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3.（2025·南通海安期中）阅读短文，回答问题。
跨学科实践——揭秘并组装“龙骨水车”模型
【任务要求】
（1）了解“龙骨水车”的工作原理。
（2）组装简易“龙骨水车”模型。
【任务实施】
（1）了解“龙骨水车”的工作原理。
“龙骨水车”是一种历史悠久的灌溉农具，相当于现代的抽水机，其结构如图甲所示，车身是木板制成的水槽，车头和车尾各装有一个木齿轮，车尾装小轮，车头装大轮，大轮连着拐木，木链条上装有刮水板，并套在两个木齿轮上。如图乙所示，水车灌溉时，小轮及刮水板浸入低处的水中，用力踩动脚踏转动拐木，使大轮转动，带动木链条和小轮转动，水槽内刮水板刮水上行，倾灌于地势较高的田中。若某龙骨水车的大轮上有8根辐条，如图丙所示，木链条上装有60块刮水板，平均每块刮水板每次能运进0.5 kg的水。
①刮水板匀速刮水上行时，水的重力势能
②下列关于龙骨水车取水的说法不正确的是
A. 拐木的长度大于大轮半径，使用时可以省力
B. 水车旋转提水上升过程中，刮板对水做了功
C. 减小水车各部件间的摩擦，提水的效率增大
D. 龙骨水车提水的原理与汽油机工作原理相同
③插秧时，稻田里的水深3～5 cm比较合适，现有$500\ \mathrm{m}^2$地，水深为1 cm，农民伯伯需用该龙骨水车给稻田蓄水，已知稻田和江面的高度差为3 m，他以恒定功率$P$转动拐木，可使大轮以$15\ \mathrm{r/min}$的转速匀速转
跨学科实践——揭秘并组装“龙骨水车”模型
【任务要求】
（1）了解“龙骨水车”的工作原理。
（2）组装简易“龙骨水车”模型。
【任务实施】
（1）了解“龙骨水车”的工作原理。
“龙骨水车”是一种历史悠久的灌溉农具，相当于现代的抽水机，其结构如图甲所示，车身是木板制成的水槽，车头和车尾各装有一个木齿轮，车尾装小轮，车头装大轮，大轮连着拐木，木链条上装有刮水板，并套在两个木齿轮上。如图乙所示，水车灌溉时，小轮及刮水板浸入低处的水中，用力踩动脚踏转动拐木，使大轮转动，带动木链条和小轮转动，水槽内刮水板刮水上行，倾灌于地势较高的田中。若某龙骨水车的大轮上有8根辐条，如图丙所示，木链条上装有60块刮水板，平均每块刮水板每次能运进0.5 kg的水。
①刮水板匀速刮水上行时，水的重力势能
增大
（填“增大”“减小”或“不变”）。②下列关于龙骨水车取水的说法不正确的是
D
。A. 拐木的长度大于大轮半径，使用时可以省力
B. 水车旋转提水上升过程中，刮板对水做了功
C. 减小水车各部件间的摩擦，提水的效率增大
D. 龙骨水车提水的原理与汽油机工作原理相同
③插秧时，稻田里的水深3～5 cm比较合适，现有$500\ \mathrm{m}^2$地，水深为1 cm，农民伯伯需用该龙骨水车给稻田蓄水，已知稻田和江面的高度差为3 m，他以恒定功率$P$转动拐木，可使大轮以$15\ \mathrm{r/min}$的转速匀速转
答案
3. (1) ①增大 ②D ③60 提示:(1)①物体的重力势能与质量和高度有关,用龙骨水车把水提到高处,质量一定,高度变大,水的重力势能变大。②拐木与大轮组合是轮轴,用力踩动脚踏转动拐木,使大轮转动,拐木的长度是动力臂大于大轮半径,使用时可以省力,A正确。水车旋转提水上升过程中,水在刮板的力作用下移动了距离,刮板对水做了功,B正确。减小水车各部件间的摩擦,即减少了额外功,提水的效率增大,C正确。龙骨水车提水的原理是动力驱动,人力和畜力做功转化为水的机械能,而汽油机工作原理是内能转化成机械能,二者不相同,D错误。③以15 r/min匀速转动大轮,待运水稳定后,每分钟能运送水的质量$m=15×8×0.5\ \mathrm{kg}=60\ \mathrm{kg}$。
解析
【分析】
本题围绕古代灌溉工具“龙骨水车”，考查重力势能、功、机械效率及能量转化的相关知识。①问需根据重力势能的影响因素（质量和高度）分析水的高度变化对重力势能的影响；②问需逐一分析各选项对应的物理原理，判断正误；③问需结合大轮转速、刮水板数量及每块刮水板运水质量，计算每分钟运水的总质量。
【解析】
①重力势能的大小由物体的质量和被举高的高度决定，公式为$E_p=mgh$。刮水板匀速刮水上行时，水的质量不变，高度逐渐增大，因此水的重力势能增大。
②对各选项分析如下：
A. 拐木与大轮组成轮轴，动力作用在拐木上，动力臂为拐木长度，阻力臂为大轮半径，动力臂大于阻力臂，属于省力轮轴，使用时可以省力，A说法正确；
B. 做功的两个必要因素是作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。水车提水时，刮板对水施加向上的力，水向上移动了距离，因此刮板对水做了功，B说法正确；
C. 机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}=\frac{W_{有用}}{W_{有用}+W_{额外}}$，减小各部件间的摩擦可减少额外功，在有用功不变时，总功减小，提水的效率增大，C说法正确；
D. 龙骨水车提水是将人力的机械能转化为水的机械能，汽油机的工作原理是将燃料燃烧释放的内能转化为机械能，二者能量转化的原理不同，D说法错误；故不正确的是D。
③已知大轮转速为$15\ \mathrm{r/min}$，即每分钟转动15圈；大轮上有8根辐条，对应每转动一圈有8块刮水板运水；每块刮水板每次运水$0.5\ \mathrm{kg}$。则每分钟运送水的总质量：
$m = 15 × 8 × 0.5\ \mathrm{kg} = 60\ \mathrm{kg}$。
【答案】①增大；②D；③$60\ \mathrm{kg}$
【知识点】重力势能、功与机械效率、能量转化
【点评】本题以古代灌溉工具为载体，将物理知识与实际应用相结合，考查学生对基础物理概念的理解和应用能力，体现了物理学科的实用性，属于跨学科实践类题目，难度适中。
【难度系数】0.6
本题围绕古代灌溉工具“龙骨水车”，考查重力势能、功、机械效率及能量转化的相关知识。①问需根据重力势能的影响因素（质量和高度）分析水的高度变化对重力势能的影响；②问需逐一分析各选项对应的物理原理，判断正误；③问需结合大轮转速、刮水板数量及每块刮水板运水质量，计算每分钟运水的总质量。
【解析】
①重力势能的大小由物体的质量和被举高的高度决定，公式为$E_p=mgh$。刮水板匀速刮水上行时，水的质量不变，高度逐渐增大，因此水的重力势能增大。
②对各选项分析如下：
A. 拐木与大轮组成轮轴，动力作用在拐木上，动力臂为拐木长度，阻力臂为大轮半径，动力臂大于阻力臂，属于省力轮轴，使用时可以省力，A说法正确；
B. 做功的两个必要因素是作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。水车提水时，刮板对水施加向上的力，水向上移动了距离，因此刮板对水做了功，B说法正确；
C. 机械效率$\eta=\frac{W_{有用}}{W_{总}}=\frac{W_{有用}}{W_{有用}+W_{额外}}$，减小各部件间的摩擦可减少额外功，在有用功不变时，总功减小，提水的效率增大，C说法正确；
D. 龙骨水车提水是将人力的机械能转化为水的机械能，汽油机的工作原理是将燃料燃烧释放的内能转化为机械能，二者能量转化的原理不同，D说法错误；故不正确的是D。
③已知大轮转速为$15\ \mathrm{r/min}$，即每分钟转动15圈；大轮上有8根辐条，对应每转动一圈有8块刮水板运水；每块刮水板每次运水$0.5\ \mathrm{kg}$。则每分钟运送水的总质量：
$m = 15 × 8 × 0.5\ \mathrm{kg} = 60\ \mathrm{kg}$。
【答案】①增大；②D；③$60\ \mathrm{kg}$
【知识点】重力势能、功与机械效率、能量转化
【点评】本题以古代灌溉工具为载体，将物理知识与实际应用相结合，考查学生对基础物理概念的理解和应用能力，体现了物理学科的实用性，属于跨学科实践类题目，难度适中。
【难度系数】0.6
