“辽宁”号，舷号“16”； 2017年4月26日，中国首艘国产航母在大连正式下水，被命名为“中国人民解放军海军山东舰”，舷号为“17”；2022年6月17日，中国第三艘航空母舰命名为“中国人民解放军海军福建舰”，舷号为“18”，在上海江南造船厂下水。 从辽宁舰到山东舰，再到福建舰，中国海军航母建设实现了从无到有、从改装到国产、从滑跃到弹射的升级跨越。 四、郑和下西洋的为世界航海史作出的贡献 郑和下西洋是中国乃至全世界航海史上的伟大壮举，对世界航海事业的发展产生了深远的影响。 1.开创了大规模远洋航行的先河：郑和率领的船队规模宏大，船只数量众多，其航行的规模、时间都可谓前无古人。 2.展示了先进的航海技术：运用了海道针经（24/48 方位指南针导航）结合过洋牵星术（天文导航），白天用指南针导航，夜间通过观看星斗和水罗盘定向来保持航向。在天文航海技术方面，将航海天文定位与导航罗盘应用结合，提高了测定船位和航向的精确度。此外，对船舶储存淡水、船的稳定性和抗沉性等问题都有合理解决。 3.丰富了世界地理知识：郑和船队到达了众多遥远的地区，包括马六甲、印度、西亚、红海、非洲东海岸等地，拓展了当时人们对世界地理范围的认知。 4.留下了珍贵的航海记录：其相关航海记录和资料，为后人研究当时的航海情况、地理风貌等提供了重要依据。 五、结论 我国古代船舶发展成就辉煌，为人类航海事业做出了重要贡献。近现代船舶工业在曲折中发展，取得了显著成就。郑和下西洋更是世界航海史上的璀璨篇章，其贡献不仅体现在当时的航海实践，更对后世的航海发展和国际交流产生了深远影响。未来，我国船舶业应继续加强创新，为全球航海事业的发展贡献更多力量。 任务二 ：了解不同类型船舶的设计特点及其对浮力等知识的应用 船舶的分类很多，根据不同的标准有不同的分类方法。下面主要根据船的用途分类并分析其设计特点及对浮力知识的应用。 以下为您分析不同类型船舶的设计特点以及对浮力知识的应用： 1.货物运输船，主要包括散货船、集装箱船等 设计特点：具有较大的货舱容量，以装载大宗货物；船体结构较为坚固，以承受货物的重量和装卸过程中的冲击；船型较为丰满，以增加载货量。 浮力应用：根据货物的重量和预计的排水量，设计合适的船型和吃水深度。通过控制船体的体积和形状，确保船舶在满载和空载时都能保持足够的浮力，以维持稳定的航行状态。 2.油船 设计特点：为了储存和运输大量的液体货物，油船通常有分隔的油舱和复杂的管道系统。为防止泄漏，油舱具有双层船壳结构。船型较为丰满，以增加载货能力。 浮力应用：在设计时充分考虑油舱的布局和液体货物的密度变化对浮力的影响。确保在装载不同密度的油品时，船舶的浮力和稳定性都能得到保障。 3.客船 设计特点：注重乘客的舒适性和安全性，设有多层甲板和大量的舱室。通常具有较好的稳性和抗风浪能力，外观造型较为美观。 浮力应用：根据乘客数量、行李重量和船舶设备的重量，合理设计船体体积和形状。通过优化舱室布局和压载水系统，确保船舶在各种载客情况下都能保持良好的浮力和稳定性。 4. 渔船 设计特点：宽敞的鱼舱用于储存捕捞的渔获，配备捕捞设备，如渔网、吊杆、捕鱼灯等；良好的耐波性以适应海洋环境中的风浪。 浮力知识应用：船体形状通常为流线型，减少水阻，同时优化浮力分布；根据预计的渔获量和设备重量，设计合适的排水量，保证足够浮力；通过调整压载水，维持船舶平衡和稳定的浮力；合理安排鱼舱和设备舱的位置，确保重心稳定，浮力均匀。 5.海洋工程船 设计特点：具备多种作业功能，如起重、拖拽、潜水支持、海底施工等，因此船上配备了相应的专业设备和工作区域；为应对复杂海况，需要有出色的稳性，通常采用较宽的船型和合理的重心设计；高机动性：装备先进的推进系统和操控设备，以便在狭小空间和恶劣海况下灵活移动；耐波性好：具有良好的抗风浪能力，船体结构坚固，能减少海浪对船舶作业的影响；大储备浮力：预留较大的储备浮力，以应对可能的意外情况，如碰撞、破损等。 浮力知识的应用：海洋工程船的船体形状设计考虑了浮力的分布。船底通常较为平坦宽阔，以增加浮力面积，提高船舶的承载能力；在装载设备和货物时，必须根据浮力原理，合理分布重量，确保船舶的重心在安全范围内，保持平衡和稳定的浮力状态；通过控制船舶的吃水深度，来调节浮力和船舶的航行性能。 6.军舰 设计特点：强调作战性能，包括武器装备的搭载、航行速度、机动性和隐身性等。具有复杂的上层建筑和电子设备。 浮力应用：在满足作战需求的前提下，通过精心的船体设计和重量控制，保证军舰在各种工况下的浮力和稳定性。同时，军舰的压载水系统和减摇装置等也需要充分考虑浮力和稳定性的要求。 总之，不同类型的船舶在设计时都充分应用了浮力知识，通过合理控制船体的形状、体积、重量分布和压载水等因素，以实现安全、高效和稳定的航行。 任务三：制作一个有动力的小船 以下是一个简单的有动力小船的设计方案： 一、船体造型 设计成流线型，船头较尖，船尾较宽。这样的形状可以减少水的阻力，提高船的行驶速度。船体长约30厘米，宽约 12厘米，高约10厘米。 二、材料选取 1.船体：使用薄铝质的易拉罐，剪开后压平，黏贴在纸板上，具有一定的强度、可塑性及耐水性。 2.部件连接主要靠强力粘合剂。 3.密封材料：采用防水胶或者橡胶密封条，确保船体的密封性，防止进水。 三、主要制作工具 剪刀、热熔器 四、驱动装置 1.电机：选用小型直流电机，如3V的马达电机，功率根据船的大小和预期速度选择。 2.螺旋桨：用薄铝板剪成螺旋桨，直径约 5 - 7 厘米。 3.传动轴：使用硬塑料吸管轴，连接电机和螺旋桨。 五、制作步骤 1.将易拉罐减掉两端，然后压平或捋平，跟纸板粘合在一起，作为制作船体的材料，这样既坚固，可塑性也强，防水线也好。 2.用剪刀剪出船体的各个部分，然后使用胶水或铆钉拼接成船体。 3.在船尾部位安装电机，使用支架固定电机，确保其稳定。 4.将传动轴穿过船体底部的密封套，连接电机和螺旋桨。 6.安装电池盒和控制开关，连接电机的电线。 7.对船体进行密封处理，确保不漏水。 六、动力系统 使用可充电的锂电池组作为电源，通过控制开关来调节电机的转速，从而控制船的速度和行驶方向。 附：动力小船制作视频 这样一个简单的有动力小船就制作完成了，您可以根据实际情况进行调整和改进。 【实践应用】 1．如图是郑和下西洋所用的“宝船”模型。《明史•郑和传》记载，郑和的船队共有62艘长约147m、宽约50m的大船。漂浮在水面的一艘大船，其受到浮力与重力的大小关系为：浮力 等于 重力。在古代制造船只大多选用木材，木材除了有易于加工的特点，还因为其密度较 小 ，利于船只漂浮。 2. 600年前，我国明代航海家郑和从南京开始了下西洋的壮举，郑和使用的名为“宝船”的大帆船从长江驶入海洋时，若船上载重不变，则船所受的浮力 不变 ，轮船的吃水深度 变小 ，该轮船在码头装货物的过程中，轮船受到的浮力将 变大 。（三空均选填“变大”、“变小”或“不变”） 3. 阅读材料，回答问题。 漏刻漏刻是我国古代的计时工具，如图甲所示为多级漏刻。让漏壶中的水慢慢滴入箭壶，箭壶示意图如图乙所示，随着箭壶内的水逐渐增多，木块与箭杆组成的箭舟也慢慢上浮，古人从盖孔处看箭杆上的标记，就能知道具体的时刻。 （1）箭舟漂浮在水面，随水位高低变化而升降，它所受的浮力是 不变 （选填“变化”或“不变”）的。 （2）用漏刻计量时间，保持一级漏壶水位的稳定是提高计时精确度的关键。若水位降低会导致滴水速度相应减小，是因为漏壶出水口处水的 压强 减小，从而影响计时的精确度。 （3）若如图乙所示的箭壶底面积为500cm2，箭舟质量为0.3kg。某次模拟计时实验中，小海先将水龙头调至均匀间隙滴水状态，如图丙所示，让水滴入箭壶中，并测得水龙头每分钟滴水的体积为25cm3。盖孔指在距离箭杆顶端10cm处时开始计时，完成24h计时后，盖孔指在距离箭杆顶端 82 cm处，此时箭舟浮在水面所受浮力是 3 N；箭杆上的时间刻度 均匀 （选填“均匀”或“不均匀”）；若要增加此装置的计时总时长，不更换模型结构、部件，最简单的办法是 减小水龙头的滴水速度 。（g=10N/kg） 4. “福船”是古代海上丝绸之路的重要航运工具，如图是某地仿制的一艘福船，该仿古福船长17.6m,宽4.8m,船满载时排水量40t,g取10N/kg,ρ水=1×103kg/m3。 （1）某次航行时，该仿古福船以5m/s的速度匀速直线航行1.5h。求此次航行的路程。 （2）求该仿古福船满载时受到的浮力。 （3）求排开水的体积。 （4）当该仿古福船从海上驶入长江时，该船是上浮些还是下沉些，为什么？ 解：（1）航母的速度v=5m/s=18km/h，由可知，此次航行的路程： s=vt=18km/h×0.5h=9km； （2）根据阿基米德原理可知，该仿古福船满载时受到的浮力： F浮=G排=m排g=40×1000kg×10N/kg=4×105N； （3）由可知，排开水的体积：； （4）该仿古福船始终处于漂浮状态，根据物体的浮沉条件可知，该仿古福船受到的浮力始终等于自身的总重力，当该仿古福船从海上驶入长江时，船的总重力，所以船受到的浮力不变，由于江水的密度小于海水的密度，由阿基米德原理可知，船排开水的体积变大，所以该船要下沉一些。 答：（1）此次航行的路程为9km； （2）该仿古福船满载时受到的浮力为4×105N； （3）排开水的体积为40m3； （4）见解（4）。 5. 小刚同学听了“曹冲称象”的故事后，利用所学知识制作了“水秤”模型，可方便地称量物体的质量，其构造如图甲所示。已知透明大筒足够深，小筒的高度H=0.4m,底面积S=0.02m2，小筒和秤盘总重力为20N，小筒壁的厚度可忽略不计，假设在整个称量过程中小筒下表面始终与水面平行。（水的密度取1.0×103kg/m3）求： （1）当秤盘上不放物体时，小筒受到的浮力； （2）该“水秤”的零刻度线应该在何处，即A点距小筒底部的距离； （3）该“水秤”称量物体的最大重力为多少N？ （4）如图乙，在秤盘放上物体后，就可以称量物体所受的重力，某次该“水秤”称量一个体积为1.2×10-2m3的实心木块时，该“水秤”模型恰好达到了最大称量限度，求木块的密度。 解：（1）当秤盘上不放物体时，小筒漂浮，浮力等于重力，所以小筒受到的浮力为 F浮=G小筒=20N （2）当秤盘上不放物体时，利用阿基米德原理可知小筒排开水的体积为 ； 则A点距小筒底部的距离为： ； （3）小筒漂浮，浮力等于重力，所以该“水秤”称量物体的重力最大时，浮力最大，则最大总重力为： ； 所以该“水秤”称量物体的最大重力为：G大=G总大-G小筒=80N-20N=60N （4）某次该“水秤”称量一个体积为1.2×10-2m3的实心木块时，该“水秤”模型恰好达到了最大称量限度，则木块的重力为60N，则木块质量为： ； 则木块的密度为 。 答：（1）当秤盘上不放物体时，小筒受到的浮力为20N； （2）该“水秤”的零刻度线即A点距小筒底部的距离为0.1m； （3）该“水秤”称量物体的最大重力为60N； （4）“水秤”模型恰好达到了最大称量限度时木块的密度为0.5×103kg/m3。 学科网（北京）股份有限公司 $$