跨学科实践05：潜艇-2024-2025学年八年级物理下学期项目化课程案例

跨学科实践05：潜艇 　　潜艇或称潜水船、潜舰，是能够在水下运行的舰艇。潜艇是一种利用力学原理控制沉浮，能够在水下执行任务的舰艇（图 10-5-1），广泛应用于水中作战、海洋科学研究、勘探及开采、设备维护、搜索救援、水下旅游观光等领域。 潜艇在水中能够上沉或下潜主要用到了哪些力学原理? 潜艇的沉与浮 工作原理 鱼儿通过改变鳔的大小使其在水中沉浮。 借鉴鱼类的沉浮，设计出有“鳔”的潜艇。通过人工的方法排水、吸水，来改变潜艇自身所受的重力。 通过排水、充水，来改变自身所受的重力从而达到上浮和下沉的目的。 打开舱门充水，潜艇下沉；将压缩空气压人水舱，排出海水，潜艇上浮。 潜艇的沉与浮 控制物体沉浮的方式 控制潜艇的沉浮与上一节控制鸡蛋的沉浮采取的方式有什么不同？ 控制鸡蛋的沉浮 控制潜艇的沉浮 控制鸡蛋的浮沉是通过改变液体的密度从而改变鸡蛋受到的浮力来实现的。 通过排水、充水，来改变自身所受的重力从而达到上浮和下沉的目的。 潜艇的沉与浮 　　当潜艇潜入深水时，由于不同区域海水密度不同，浮力也会不同。此时，必须精确地调整潜艇水舱中水的多少，改变潜艇整体所受的重力，使之与浮力相等，才能达到新的平衡，保持悬浮状态。可见，精确控制潜艇重力，是潜艇正常工作的关键。 追溯起源 潜艇的发展经历了一个漫长的过程。早期的潜艇只能采用人力推进，在军事作战中用途有限。随着工业革命的深入发展，蒸汽机被应用到了潜艇上，装上了蒸汽机的潜艇机动性大大增强。1897 年，“现代潜艇之父”约翰·霍兰制造出以汽油发动机和蓄电池电动机作为双推进动力系统的“霍兰”号，开启了潜艇发展的新时代。项目实践 教材全点拨 军用潜艇： 　　军用潜艇是国家海军的重要海上作战武器。潜艇的设计与制造以物理学原理为基础，结合机械动力、电子技术、材料科学、仿生学等多个领域的知识，是十分复杂的工程技术。 通过调节水舱内水的多少控制潜艇沉浮。 依靠动力装置推动螺旋桨前进。 利用声呐、潜望镜等设备充当潜艇的耳朵和眼睛。 设置了导弹、鱼雷等武器系统 特点：续航时间长、航行速度快，且攻击威力大、战略威慑强 潜艇的工作过程 ①潜艇平衡的调整：水面上的潜艇在一定范围内具有自动调整平衡状态的能力，而水下的潜艇不具备自行调整平衡的能力。 ②潜艇正常工作的关键：当潜艇潜入深水时，由于不同区域海水密度不同，浮力也会不同。此时，必须精确地调整潜艇水舱中水的多少，改变潜艇整体所受的重力，使之与浮力相等，才能达到新的平衡，保持悬浮状态。 军用潜艇 了解中国潜艇 　　中国潜艇的发展史是一部奋斗史、创新史。中国工程院院士、共和国勋章获得者、国家最高科学技术奖获得者黄旭华，为祖国“深潜”30 年，使我国成为少数可以制造核潜艇的国家之一。 一级革命文物——401“长征一号”核潜艇 中国“核潜艇之父”——黄旭华 他是我国核潜艇研制工程的先驱者，领导实现了我国核潜艇装备从无到有的历史性壮举，为核潜艇研制和跨越式发展作出了卓越贡献。进一步了解黄老的事迹，可以查找报告文学《赫赫而无名的人生》阅读，也可以查找视频“开讲啦黄旭华”等学习。我国第一代核潜艇工程有四位总设计师，每一位都是共和国脊梁。 “国家的需要，就是我的选择。” “国家需要我的血一滴一滴地流，我就一滴一滴地慢慢流。” “如果一切重来，我的选择也不会变！”“我的一生属于核潜艇，属于祖国。” ————黄旭华 潜艇模型制作比赛 材料与工具选用参考 带盖的大、小饮料瓶各两个、配重物、注射器、塑料管、胶枪(包括热熔胶)剪刀、透明胶等 1.生活舱和水舱独立分开。 2.生活舱与设备舱大于水舱 制作要求 1.完成从水面下潜到指定位置悬浮。 2.完成从水下，上浮到指定位置悬浮。 比赛任务 潜艇模型制作比赛 制作要求 1.生活舱和水舱独立分开。 2.生活舱与设备舱大于水舱。 比赛任务 1.完成从水面下潜到指定位置悬浮。 2.完成从水下上浮到指定位置悬浮。 展示、交流与评价 1.各小组介绍潜艇的设计思路，展示设计图纸和制作的潜艇，交流存在问题和需要改进的地方。 2.下面是某组同学的作品以及本次活动评价表，请参照它设计自己的评价表，对实践活动进行评价。 潜艇模型制作比赛 展示、交流与评价 小组名称 时间 评价指标 评价等级 总评 实现沉浮 吸排水 艺术性 展示交流 说明:评价等级用“★”表示，等级从低到高分为3级,分别为"★” "★★" "★★★" 潜艇模型制作比赛 1.各小组介绍潜艇的设计思路，展示设计图纸和制作的潜艇，交流存在问题和需要改进的地方。 2.下面是某组同学的作品以及本次活动评价表，请参照它设计自己的评价表，对实践活动进行评价。 展示、交流与评价 1. 在制作潜艇模型比赛中，小温用3个500mL 的矿泉水瓶黏在一起，两个密封的作“生活舱”，一个瓶身开孔的作“工作舱”。矿泉水瓶质量不计，替代潜艇质量的若干金属螺母放在“工作舱”内，通过对“工作舱”向内注水和向外排水实现潜艇的下沉、悬浮和上浮。（ρ水＝1.0×103kg/m3，g取10N/kg） （1） 比赛中，小温要让漂浮状态的“潜艇”下沉入水，他应该对“工作舱” 　向内注水　（选填“向内注水”或“向外排水”）。 向内注水　 1 2 3 4 返回目录 （2） 潜艇悬浮中，有小螺母从“工作舱”的小孔掉落至水底，此时潜艇受到的浮力 　不变　。（选填“变大”“变小”或“不变”） （3） 若金属螺母体积不计，要实现潜艇上浮和下沉，则金属螺母重力的取值范围为 　10～15N　。 不变　 10～15N　 1 2 3 4 返回目录 2. 中国长征18号核潜艇引领中国核潜艇新高度。在进行战备训练时，下列对该潜艇的说法中正确的是（　C　） A. 通过改变排开水的体积来实现上浮与下沉 B. 在水面下匀速下潜过程中，受到的浮力增大 C. 从长江潜行进入东海时，需要往水舱内注水 D. 从长江潜行进入东海时，受到的浮力会变小 C 1 2 3 4 返回目录 3. 上海海洋大学冯东教授团队的青年教师宫尚桂、王旭东和博士生傅建融搭载中国科学院深海科学与工程研究所“探索二号”科考船及“深海勇士”号载人深潜器，组织TS2－30－3航次赴“海马”冷泉，顺利完成上海海洋大学首批次南海冷泉载人深潜任务。假设海水的密度恒为1.0×103kg/m3，g取10N/kg，则下列说法中正确的是（　C　） 第4题 C A. “探索二号”科考船卸下“深海勇士”号载人潜水器后，船“吃水”更深 B. “探索二号”科考船卸下“深海勇士”号载人潜水器后，船受到的浮力大小不变 C. “深海勇士”号载人潜水器潜入海面以下，下潜过程中受到的浮力大小不变 D. “深海勇士”号载人潜水器潜入4 500m深的海域受到海水的压强为4.5×108Pa 1 2 3 4 返回目录 4. 某次军事演习中，执行深海作业的潜艇悬浮在海水中（如图）。要使潜艇下潜，应对水舱 　注水　（选填“注水”或“排水”），在下潜过程中，潜艇受到的浮力 　不变　（选填“变大”“变小”或“不变”）。 第1题 注水　 不变　 1 2 3 4 5 6 返回目录 5. 如图所示，我国某核潜艇的总体积为4×104m3，水舱未充水时核潜艇的总质量为2.5×107kg，海水的密度约为1.03×103kg/m3，当核潜艇在海水中悬浮时，核潜艇受到的浮力为 　4.0376×108　N，此时水舱中至少充 　1.5876×108　N的海水。 第5题 4.0376×108　 1.5876×108　 1 2 3 4 5 6 返回目录 6. 用硬质塑料瓶、透明胶带、螺母、塑料管、容器和水等，制作如图所示的潜艇模型（不计进、排气管体积），然后将模型放入水中，使其上浮或下沉。下列说法正确的是（　D　） A. 当模型漂浮于水面时，它受到的浮力小于重力 B. 向瓶中充气时，瓶内气体压强变大，模型将下沉 C. 从瓶中抽气时，模型会下沉，它受到的浮力将变小 D. 让原本在较浅处悬浮的模型下潜至更深处悬浮，应使瓶内的水先增加后减少 第3题 D 1 2 3 4 5 6 返回目录 7. 潜艇从海水高密度区驶入低密度区，急剧下降的过程称为“掉深”。如图，某潜艇从a处驶入低密度海水区，“掉深”到b处。与a处相比，潜艇在b处（　A　） A. 受到浮力大小变小 B. 受到浮力大小变大 C. 排开液体重力不变 D. 排开液体重力变大 第7题 A 1 2 3 4 5 6 返回目录 $$