第十一章简单机械 实践 制作“龙骨水车”模型 2024-2025学年沪科版物理八年级下学期

实践 制作“龙骨水车”模型 【问题缘起】 “龙骨水车”作为我国古代的灌溉农具，是农业机械史上的一项重大改进。用于现代海洋开发的绞吸式挖泥船，就是从这种水车进化、演变而来的。作为我国非物质文化遗产的“龙骨水车”，具有丰富的人文教育意义。“龙骨水车”在结构设计、工作原理和实际应用中涉及了物理学、工程技术、能源材料、历史人文等多领域的知识。 活动主题 探究游乐设施中的功与能 活动时间 活动地点 参加人员 活动内容 1步骤一：查阅资料，了解我国古代“龙骨水车”的工作原理及装置结构 2.认识安全规则 3.完善推介方案 活动过程 任务一：查阅资料，了解我国古代“龙骨水车”的工作原理及装置结构 1. 文献记载：龙骨水车”是我国古代江南地区主要的灌溉农具之一，是一种历史悠久的提水设施，相当于现代的抽水机，《天工开物》中有“数尺之车，一人两手疾转，竟日之功可灌二亩而已”的记载。 2.有关龙骨水车的诗歌 （1）《和孙端叟寺丞农具十五首水车》 宋·梅尧臣 既如车轮转，又若川虹饮。 能移霖雨功，自致禾苗稔。 上倾成下流，损少以益甚。 汉阴抱瓮人，此理未可谂。 （2）《无锡道中赋水车》   苏轼 翻翻联联衔尾鸦，荦荦确确蜕骨蛇。 分畴翠浪走云阵，刺水绿针抽稻芽。 洞庭五月欲飞沙，鼍鸣窟中如打衙。 天公不见老农泣，唤取阿香推雷车。 在这首诗里，苏轼既称赞了水车的作用，又惋惜它不能完全消除干旱带来的威胁，反映出他对农民生活和农业生产的关心，也展示了龙骨水车这一古老农具的独特魅力。 3. 构造分析：由水槽、刮板、木链、木齿轮、脚踏等组成，其主要结构如下图所示。水车安放在河边，下端水槽和刮板直伸水中，另一端的木齿轮固定于堤岸的木架上，用时踩动脚踏部分或用手摇动摇杆使木齿轮转动，通过木链带动槽内板叶刮水上行，倾灌于地势较高的田地。 4. 龙骨水车的机械原理主要基于链传动和轮轴原理。 龙骨水车的主体结构是一个带有刮板的木制链条，这些刮板安装在链条上，形成类似龙骨的形状；轮轴原理方面，水车通常有一个较大的主动轮和一个较小的从动轮。主动轮由水流、人力或畜力驱动。木链条运动起来，木链条和轮轴的动能转化为水的 重力势能 以及各部件摩擦时产生的内能。当主动轮转动时，通过链条带动从动轮转动。 在工作时，刮板在水槽中随着链条的转动而依次刮水上升。当刮板从低处升到高处时，就将低处的水带到高处，实现了水的提升和输送。 链传动保证了刮板能够连续不断地进行刮水动作，使得提升水的过程持续进行。 这种设计巧妙地利用了简单的机械原理，实现了从低处向高处提水灌溉的功能，在古代农业生产中发挥了重要作用。 任务二 ：制作“龙骨水车”模型 方案一：用实验室工具，运用收集到的塑料、木棒等物品，在老师的指导下制作。 【制作器材】实验室工具（刀、锯子、打孔器、电钻、热熔器等）；胶带，强力粘合剂，胶水，细尼龙绳，及收集的塑料片、木棒、木板、亚克力片等。 【制作过程】 1.设计：根据上网收集或老师给予的数据材料，在纸上设计构成部件的形状、样式。 2.加工：选取合适材料根据设计样本制作元件；可将设计样稿用胶水黏贴在材料上制作。 3.组装：根据卯榫孔或用强力粘合剂将元件组合成模型。 【活动评估】对于不稳定的材料可先用胶带黏贴在材料表面，易于做出形状；需要活动的部件不适合用粘合剂固定；相同的部件可批量制作。 4.附：木匠制作龙骨水车视频链接： https://v.douyin.com/iMVVJCqa/ 方案二：在家长同意下，让家长给网购材料，然后进行手工制作。 任务三：尝试革新“龙骨水车” 同学们想到利用电动机驱动“龙骨水车”模型的转动，采用太阳能电池或干电池为电动机供电，这样就可以代替人力进行长时间无人工作了。于是设计寻找电动玩具中的电动机及电池，完成制作，成果展示如图 龙骨水车模型 连接转轴 玩具电动机 太阳能电池 活动评估 1.最好有老师或家长陪同完成模型，某个环节不是很严谨或某个结构制作不严密，都会导致失败。 2.制作完成后，由老师和学生代表组成评审委员会，对作品从外观和使用效果两方面打分，评出优秀作品。 【实践应用】 1.古代制作实用“龙骨水车”时，首要要考虑选材。优先考虑的是提高材料的端面硬度和强度（材料的弹性模量越大，强度越大），以保证水车稳固、联动和耐久；其次再考虑材料的密度，仅为了搬运的方便。为此，同学们查阅到几种木材的特性如下表。 木材种类 端面硬度/N 弹性模量/GPa 密度/（） 湿地松木 2570~4000 10.4~13.2 0.55~0.75 水曲柳木 4010~6500 10.4~16.2 0.55~0.75 槐木 4010~10000 7.5~13.2 0.55~0.95 柞木 6510~10000 10.4~16.2 0.55~0.95 制作“龙骨水车”应选 柞木 材料最好。 2. 用龙骨水车把水提到高处，水的机械能如何变化？ 3.龙骨水车工作时，刮板面积越大，水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越 多 （选填“多”或“少”），当工人踩动脚踏的速度加快时，提升水的功率会变 大 （选填“大”或“小”）； 4.若工人踩动龙骨水车旋转一周可将的水提升到4m高的田地中，所用时间为60s，工人做功的总功率为50W，则该过程中龙骨水车所做的有用功为 1200 J，工人做的总功为 3000 J，机械效率为 40 %。（，g取10N/kg） 5. 现代很多机械与“龙骨水车”的原理相似，例如图（e）所示的链斗式输送机。 链斗式输送机是一种用沿轨道运行的料斗来输送物料的设备，应用于电站、矿山、煤炭等行业，进行松散物料的输送。下而是某型号链斗式输送机在某次工作中的相关数据。 ××型号链斗式输送机的功率 每分钟提升物料的质量 每分钟提升物料的高度 10kW 4t 11.4m 该链斗式输送机在本次工作过程中的效率为 76% 。（g取10N/kg） 学科网（北京）股份有限公司 $$