跨学科实践 制作龙骨水车（教学设计）物理新教材鲁科版（五四学制）八年级下册

跨学科实践 制作龙骨水车（教学设计） 【学业要求】 1.物理观念： （1）了解龙骨水车的工作原理。 （2）了解龙骨水车中蕴含的物理知识。 2.科学思维： 培养学生运用多学科知识解决实际问题的能力。 3.科学探究： 经历制作龙骨水车的过程。 4.科学态度与责任： 让学生了解我国古代在水车方面的科技成就，增强学生的民族自豪感。 【重点难点】 学习重点：制作“龙骨水车，并分析其中蕴含的物理知识。 学习难点：制作龙骨水车，并且能够成功提水。 【器材准备】 1.各种规格的木板、等。 2.相关的视频、挂图、课件等。 【课时安排】 1课时（45分钟） 【教学过程】 一、新课引入： 龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”诗中的龙骨水车是我国古代劳动人民为利用水力发明的一种运转机械，是农耕时常用的一种灌溉工具。作为我国农耕文化的重要组成部分，龙骨水车见证了我国的农业文明，体现了中华民族的创造力? 本节课我们将一起制作龙骨水车。 二、合作探究： 主题一 了解龙骨水车 1. 任务目标： （1）了解龙骨水车的发展历程，认识龙骨水车在推动农业文明进步中所起的作用。 （2）搜集不同类型的龙骨水车的资料，了解它们的结构及工作原理。 2. 探究实践： （1）查阅资料，绘制时间轴或选用你喜欢的方式，梳理龙骨水车的主要发展历程。 起源：东汉时期据古籍记载，东汉末年的发明家毕岚创造了翻车，这是龙骨水车的前身。当时毕岚造翻车的初衷是用于京城南北郊路的洒水，以节省百姓洒道之费，并非用于农业灌溉。但曹操统一北方后大力发展农业，翻车逐渐被应用于农业领域，不过当时用于农业时效率较低。 改进：三国时期机械发明家马钧对翻车进行了重新发明创造和改进，使其结构更加合理，使用更加方便，改进后的翻车改名为龙骨水车。马钧改进的龙骨水车极其轻便，连小孩都能操作，很快在民间流传开来，促进了当时农业的发展。 发展：唐宋时期这一时期龙骨水车在轮轴应用方面有很大进步，能利用水力为动力作出了 “筒车”，配合水池和连筒可以使低水高送，功效更大的同时还节约了人力。此时，龙骨水车是农田灌溉、排水及运河供水中使用最普遍的提水机械，特别是南方大兴围田之后，对低水头提水机械的需求更加普遍。 繁荣：元明时期轮轴发展更为进步，一架水车不仅有一组齿轮，有的多至三组，出现了 “水转翻车”“牛转翻车”“驴转翻车” 等，可依风土地势交互为用，使翻车的利用更有效益。此外，还出现了 “高转筒车”，在地势较陡峻而无法别开水塘的地方，也能实现低水高送。 衰落：明清时期 虽然在一些地区仍然使用龙骨水车，但其使用范围已经大大缩小，逐渐走向衰落。 （2）小组合作，以图文结合的方式对龙骨水车的种类及主要构造进行整理。选择你最感兴趣的龙骨水车的类型，深入了解它的工作过程。 结构：龙骨水车主要由木链、水槽、刮板、轮轴、齿轮等部分组成。 水槽：一般用木板拼接而成，是水车的主体框架，形状类似长槽，作为水的通道，通常斜置在水边，下端浸入水中。 木链与刮板：木链由许多小块木板通过木榫连接而成，犹如龙骨一般，故得名龙骨水车。刮板固定在木链上，间隔均匀，随着木链的转动，刮板能够在水槽中刮水上升。 轮轴与齿轮：在水槽的两端分别安装有轮轴，大轮轴上装有齿轮。人力或其他动力驱动大轮轴转动时，齿轮带动木链循环转动。有的龙骨水车还会有一些辅助的小轮轴和齿轮，用于改变动力方向或增加传动效率。 （3）实地考察 到展览馆或农村，现场观察和体验龙骨水车的工作过程，了解其工作原理，与当地居民交流龙骨水车对农业生产的作用。 （4）龙骨水车的工作原理：龙骨水车运用了齿轮传动和链传动的原理。当人们踏动踏板、摇动把手或利用其他动力源使大轮轴上的齿轮转动时，齿轮带动木链上的刮板运动。由于木链是封闭的，并且绕在轮轴上，刮板在水槽中做循环运动。刮板在水中时，会将水舀起，随着木链的转动，水被提升到高处，然后从水槽的上端流出，引入农田实现灌溉。其工作原理类似现在自行车的链条，链传动在工作时不存在打滑现象且效率高，能适应多种环境。 （5）龙骨水车对农业生产的作用： 在一些偏远山区、交通不便或电力供应不足的地区，对于小规模的农田、菜地或果园，龙骨水车因其结构简单、无需电力驱动，仍可作为一种备用的灌溉工具。在水源距离农田较近且提水高度不高的情况下，人力或畜力驱动的龙骨水车能够发挥一定的作用，满足农作物的基本灌溉需求。 （6）撰写报告 请根据你的研究，撰写一份研究报告。 主题二 设计与制作龙骨水车 1. 任务目标： （1）尝试完成一款龙骨水车的图纸设计。 （2）制作一个龙骨水车，并写出它的使用说明书。 2. 探究实践： （1）构思设计一个龙骨水车（可综合考虑选材、结构等方面）；或者查阅资料，选择某种类型的龙骨水车，研究它的构造。用你喜欢的方式，采用手绘或者电脑绘图等形式绘制设计图纸。 （2） 参照“链接与拓展”，动手制作一个龙骨水车。 3. 交流评估： （1）根据你撰写的研究报告，与同学分享龙骨水车的结构特点和汲水原理。 龙骨水车的汲水原理：基于链轮传动与板叶刮水的结合，通过人力或畜力驱动，利用连续运动的木板叶片将水流逐级提升。 （2）展示你制作的龙骨水车，与同学交流设计和制作过程中的问题和经验。听取同学的合理化建议，反思制作过程，进一步改进和完善你的龙骨水车。 四、课堂小结： 同学们交流分享自己制作的龙骨水车，比一比谁的提水效果更好。 五、当堂检测： 1．请阅读《龙骨水车》并回答问题。 龙骨水车 陆游在《春晚即景》中写道：“龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”诗中的龙骨车即为龙骨水车，因其结构形如长龙骨架而得此名，是一种用于排水和灌溉的机械。龙骨水车约始于我国东汉时期，三国时期的机械大师马钧予以改进，之后一直在农业上发挥着巨大的作用。 如图甲所示，龙骨水车的主体由两部分组成，一是取水部分的车桶、大龙头轴、小龙头轴、刮水板等；二是人操作部分的扶手和脚踏板等。龙骨水车通体由木质板材构成，并大部分采用榫接和链接结构，简单的材料、成熟的技艺，使龙骨水车很容易制作。 龙骨水车在工作时主要利用链轮传动原理，即当主动轴旋转时，链条与固定在主动轴上的链轮相咬合，从而带动固定在从动轴上的链轮旋转，使从动轴获得动力。如图乙所示，小龙头轴及刮水板浸入低处的水中，人握住扶手用脚踏动脚踏板，驱动大龙头轴（主动轴）转动，带动链条（由刮水板等组成）运动，进而带动小龙头轴（从动轴）转动，这一过程中刮水板将水带入车桶内，板叶刮水上行，将低处的水刮传至高处的农田中，实现灌溉。 如图甲、乙所示的龙骨水车是用脚踩驱动的，称为脚力水车。根据龙骨水车驱动力的不同，还有手摇驱动的手摇水车、流水驱动的水转水车、风力驱动的风力水车等。相比之下，脚力翻车较为轻便、易于搬运、对环境要求低、取水效率高，在农业灌溉中使用最广。 龙骨水车在我国已使用了近两千年，目前仍然有地区在用其灌溉，劳动人民的智慧历经千年洗练，仍然闪耀着光芒！ 请根据上述材料，回答下列问题： （1）龙骨水车在工作时主要是利用了 原理。刮水上行时水的 能增大； （2）刮板的面积越大，水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越 ，当工人踩动脚踏的速度加快时，提升水的功率会变 ； （3）若工人某次使用龙骨水车灌溉面积为10m2的稻田，使稻田的平均水深达到0.1m，灌溉过程中水被龙骨水车提升的高度为2m，所用时间为20分钟，工人做功的平均功率为40W，则该过程中工人做的总功为 J，机械效率为 %（保留整数，不计水渗透和蒸发等损耗，水的密度为1.0×103kg/m3，g取10N/kg）。 2．“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，其构造如甲图所示。《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。如乙图所示，将水车一端浸入水中，另一端固定于岸上。使用时摇动长柄摇杆，使轮轴转动，带动嵌满刮水板的链条运动，槽内板叶刮水上行，倾灌于地势较高的田中。某龙骨水车大轮上有8根辐条，木制链条上装有60块刮水板，平均每块刮水板每次能运送0.5kg的水。 (1)车头大轮与拐木组成了一个轮轴。使用时，人对摇杆施加力的作用使轮轴转动，相当于在使用一个 （选填“省力”或“费力”）杠杆。刮板的面积越大，水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越 （选填“多”或“少”），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其他形式的能； (2)要想龙骨水车运送水更快，下列做法可行的有（　　）； A．将大轮的半径做得更大 B．增加木链条上刮片的数量 C．增加大轮上辐条的数量 D．增加小轮上辐条的数量 (3)人工插秧时，稻田里的水深3～5cm比较合适。现有一亩地（666.7m2），水深为1cm，农民伯伯需用该龙骨水车给稻田蓄水，他以20r/min匀速转动大轮，待运水稳定后，每分钟能运送 N（g取10N/kg）的水。若蓄水过程中水速为3m/s，则一分钟对水做功 J； (4)制作简易“龙骨水车”，并革新“龙骨水车”。 ①“龙骨水车”的制作首要是选材。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 弹性模量 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 1000～4010 7.5～13.2 0.55～0.95 柞木 1000～6510 10.4～16.2 0.55～0.95 制作“龙骨水车”应选 材料最好。老师为学习小组提供“龙骨水车”模型组件，按照说明书组装水车； ②传统水车通过人力、风力进行灌溉农田，效率低。从能源角度写出一条提高“龙骨水车”提水效率的方法： 。 六、板书设计： 略， 七、课后反思： 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的有哪些？ / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 跨学科实践 制作龙骨水车（教学设计） 【学业要求】 1.物理观念： （1）了解龙骨水车的工作原理。 （2）了解龙骨水车中蕴含的物理知识。 2.科学思维： 培养学生运用多学科知识解决实际问题的能力。 3.科学探究： 经历制作龙骨水车的过程。 4.科学态度与责任： 让学生了解我国古代在水车方面的科技成就，增强学生的民族自豪感。 【重点难点】 学习重点：制作“龙骨水车，并分析其中蕴含的物理知识。 学习难点：制作龙骨水车，并且能够成功提水。 【器材准备】 1.各种规格的木板、等。 2.相关的视频、挂图、课件等。 【课时安排】 1课时（45分钟） 【教学过程】 一、新课引入： 龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”诗中的龙骨水车是我国古代劳动人民为利用水力发明的一种运转机械，是农耕时常用的一种灌溉工具。作为我国农耕文化的重要组成部分，龙骨水车见证了我国的农业文明，体现了中华民族的创造力? 本节课我们将一起制作龙骨水车。 二、合作探究： 主题一 了解龙骨水车 1. 任务目标： （1）了解龙骨水车的发展历程，认识龙骨水车在推动农业文明进步中所起的作用。 （2）搜集不同类型的龙骨水车的资料，了解它们的结构及工作原理。 2. 探究实践： （1）查阅资料，绘制时间轴或选用你喜欢的方式，梳理龙骨水车的主要发展历程。 起源：东汉时期据古籍记载，东汉末年的发明家毕岚创造了翻车，这是龙骨水车的前身。当时毕岚造翻车的初衷是用于京城南北郊路的洒水，以节省百姓洒道之费，并非用于农业灌溉。但曹操统一北方后大力发展农业，翻车逐渐被应用于农业领域，不过当时用于农业时效率较低。 改进：三国时期机械发明家马钧对翻车进行了重新发明创造和改进，使其结构更加合理，使用更加方便，改进后的翻车改名为龙骨水车。马钧改进的龙骨水车极其轻便，连小孩都能操作，很快在民间流传开来，促进了当时农业的发展。 发展：唐宋时期这一时期龙骨水车在轮轴应用方面有很大进步，能利用水力为动力作出了 “筒车”，配合水池和连筒可以使低水高送，功效更大的同时还节约了人力。此时，龙骨水车是农田灌溉、排水及运河供水中使用最普遍的提水机械，特别是南方大兴围田之后，对低水头提水机械的需求更加普遍。 繁荣：元明时期轮轴发展更为进步，一架水车不仅有一组齿轮，有的多至三组，出现了 “水转翻车”“牛转翻车”“驴转翻车” 等，可依风土地势交互为用，使翻车的利用更有效益。此外，还出现了 “高转筒车”，在地势较陡峻而无法别开水塘的地方，也能实现低水高送。 衰落：明清时期 虽然在一些地区仍然使用龙骨水车，但其使用范围已经大大缩小，逐渐走向衰落。 （2）小组合作，以图文结合的方式对龙骨水车的种类及主要构造进行整理。选择你最感兴趣的龙骨水车的类型，深入了解它的工作过程。 结构：龙骨水车主要由木链、水槽、刮板、轮轴、齿轮等部分组成。 水槽：一般用木板拼接而成，是水车的主体框架，形状类似长槽，作为水的通道，通常斜置在水边，下端浸入水中。 木链与刮板：木链由许多小块木板通过木榫连接而成，犹如龙骨一般，故得名龙骨水车。刮板固定在木链上，间隔均匀，随着木链的转动，刮板能够在水槽中刮水上升。 轮轴与齿轮：在水槽的两端分别安装有轮轴，大轮轴上装有齿轮。人力或其他动力驱动大轮轴转动时，齿轮带动木链循环转动。有的龙骨水车还会有一些辅助的小轮轴和齿轮，用于改变动力方向或增加传动效率。 （3）实地考察 到展览馆或农村，现场观察和体验龙骨水车的工作过程，了解其工作原理，与当地居民交流龙骨水车对农业生产的作用。 （4）龙骨水车的工作原理：龙骨水车运用了齿轮传动和链传动的原理。当人们踏动踏板、摇动把手或利用其他动力源使大轮轴上的齿轮转动时，齿轮带动木链上的刮板运动。由于木链是封闭的，并且绕在轮轴上，刮板在水槽中做循环运动。刮板在水中时，会将水舀起，随着木链的转动，水被提升到高处，然后从水槽的上端流出，引入农田实现灌溉。其工作原理类似现在自行车的链条，链传动在工作时不存在打滑现象且效率高，能适应多种环境。 （5）龙骨水车对农业生产的作用： 在一些偏远山区、交通不便或电力供应不足的地区，对于小规模的农田、菜地或果园，龙骨水车因其结构简单、无需电力驱动，仍可作为一种备用的灌溉工具。在水源距离农田较近且提水高度不高的情况下，人力或畜力驱动的龙骨水车能够发挥一定的作用，满足农作物的基本灌溉需求。 （6）撰写报告 请根据你的研究，撰写一份研究报告。 主题二 设计与制作龙骨水车 1. 任务目标： （1）尝试完成一款龙骨水车的图纸设计。 （2）制作一个龙骨水车，并写出它的使用说明书。 2. 探究实践： （1）构思设计一个龙骨水车（可综合考虑选材、结构等方面）；或者查阅资料，选择某种类型的龙骨水车，研究它的构造。用你喜欢的方式，采用手绘或者电脑绘图等形式绘制设计图纸。 （2） 参照“链接与拓展”，动手制作一个龙骨水车。 3. 交流评估： （1）根据你撰写的研究报告，与同学分享龙骨水车的结构特点和汲水原理。 龙骨水车的汲水原理：基于链轮传动与板叶刮水的结合，通过人力或畜力驱动，利用连续运动的木板叶片将水流逐级提升。 （2）展示你制作的龙骨水车，与同学交流设计和制作过程中的问题和经验。听取同学的合理化建议，反思制作过程，进一步改进和完善你的龙骨水车。 四、课堂小结： 同学们交流分享自己制作的龙骨水车，比一比谁的提水效果更好。 五、当堂检测： 1．请阅读《龙骨水车》并回答问题。 龙骨水车 陆游在《春晚即景》中写道：“龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”诗中的龙骨车即为龙骨水车，因其结构形如长龙骨架而得此名，是一种用于排水和灌溉的机械。龙骨水车约始于我国东汉时期，三国时期的机械大师马钧予以改进，之后一直在农业上发挥着巨大的作用。 如图甲所示，龙骨水车的主体由两部分组成，一是取水部分的车桶、大龙头轴、小龙头轴、刮水板等；二是人操作部分的扶手和脚踏板等。龙骨水车通体由木质板材构成，并大部分采用榫接和链接结构，简单的材料、成熟的技艺，使龙骨水车很容易制作。 龙骨水车在工作时主要利用链轮传动原理，即当主动轴旋转时，链条与固定在主动轴上的链轮相咬合，从而带动固定在从动轴上的链轮旋转，使从动轴获得动力。如图乙所示，小龙头轴及刮水板浸入低处的水中，人握住扶手用脚踏动脚踏板，驱动大龙头轴（主动轴）转动，带动链条（由刮水板等组成）运动，进而带动小龙头轴（从动轴）转动，这一过程中刮水板将水带入车桶内，板叶刮水上行，将低处的水刮传至高处的农田中，实现灌溉。 如图甲、乙所示的龙骨水车是用脚踩驱动的，称为脚力水车。根据龙骨水车驱动力的不同，还有手摇驱动的手摇水车、流水驱动的水转水车、风力驱动的风力水车等。相比之下，脚力翻车较为轻便、易于搬运、对环境要求低、取水效率高，在农业灌溉中使用最广。 龙骨水车在我国已使用了近两千年，目前仍然有地区在用其灌溉，劳动人民的智慧历经千年洗练，仍然闪耀着光芒！ 请根据上述材料，回答下列问题： （1）龙骨水车在工作时主要是利用了 原理。刮水上行时水的 能增大； （2）刮板的面积越大，水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越 ，当工人踩动脚踏的速度加快时，提升水的功率会变 ； （3）若工人某次使用龙骨水车灌溉面积为10m2的稻田，使稻田的平均水深达到0.1m，灌溉过程中水被龙骨水车提升的高度为2m，所用时间为20分钟，工人做功的平均功率为40W，则该过程中工人做的总功为 J，机械效率为 %（保留整数，不计水渗透和蒸发等损耗，水的密度为1.0×103kg/m3，g取10N/kg）。 【答案】 链轮传动 重力势 多 大 4.8×104 42 【详解】（1）[1]根据文中信息可知，龙骨水车在工作时主要是利用了链轮传动原理。 [2]刮水上行时水的质量不变，高度升高，所以重力势能变大。 （2）[3]刮板对水做的功为W＝Gh，所以水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越多。 [4]当工人踩动脚踏的速度加快时，时间越短，由可知，提升水的功率会变大。 （3）[5]该过程中工人做的总功为 W＝Pt＝40W×20×60s＝4.8×104J [6]该过程提升水的体积为 V＝Sh＝10m2×0.1m＝1m3 质量为 m＝ρV＝1×103kg/m3×1m3＝1000kg 重力为 G＝mg＝1000kg×10N/kg＝1×104N 该过程中工人做的总功为 W有＝Gh＝1×104N×2m＝2×104J 机械效率为 2．“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，其构造如甲图所示。《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。如乙图所示，将水车一端浸入水中，另一端固定于岸上。使用时摇动长柄摇杆，使轮轴转动，带动嵌满刮水板的链条运动，槽内板叶刮水上行，倾灌于地势较高的田中。某龙骨水车大轮上有8根辐条，木制链条上装有60块刮水板，平均每块刮水板每次能运送0.5kg的水。 (1)车头大轮与拐木组成了一个轮轴。使用时，人对摇杆施加力的作用使轮轴转动，相当于在使用一个 （选填“省力”或“费力”）杠杆。刮板的面积越大，水车旋转一周提升的水就越多，对水所做的功越 （选填“多”或“少”），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其他形式的能； (2)要想龙骨水车运送水更快，下列做法可行的有（　　）； A．将大轮的半径做得更大 B．增加木链条上刮片的数量 C．增加大轮上辐条的数量 D．增加小轮上辐条的数量 (3)人工插秧时，稻田里的水深3～5cm比较合适。现有一亩地（666.7m2），水深为1cm，农民伯伯需用该龙骨水车给稻田蓄水，他以20r/min匀速转动大轮，待运水稳定后，每分钟能运送 N（g取10N/kg）的水。若蓄水过程中水速为3m/s，则一分钟对水做功 J； (4)制作简易“龙骨水车”，并革新“龙骨水车”。 ①“龙骨水车”的制作首要是选材。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 弹性模量 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 1000～4010 7.5～13.2 0.55～0.95 柞木 1000～6510 10.4～16.2 0.55～0.95 制作“龙骨水车”应选 材料最好。老师为学习小组提供“龙骨水车”模型组件，按照说明书组装水车； ②传统水车通过人力、风力进行灌溉农田，效率低。从能源角度写出一条提高“龙骨水车”提水效率的方法： 。 【答案】(1) 省力 多 (2)A (3) 800 1.44×105 (4) 柞木 见解析 【详解】（1）[1]车头大轮与拐木组成了一个轮轴，拐木长度大于大轮半径，当轮轴匀速转动时，根据杠杆平衡可得，因为，则，因此此时轮轴可以省力，相当于省力杠杆。 [2]水车旋转一周提升的水就越多，根据可知对水所做的功越多。 （2）A．将大轮的半径做得更大，可使刮水板的速度变大，使龙骨水车运送水更快，故A符合题意； BCD．木链条上刮片的数量、大轮上辐条的数量、小轮上辐条的数量协同变化才能步调一致运行，且这些数量增加了，刮片的密度增加，间距变小，平均每块刮水板每次能运送水的量变少，所以不能使龙骨水车运送水更快，故BCD不符合题意。 故选A。 （3）[1]以20r/min匀速转动大轮，则每分钟大轮转20r，则每分钟能运送水的重力为 [2]一分钟对水做功为 （4）[1]由表格数据可知，选材优选考虑端面硬度和强度，柞木的端面硬度和强度与其他几种材料相比是最合适的。 [2]为提水效率，可利用电能、太阳能代替人力和风力。 六、板书设计： 略， 七、课后反思： 谈谈你在本节课中： （1）收获有哪些？ （2）需要改进的有哪些？ / 学科网（北京）股份有限公司 $$