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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。
[活动任务]
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. 构造分析:由水槽、刮水板、木链条、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,下端水槽和刮水板直伸水中,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。
3. 原理分析:使用时,人对脚踏板或人对摇杆施加力的作用使轮轴转动,相当于在使用一
个
任务二:手工方案
方案一:用实验室工具和收集到的塑料、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、强力黏合剂、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黏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黏合剂固定;相同的部件可批量制作。
方案二:在家长同意时,让家长帮助网购材料,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,并展示成果,如图所示。
[交流评估]最好由老师或家长陪同完成革新模型,某个环节不够严谨或某个结构制作不够严密,都会导致失败。
[活动任务]
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. 构造分析:由水槽、刮水板、木链条、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,下端水槽和刮水板直伸水中,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。
3. 原理分析:使用时,人对脚踏板或人对摇杆施加力的作用使轮轴转动,相当于在使用一
个
省力
(选填“省力”或“费力”)杠杆。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其他形式的能。任务二:手工方案
方案一:用实验室工具和收集到的塑料、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、强力黏合剂、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黏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黏合剂固定;相同的部件可批量制作。
方案二:在家长同意时,让家长帮助网购材料,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,并展示成果,如图所示。
[交流评估]最好由老师或家长陪同完成革新模型,某个环节不够严谨或某个结构制作不够严密,都会导致失败。
答案
3. 省力 重力势能
解析
【分析】
要解决这两个问题，需结合轮轴的杠杆特性和能量转化的知识分析：
1. 判断轮轴的类型：轮轴是杠杆的变形，省力/费力取决于动力臂与阻力臂的大小关系。龙骨水车中，人作用在脚踏（轮）上，阻力作用在轴上，轮半径（动力臂）大于轴半径（阻力臂），属于省力杠杆。
2. 分析能量转化：木链条和轮轴的动能，一部分用于提升水，使水的高度增加，重力势能增大，另一部分因摩擦转化为其他形式的能，因此动能转化为水的重力势能。
【解析】
1. 轮轴的本质是杠杆，当动力作用在轮上、阻力作用在轴上时，轮半径（动力臂）大于轴半径（阻力臂），根据杠杆平衡条件，动力小于阻力，属于省力杠杆，故第一个空填“省力”。
2. 水被提升到地势较高的田地，水的质量不变、高度增加，重力势能增大；木链条和轮轴的动能在克服摩擦做功的同时，转化为水的重力势能，故第二个空填“重力势能”。
【答案】
省力；重力势能
【知识点】
轮轴、重力势能、能量转化
【点评】
本题结合我国古代非物质文化遗产“龙骨水车”，将物理知识与实际应用结合，既考察了核心物理知识点，又体现了传统文化的教育意义，题目难度适中，贴近生活实际，易于学生理解掌握。
【难度系数】
0.7
要解决这两个问题，需结合轮轴的杠杆特性和能量转化的知识分析：
1. 判断轮轴的类型：轮轴是杠杆的变形，省力/费力取决于动力臂与阻力臂的大小关系。龙骨水车中，人作用在脚踏（轮）上，阻力作用在轴上，轮半径（动力臂）大于轴半径（阻力臂），属于省力杠杆。
2. 分析能量转化：木链条和轮轴的动能，一部分用于提升水，使水的高度增加，重力势能增大，另一部分因摩擦转化为其他形式的能，因此动能转化为水的重力势能。
【解析】
1. 轮轴的本质是杠杆，当动力作用在轮上、阻力作用在轴上时，轮半径（动力臂）大于轴半径（阻力臂），根据杠杆平衡条件，动力小于阻力，属于省力杠杆，故第一个空填“省力”。
2. 水被提升到地势较高的田地，水的质量不变、高度增加，重力势能增大；木链条和轮轴的动能在克服摩擦做功的同时，转化为水的重力势能，故第二个空填“重力势能”。
【答案】
省力；重力势能
【知识点】
轮轴、重力势能、能量转化
【点评】
本题结合我国古代非物质文化遗产“龙骨水车”，将物理知识与实际应用结合，既考察了核心物理知识点，又体现了传统文化的教育意义，题目难度适中，贴近生活实际，易于学生理解掌握。
【难度系数】
0.7
