跨学科实践 调研我国造船与航海方面的成就（教学课件）物理新教材沪科版八年级全一册

物理八年级全一册 •沪科版 第九章 浮力 跨学科实践 调研我国造船与航海方面的成就 “水能载舟，亦能覆舟”，古人早已在船舶航行中窥见水与物体浮沉的奥秘。从古代郑和巨舰扬帆远航，到如今国产巨轮劈波斩浪，人类借助船只跨越江海，既是对航海梦想的追逐，也是对浮力规律的不断探索。 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 1. 用浮力、平均密度解释船为什么能浮； 2. 知道排水量、吃水、干舷的含义； 3. 理解船体造型与稳性的关系。 4. 知道船舶动力与能量的转化。 02 科学思维 1. 把“造船成就”拆成可查证的问题； 2. 用比较、归类梳理船型与驱动； 3. 用证据—结论的方式写报告。 03 科学探究 1. 会查资料、辨真伪、做摘录； 2. 会画草图、做一艘小船模型； 3. 会做载重与航行测试并改进。 04 科学态度与责任 1. 从郑和船队体会中华航海文明； 2. 为我国造船成就感到自豪； 3. 关注绿色航运与海洋生态。 教学重难点 教学难点 教学重点 1. 用浮力与平均密度解释船舶的浮与载； 2. 调研报告的选题、查证与表达； 3. 小船“设计—制作—测试—改进”的完整流程。 1. 把物理原理落到造型、材料、驱动的具体选择上； 2. 让小船既稳又能载重（重心与浮心）； 3. 用数据与证据支撑结论，而不是堆砌资料。 跨学科实践课：一节课完不成，建议课内 2 课时 + 课外 1 周。 课堂引入 图1 1405 年，郑和船队从刘家港出发 图2 今天的港口：一艘集装箱船能装 2 万多个标准箱 VS 六百年，同一条道理 郑和的宝船靠风帆，今天的巨轮靠柴油机；一个排水几千吨，一个排水几十万吨。但让它们浮在海面上的，是同一条浮力规律。这一节，我们沿着这条规律，去调研中国人造船与航海的故事，并亲手做一艘小船。 任务一 中国船的五千年 一条船，五千年 从掏空的树干，到漂浮的城市 约 8000 年前 独木舟 把树干掏空，人类第一次“坐”在浮力上。 商周 木板船与筏 木板拼装、缝隙填塞，装载量成倍增加。 宋元 帆船与罗盘 指南针上船，季风成了最便宜的“发动机”。 1405 年 郑和宝船 九桅十二帆，载千人远航印度洋。 1807 年 蒸汽轮船 动力不再靠风，航向不再靠运气。 今天 钢质巨轮 集装箱船、LNG 船、大型邮轮、极地科考船。 图3 大型邮轮：一座能移动的城市，排水量可达 13 万吨 尺度变了，道理没变 独木舟排水不到 1 吨，巨轮排水几十万吨，相差十万倍。可它们都满足 F浮=G：船有多重，就得排开多重的水。 郑和七下西洋：28 年，30 多个国家 ▶ 视频：早了近一个世纪的远航（4 分 20 秒，双击播放） 读图想一想 船队多在冬春出发、夏秋返航。为什么？——东北季风送出去，西南季风带回来。航海，是把“风”也当成一种资源。 1405—1433 七次远航，历时 28 年 200 多艘 宝船与辅船组成的混合编队 27 800 人 水手、翻译、医生、工匠…… 30 多个 到达东南亚、印度洋、非洲东岸 一条航线，串起半个印度洋 刘家港 → 占城 → 满剌加 → 锡兰 → 古里 → 忽鲁谟斯 → 木骨都束 以满剌加为中转站分航，最远抵达非洲东海岸与红海沿岸。 时间对照 比哥伦布 1492 年横渡大西洋早 87 年，比达·伽马 1498 年到达印度早 93 年。 宝船的技术密码：四项技术，领先世界 图4 水密隔舱模型：一舱进水，其余舱仍密封 把船舱分成若干独立舱室，用隔板密封。触礁破一舱，船仍能航行——这是木帆船时代最重要的安全设计。 ① 水密隔舱 一舱破损不沉船。唐代出现，宋代海船普遍使用。 ② 指南针（罗盘） 阴天也能辨方向，北宋起用于航海，从此“看星”变“看针”。 ③ 舵与帆 尾舵控向、多帆调风，可抢风航行，不必只等顺风。 ④ 造船与计量 船坞、龙骨、水密捻缝工艺，支撑了大型化。 这些技术后来经阿拉伯商人传入欧洲，成为大航海时代的“技术底子”。 ——调研时不妨追问：一项技术，是怎样跨过海洋的？ 郑和留下了什么：航线之外的三样东西 和平往来，而不是占领 船队带去丝绸、瓷器、茶叶，带回香料、珍宝与使节。沿途立碑、赠礼、互市，没有建立殖民地。 技术与人员的流动 水手、翻译（通事）、医生、工匠随行；造船、罗盘、牵星术随航线传播。 记录与海图 《郑和航海图》标注航向、更数、水深；马欢《瀛涯胜览》记下 20 国的风土。 图5 罗盘与海图：把经验变成可以传下去的知识 调研提示 “郑和最远到了哪里”有不同说法。遇到争议，别急着下结论：先看证据是文献、实物还是图像，再看作者是谁、距事件多久。 今天的中国船厂：世界一半以上的新船从这里下水 55.7% 占世界份额 造船完工量　2024 年交付 4 818 万载重吨 74.1% 占世界份额 新接订单量　2024 年承接 1.13 亿载重吨 63.1% 占世界份额 手持订单量　2024 年底手持 2.09 亿载重吨 数据来源：工业和信息化部 2024 年造船业统计。三大指标连续多年居世界第一。 图6 船坞里的巨轮：分段建造、总装、下水、试航 爱达·魔都号 首艘国产大型邮轮 13.55 万吨 17.4 万 m³ 超大型 LNG 运输船 “海上超级冷冻车” 24 000 TEU 超大型集装箱船 一船两万多个箱子 雪龙 2 号 极地科考破冰船 双向破冰 案例研读 例1 郑和宝船到底有多大？ 据《明史》记载，宝船“修四十四丈、广十八丈”（明尺约 0.32 m），是当时世界上最大的木帆船。 若某宝船满载时排水量为2000 t，g取10N/kg，ρ海水=1.03×10³ kg/m³。求： （1）满载时船受到的浮力；（2）排开海水的体积（保留整数）；（3）若船体与人员共重1200 t，还能装多少吨货物？ 【答案】（1）2×10⁷ N　（2）1 942 m³　（3）800 t 【解析】（1）漂浮时F浮=G排=m排g=2×10⁶ kg×10N/kg=2×10⁷N。（2）由 F浮=ρ海水gV排得，即1942m³。（3）漂浮时 m排=m总，故可装货物 2000t−1200t=800t。注意：排水量就是“船和货的总质量”，不是船体本身的质量。 案例研读 例2 钢铁比水“重”，为什么巨轮能浮？ 一块实心钢铁的密度约 7.9×10³ kg/m³，远大于水，可钢铁造的万吨巨轮却能浮在海面上。 A．钢铁做成船以后，密度变小了 B．船排开水的重力等于船的总重力，所以能漂浮 C．船受到的浮力大于它排开水的重力 D．船底受到水的压力，与浮力没有关系 【答案】B 【解析】漂浮时 F浮 = G船总，而 F浮 = G排，所以排开水的重力等于船的总重力，B 正确。A 错：钢铁的密度不变，变的是整条船的“平均密度”——做成空心，V外 变大，平均密度就小于水。C 错：阿基米德原理给出 F浮 = G排，不会“大于”。D 错：浮力正是水对船体上下表面的压力差。 任务二 船为什么能浮 船浮起来的那条公式 漂浮时：F浮=G排=ρ液gV排　且　F浮 = G船+货 两式合起来：m排 = m船 + m货　——这就是“排水量”的物理含义。 水面 干舷 吃水 F浮 G 灰色部分为排开水的体积 V排 排水量　船满载时排开水的质量，单位用 t。它等于船与货的总质量。 吃水　船底到水面的竖直距离。载重越大，V排 越大，吃水越深。 干舷　水面到甲板的高度。干舷留出的“储备浮力”，是安全余量。 所以，判断一艘船“能装多少”，最终都落在 V排 上：V排 由船体形状决定，能排开多少水，就能托起多重的船。这也是为什么同样吨位，宽而浅的船适合内河，瘦而深的船适合远洋。 船底为什么有尖有平：造型里的物理 V 形底 尖底切入水中，阻力小、抗浪好；但吃水深，适合远洋。 平底 接触水面宽，稳、吃水浅；适合内河、湖泊与浅滩。 圆舭 介于两者之间，兼顾阻力与稳性，多见于渔船与游艇。 稳不稳，看两个“心” 重力作用在重心 G，浮力作用在排水体积的形心——浮心 B。船正浮时两心在同一条竖直线上；一旦货物偏到一侧，G 偏移、B 仍在原处，两力形成力矩，船就倾斜。 重心要低 压舱物放船底，别堆在甲板 船宽要大 同样的长度，宽一点更稳 分舱要细 水密隔舱限制进水范围 装载要匀 左右对称、前后平衡 材料与动力：一艘船的两次选择 选材料：又要轻，又要强 材料 密度 / (g·cm⁻³) 用在哪里 木材 0.4～0.8 小船、帆船、内河渔船 铝合金 2.7 高速客船、上层建筑 钢 7.9 大型货船、油轮主体 复合材料 1.5～2.0 赛艇、游艇、潜艇部件 钢的密度是水的 7.9 倍，做成空心船体后，平均密度却可以小于水。选材料不是“越轻越好”，而是“强度够、平均密度小、好加工、耐腐蚀”。 选动力：能量从哪来 桨、篙　人力 → 机械能 小艇、传统木船 帆　风能 → 机械能 帆船、风帆助推船 蒸汽机　化学能 → 内能 → 机械能 19 世纪轮船 柴油机　化学能 → 内能 → 机械能 今天绝大多数货船 电力 / 核　电能 → 机械能；核能 → 热能 → 电能 电动船、破冰船、潜艇 跨学科链接 材料学看“强度与密度”，工程看“成本与工艺”，物理看“浮力与能量转化”——同一个决定，往往要几门学科一起做。 一艘船，一种任务：船型谱系 船型 主要任务 设计特点 用到的浮力知识 集装箱船 运标准箱 甲板堆箱、船体宽大、港序固定 排水量与吃水；稳性要求高 油轮 / LNG 船 运原油、液化气 双层壳、舱室分隔、低温或惰性气体保护 载重变化大，需调节压载水 散货船 运矿砂、粮食、煤炭 单甲板、大舱口、结构简单 装载不均会引起横倾 客轮 / 邮轮 载客与旅游 多层甲板、重心高、设减摇鳍 重心控制与抗倾覆是核心 科考 / 破冰船 极地考察、海洋调查 加强船首、双向破冰、动力强 破冰靠压力与推力，不靠浮力 看船先看“任务”：任务决定船型，船型决定 V排 与重心，最后才决定它长什么样。 大国重器：从极地冰海到万米深海 ▶ 视频：中国船舶勇闯世界之巅（4 分 25 秒，双击播放） 看视频，记三件事 ① 破冰船靠什么破冰？② 极地航行最怕什么？③ 船体为什么要“加强”？把答案写进你的调研笔记。 图7 极地科考船与绿色船舶：一个拼强度，一个拼能耗 “奋斗者”号　2020 年坐底马里亚纳海沟 10 909 m，载人深潜。 “雪龙 2”号　首艘自主建造的极地破冰科考船，双向破冰。 大型邮轮　“爱达·魔都号”交付，摘下造船业“第三颗明珠”。 任务二成果：我的小船设计单 先想清楚，再动手——设计单是要交的 项目 我的选择 理由（用物理话说） 船体造型 □V 形 □平底 □圆舭 阻力 / 稳性 / 吃水 船体材料 □泡沫板 □轻木 □塑料瓶 平均密度、防水、加工 动力装置 □橡皮筋□电动机+螺旋桨 能量从哪来、推力够不够 尺寸 长___cm 宽___ cm V排 决定能载多重 预计载重 ________ g m排 = m船 + m货 防水方案 ____________ 接缝、轴孔、涂层 测试方案 ____________ 测什么、怎么量、记什么 图8 一艘能自己跑起来的小船，比十张漂亮图纸更有说服力 三条硬指标 ① 直线航行 3 m 不偏出 0.5 m ② 加 200 g 配重不进水 ③ 静置 10 s 不倾覆 达不到？改设计，不是改数据。 案例研读 例3 多装 1.2 kg，船会沉下去多少？ 一艘小船空载时排开水的体积为 2.0×10⁻³ m³，船底面积 0.05 m²。装上货物后船仍漂浮， 排开水的体积变为 3.2×10⁻³ m³（ρ水 = 1.0×10³ kg/m³，g取10N/kg）。求： （1）所装货物的质量；（2）船的吃水增加了多少？ 【答案】（1）1.2 kg　（2）0.024 m（即 2.4 cm） 【解析】（1）漂浮时增加的浮力等于增加的重力：ΔF浮=ρ水g ΔV排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×(3.2×10⁻³ m³-2.0×10⁻³ m³)=12 N，故 。也可直接用 Δm=ρ水 ΔV排=1.2 kg。（2）。这就是船身上画“吃水线”的原因：吃水的变化，直接反映载重的变化。 案例研读 例4 一瓶水的位置，为什么能让船翻？ 小明把一瓶 500 mL 的水放在小船正中央，船稳稳漂浮；把同一瓶水移到船舷边，船立刻侧倾，甚至翻倒。 A．移到船舷后，船受到的浮力变小了 B．移到船舷后，船的总重力变大了 C．重心偏移后，重力与浮力不在同一直线上，产生了使船转动的力矩 D．移到船舷后，船排开水的体积变小了 【答案】C 【解析】船仍漂浮，F浮=G 不变，排水体积也不变，A、B、D 都错。水的位置改变的是重心：G 偏向一侧，而浮心 B 仍在排水体积的形心，两力不再共线，形成力偶使船倾斜；倾角过大，甲板入水，船就翻了。所以装货要“低、匀、固定”——这正是造船里“稳性”要算的东西。 任务三 做一艘小船 动手：六步做一艘有动力的小船 ① 画图纸 先画三视图，标出长、宽、吃水深度；算一算预计排水体积。 ② 下料 泡沫板/轻木按图切割；船底一块、船舷两条、隔板两片。 ③ 拼装防水 胶接后涂防水层；接缝、轴孔是漏水高发区。 ④ 装动力 电机轴与船体中线平行，螺旋桨完全浸没且不碰船体。 ⑤ 配重试航 压舱物放船底正中；先空载试航，再逐级加载。 ⑥ 美化命名 涂装、旗号、船名；写一张 50 字的“设计说明”。 安全警示 美工刀斜向外推、刀片用完立即收回；热熔胶枪不碰金属嘴；电池不短路、不浸水；水池边不奔跑，试航时人离水槽一臂远。 材料清单（每组） 泡沫板 1 张 轻木条 4 根 小电机 1 个 螺旋桨 1 只 电池盒 1 套 防水胶 1 支 试航：把“好看”变成“能跑” 测试项目 怎么测 合格线 直线航行 在水槽一端放手，量偏离中线的距离 3 m 内偏出 < 0.5 m 载重能力 逐次加 50 g 配重，直到船沿没入水中 ≥ 200 g 不进水 抗倾覆 把 100 g 配重放在船舷一侧 倾斜后能自行回正 水密性 静置 5 min，擦干船底看有无渗水 舱内无积水 续航 同一组电池，计时跑到停止 ≥ 60 s 迭代循环 设计 制作 测试 改进 每一轮 只改一个 变量 记录比结果重要 每次试航都记下：载重、航向偏差、进水情况、电池电压。有了数据，“改进”才有依据；没有数据，只是在碰运气。 翻船了别急：四种故障，四个办法 ① 原地打转 原因　螺旋桨轴线偏了，或舵面装歪，推力方向与船体中线不平行。 办法　校正轴线；加一片小舵板；把电池、电机左右配平。 ② 一侧倾斜 原因　重心偏在一侧，或左右浮力不对称（一侧船体更厚/更重）。 办法　配重移到中线并放低；检查左右是否对称。 ③ 舱内进水 原因　接缝没涂严、轴孔没密封、船体被螺旋桨打穿。 办法　内侧再涂一层防水胶；轴孔加套管+油脂；先做“空船浸水测试”。 ④ 跑不快 原因　螺旋桨太小/太深、船体过重、船底不光滑。 办法　换大一号桨；减轻船体；打磨船底；电池换新。 把故障写进报告：现象 → 猜测 → 验证 → 结论 这四步，和科学家做研究、工程师改产品，是同一种思路。 交流评价（一）：调研报告怎么算好 维度 优秀 合格 待改进 科学性 物理概念准确， 数据有出处 概念基本正确， 个别数据缺来源 概念混淆或 数据无出处 信息详实 有史实、有数据、 有具体例子 有主要史实， 细节较少 只有结论， 没有材料 可读性 结构清楚，图表 帮助理解 结构完整， 文字较平 条理不清， 大段照抄 规范 注明资料来源， 引用规范 部分注明 未注明 图9 3 分钟汇报：一图、一表、一个结论 汇报只讲三句 ① 我查到了什么（最硬的一条证据） ② 它说明了什么（和浮力什么关系） ③ 我还想知道什么 报告 800 字以内，附资料清单。 评价方式：组内互评 40% + 教师评价 40% + 自评 20%；每份报告至少被两位同学读过。 交流评价（二）：小船怎么评 维度 优秀（5 分） 合格（3 分） 待改进（1 分） 动力性能 能直线航行 3 m，偏差 < 0.3 m 能航行 3 m，偏差 < 0.5 m 原地打转或跑不动 稳定性 加 200 g 配重、侧放 100 g 仍不翻 加 200 g 不进水、不翻 空载也易侧倾 艺术性 造型完整、涂装协调、有船名 外形完整、能看出设计 粗糙、部件外露 原理表达 能说清 V排、重心、推力三件事 能说出其中两件 说不清为什么这样设计 答辩三问（抽签回答） ① 你为什么选这种材料和造型？　② 船为什么不翻？　③ 如果再给你一周，你会改哪里？ 拓展：变暖的海，会怎样改变航运 图10 风帆助推、太阳能辅助——航运正在“减碳” 海平面上升 港口、航道水深改变，部分码头需加高改建。 极端天气增多 航线风险上升，船舶结构与气象导航要求更高。 北极航道 冰融使航道季节性开通，缩短航程但生态风险大。 碳排与绿色船舶 风帆助推、LNG/甲醇燃料、岸电替代。 小论文：五步写完 600 字 ① 提一个问题（越具体越好）　② 找三份可信材料　③ 用数据或案例说清影响　④ 给出你的判断与限度　⑤ 列出资料来源 跨学科视角 地理（洋流与气候）· 历史（航线与贸易）· 工程（船体与动力）· 语文（说明与论证）· 道德与法治（生态责任） 数据研读 研读5 读一组数据，学会“把话说准” 下表是我国造船业三大指标占世界的比重（2024 年）。 造船完工量 55.7%　｜　新接订单量 74.1%　｜　手持订单量 63.1% （1）三个指标中，哪一项领先最多？说明了什么？ （2）用一句话解释“三大指标”分别在说什么。 （3）如果要把这组数据写进调研报告，还必须注明什么？ 【答案】（1）新接订单量（74.1%）；（2）见解析；（3）年份与来源。 【研读】（1）新接订单量领先最多，说明未来两三年的交付量已有保障，世界船东更愿意把订单交给中国船厂。（2）完工量＝今年交了多少船；新接订单量＝今年接到多少新船；手持订单量＝手头还有多少没交。（3）数据必须带“年份 + 来源”，否则无法核对，也无法比较——这是调研报告可信度的底线。 史料研读 研读6 读两段史料，学会“让材料说话” 材料一：《明史·郑和传》——“和经事三朝，先后七奉使，所历占城、爪哇……凡三十余国。” 材料二：《郑和航海图》——标注了航向、更数（航程）与水深，自南京至忽鲁谟斯。 （1）两则材料分别属于哪一类史料？（2）它们能共同说明什么？（3）使用史料要注意什么？ 【答案】（1）文献与图像；（2）见解析；（3）孤证不立、注意立场。 【研读】（1）材料一是文献史料（正史），材料二是图像史料（海图）。（2）文献说明出使次数与到达国家之众，海图说明航线可操作、有技术支撑；两者互证，“郑和远航规模大、范围广”才站得住。（3）孤证不立，要多种材料互证；注意作者立场与成书年代；区分“史实”与“传说”；引用要注明出处。 课堂小结 课堂小结 一条史线 独木舟 → 帆船 → 宝船 → 蒸汽船 → 钢质巨轮；郑和七下西洋，比哥伦布早 87 年。 一条公式 F浮=G排=ρ液gV排；漂浮时F浮=G，m排=m船+m货。 一张设计单 造型、材料、动力、尺寸、载重、防水、测试——每一项都要有物理理由。 一把量规 报告看科学性、详实、可读、规范；小船看动力、稳定、艺术、原理表达。 古人靠一条浮力规律把船送出大海，今天靠同一条规律把巨轮送向世界。 下一次看见一艘船，请试着问：它排开多少水？重心在哪里？动力从哪来？ 课堂练习 课堂练习 探究新知 三道题，检验“会算、会解释、会判断” 1 会算　某货船满载排水量 5 000 t，ρ海水 = 1.03×10³ kg/m³，g 取 10 N/kg。求它受到的浮力和排开海水的体积。 答：F浮 = 5×10⁷ N；V排 ≈ 4.85×10³ m³。 2 会解释　为什么把货物放在船底舱，而不是堆在甲板上？ 答：降低重心，减小倾覆力矩，提高稳性；同时便于固定、避免偏载。 3 会判断　网上说“中国造船世界第一”，你怎样判断这条说法是否可信？ 答：查指标定义与年份，找官方或权威来源，看是否有可比数据，注意“第一”指哪一项。 先看条件，再选方法：有体积用 ρgV，有质量用 mg，有形状用平均密度。 课后作业 探究新知 作业 内容 实践作业 完成教材 227 页实践活动 拓展阅读 调研报告 800 字 谢谢聆听 谢谢聆听 千帆竞渡，求索不止。一叶小舟的浮沉，藏着物理的规律；万里航海的征程，彰显民族的智慧。科学的进步，总是源于观察实践与大胆探索。希望同学们保持好奇，善用知识，在生活中发现更多物理奥妙，以求索为帆，以实干为桨，驶向属于自己的求知海洋。 Lavf61.7.106 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.3.45 Lavf61.7.106 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.3.46 $