第九章 第4节 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机（教案）-2024-2025学年度人教版（2024）物理八年级下册

第九章 第4节 跨学科实践：制作简易活塞式抽水机（教案）-2024-2025学年度人教版（2024）物理八年级下册 一、教学目标 1. 了解活塞式抽水机的工作原理和基本结构。 2. 学会运用所学物理知识设计并制作简易活塞式抽水机。 3. 通过跨学科实践活动，提高学生的动手能力、创新思维以及综合运用知识的能力，培养学生对科学技术的兴趣和团队协作精神。 二、教学重难点 【重点】 1. 掌握活塞式抽水机的工作原理。 2. 成功制作出简易活塞式抽水机并使其正常工作。 【难点】 1. 理解活塞式抽水机在工作过程中涉及的大气压强、压力等物理知识的综合应用。 2. 解决制作过程中可能出现的密封、部件配合等技术问题。 三、教学过程 （一）新课导入 1. 展示图片或视频：呈现一些生活中常见的抽水设备，如农村的老式压水井、消防车上的抽水装置等，引导学生观察这些设备的外观和工作场景。 提问：同学们，在日常生活中我们经常会用到水，那你们知道这些水是如何从地下或其他水源抽到我们需要的地方的吗？这些抽水设备是依靠什么原理工作的呢？ 2. 进行简单实验演示：准备一个透明的玻璃杯，里面装部分水，用一个带有橡胶塞的玻璃管插入水中，橡胶塞要保证密封。然后用手向上拉动玻璃管，观察水是否会被抽上来。 分析：这个小实验与我们要制作的简易活塞式抽水机有相似之处，通过这个实验，大家能想到什么呢？从而引出本节课的主题——制作简易活塞式抽水机。 （二）新课教学 知识点 1：活塞式抽水机的原理 1. 理论讲解 （1）利用多媒体动画或示意图，详细讲解活塞式抽水机的工作原理。首先介绍大气压强的概念，地球表面的大气会对物体产生压力，大气压强在标准状况下约为 1.013×10⁵ Pa。 （2）当活塞式抽水机的活塞向上移动时，抽水机内部形成一个局部的低压区（压强小于外界大气压）。此时，在外界大气压的作用下，水源中的水会被压入抽水机的圆筒内。 （3）当活塞向下移动时，活塞会挤压筒内的水，使水通过出水口流出。如此循环往复，就可以不断地将水抽到高处。 2. 公式推导与分析 （1）设活塞的横截面积为 S，活塞向上移动的距离为 h₁，外界大气压为 p₀。根据压强公式 p = F/S（其中 p 为压强，F 为压力，S 为受力面积），可得外界大气对水面的压力 F₀ = p₀S。 （2）当抽水机内部形成低压区时，水在压力差的作用下被压入抽水机。根据功的原理，水被提升的过程中，大气压力所做的功 W = F₀h₁ = p₀Sh₁。这个公式表明，在一定的大气压强和活塞横截面积下，活塞移动的距离越大，大气压力所做的功就越多，能够提升的水的高度也就越高。 （3）让学生思考：如果要提高抽水机的抽水高度，从原理上可以采取哪些措施？引导学生分析得出可以增大活塞面积、提高大气压强（在实际中较难实现）或优化抽水机的结构以减小能量损耗等方法。 知识点 2：简易活塞式抽水机的制作材料与工具 1. 展示实物或图片：向学生展示制作简易活塞式抽水机所需的材料和工具，包括塑料瓶（如 1.5L 或 2L 的饮料瓶）、吸管（粗细不同）、橡胶塞（或橡皮泥）、剪刀、小刀、胶水等。 2. 材料与工具的选择讲解 （1）塑料瓶：作为抽水机的主体容器，其大小和形状会影响抽水机的性能。较大的塑料瓶可以容纳更多的水，但在操作过程中可能需要更大的力气。选择时要注意瓶身的完整性和透明度，以便观察内部水流情况。 （2）吸管：细吸管用于模拟活塞的进出水管，粗吸管可作为抽水机的圆筒。吸管的材质应具有一定的柔韧性和密封性，避免在使用过程中漏水或破裂。 （3）橡胶塞或橡皮泥：用于密封活塞与圆筒之间的间隙，保证抽水机的气密性。橡胶塞的大小要与所选吸管或塑料瓶的口径相匹配，橡皮泥则需要具有良好的可塑性和粘性。 （4）剪刀和小刀：用于裁剪塑料瓶和吸管，操作时要注意安全，提醒学生正确使用工具，避免意外伤害。 （5）胶水：用于固定部件之间的连接，选择粘性适中、干燥速度较快的胶水，确保制作过程的顺利进行。 知识点 3：制作步骤 1. 制作活塞 （1）取一根细吸管，在其一端用橡皮泥或橡胶塞封堵，形成一个密封的活塞头。确保活塞头的密封性良好，可以通过轻轻按压活塞头，观察是否有空气泄漏。如果有泄漏，可以适当调整橡皮泥或橡胶塞的位置和形状，直到密封为止。 （2）用剪刀将活塞头的边缘修剪整齐，使其能够顺畅地在粗吸管内移动。 2. 制作抽水机圆筒 （1）选择一个合适的粗吸管，用剪刀将其剪成适当的长度，作为抽水机的圆筒。长度的选择要根据实际需要和材料的可操作性来确定，一般在 20 - 30 厘米左右较为合适。 （2）在粗吸管的一端侧面开一个小孔，作为进水口。小孔的大小要适中，既要保证水能够顺利进入，又不能过大影响抽水机的密封性和工作效率。可以用小刀或烧热的细铁丝小心地烫出小孔，然后用砂纸打磨小孔边缘，使其光滑。 3. 组装抽水机 （1）将制作好的活塞插入粗吸管内，确保活塞能够在圆筒内自由移动，且密封性良好。可以在活塞和圆筒之间涂抹少量的凡士林或润滑油，以减小摩擦力，但要注意不要涂抹过多，以免影响密封性。 （2）将另一个细吸管插入粗吸管的进水口，作为进水管。进水管的长度要根据实际使用场景来确定，一般要能够接触到水源底部。用胶水或胶带将进水管与进水口固定牢固，确保连接紧密，不漏水。 （3）在粗吸管的另一端（远离进水口的一端）安装一个出水口，可以用剪刀剪出一个斜口，以便水能够顺利流出。也可以在出水口处连接一段短的吸管，引导水流方向。 4. 调试与改进 （1）将制作好的简易活塞式抽水机放入盛水的容器中，如水桶或水槽。操作活塞，观察抽水机是否能够正常工作，即能否将水抽上来并从出水口流出。 （2）如果抽水机不能正常工作，分析可能出现的问题。例如，如果水无法被抽上来，可能是活塞密封性不好、进水管堵塞或进水口位置不当等原因。针对这些问题，采取相应的改进措施，如重新调整活塞密封、清理进水管或调整进水口位置等。 （3）如果抽水机能够抽水，但抽水效率较低，可以尝试优化活塞的运动速度和行程、增大进水管的直径或减小抽水机内部的摩擦力等方法来提高效率。鼓励学生在调试过程中积极思考、勇于尝试，不断改进自己的作品。 知识点 4：跨学科知识拓展 1. 从工程学角度分析 （1）引导学生思考简易活塞式抽水机在设计和制作过程中的工程学原理。例如，抽水机的结构设计要考虑到各个部件的强度和稳定性，以确保在使用过程中不会出现破裂或变形的情况。 （2）讨论材料的选择对抽水机性能的影响。不同材料的物理性质（如硬度、柔韧性、密封性等）会决定抽水机的耐用性、抽水效率和操作便利性。通过对比不同材料制作的抽水机的优缺点，让学生了解工程设计中材料选择的重要性。 （3）介绍一些工程上提高抽水机效率的方法，如优化活塞与圆筒的配合精度、采用更先进的密封技术等，拓宽学生的工程视野，培养学生的工程思维。 2. 与数学知识的联系 （1）在计算抽水机的抽水高度、流量等参数时，会涉及到数学知识。例如，根据前面推导的公式 W = p₀Sh₁，已知大气压强 p₀、活塞横截面积 S 和大气压力所做的功 W，可以通过数学运算求出活塞移动的距离 h₁，进而估算抽水高度。 （2）让学生思考如何通过测量和计算来评估抽水机的性能。例如，可以测量在一定时间内抽水机抽出的水量，计算出流量（流量 = 体积/时间），并分析影响流量的因素。通过这些数学计算和分析，培养学生运用数学知识解决实际问题的能力。 3. 环保与可持续发展方面 （1）组织学生讨论活塞式抽水机在水资源利用方面的作用和影响。与现代的一些大型抽水设备相比，简易活塞式抽水机虽然功率较小，但在一些小型灌溉、家庭用水等场景中具有一定的优势，如能耗低、成本低、操作简单等。 （2）引导学生思考如何在使用抽水机的过程中做到节约用水和保护水资源。例如，可以通过合理控制抽水时间和水量，避免水资源的浪费。同时，鼓励学生关注水资源的可持续发展问题，培养学生的环保意识。 （三）课堂小结 1. 回顾活塞式抽水机的工作原理，强调大气压强在抽水过程中的关键作用。 2. 总结简易活塞式抽水机的制作步骤和要点，包括材料选择、活塞制作、圆筒制作、组装和调试等环节。 3. 梳理跨学科知识在本次实践活动中的体现，如物理原理的应用、工程学设计、数学计算以及环保等方面的知识拓展。 （四）课堂训练 1. 简答题 （1）简述活塞式抽水机的工作原理。 （2）在制作简易活塞式抽水机时，如何确保活塞的密封性？ 2. 计算题 （1）已知某简易活塞式抽水机的活塞横截面积为 5 平方厘米，大气压强为 1.013×10⁵ Pa，如果要将水抽到 3 米高的地方，求大气压力对水所做的功是多少？（g 取 10 N/kg，水的密度为 1000 kg/m³） （2）某学生制作的简易活塞式抽水机在 1 分钟内抽出了 1 升水，求该抽水机的流量是多少？ 3. 实践操作题 （1）让学生对自己制作的简易活塞式抽水机进行进一步改进，提高其抽水效率，并记录改进的方法和效果。 （2）鼓励学生尝试用不同的材料或设计方案制作活塞式抽水机，比较它们的优缺点。 四、教学反思 通过本次跨学科实践活动，学生对活塞式抽水机的原理和制作有了较为深入的了解。在教学过程中，学生积极参与讨论和制作，表现出了较高的兴趣和热情。但在制作过程中，部分学生遇到了一些技术问题，如密封不好、部件配合不紧密等，需要在今后的教学中加强指导和实践练习。同时，在跨学科知识的融合方面，还可以进一步挖掘和拓展，引导学生更深入地思考物理、工程、数学和环保等知识之间的联系，提高学生的综合素养。在时间安排上，要更加合理地分配理论讲解和实践操作的时间，确保学生有足够的时间完成制作和调试任务。此外，还可以增加一些小组竞赛或展示活动，激发学生的竞争意识和创新精神，进一步提高教学效果。 学科网（北京）股份有限公司 $$