資源簡介

(共35張PPT)
第5節 跨學科實踐：潛艇
第十章 流體的力現象
潛艇(圖1)，是一種利用力學原理控制沉浮，能夠在水下執行任務的艦艇。潛艇按體積可分為大型( 主要為軍用)、中型或小型( 袖珍潛艇、潛水器) 和水下自動機械裝置等。
它是海軍的主要艦種之一，它具有良好的隱蔽性，較大的自給力、續航力和較強的突擊威力，可用于攻擊陸上戰略目標和大、中型水面艦船、潛艇，襲擊海岸設施和陸上重要目標，以及布雷、偵察、遣送特種人員登陸等。潛艇也廣泛應用于海洋科學研究、勘探及開采、設備維護、搜索救援、水下旅游觀光等。
追溯起源
潛艇的發展經歷了一個漫長的過程。早期的潛艇只能采用人力推進，在軍事作戰中用途有限。隨著工業革命的深入發展，蒸汽機被應用到了潛艇上，裝上了蒸汽機的潛艇機動性大大增強。1897 年，“現代潛艇之父”約翰·霍蘭制造出以汽油發動機和蓄電池電動機作為雙推進動力系統的“霍蘭”號，開啟了潛艇發展的新時代。項目實踐 教材全點撥
任務一 潛艇的沉與浮
1. 魚的沉浮
(1) 魚的沉浮原理：通過觀察魚兒的潛水機制，人類發現魚體內有一個叫作魚鰾的器官(圖2)，這個器官可以幫助魚兒通過調節其內部的空氣量(即
改變自身體積)來控制浮力，從而實
現上浮或下沉。
(2)具體分析
①魚兒下潛時，收縮魚鰾，減小排開水的體積，所受浮力變小，所受浮力小于重力；
②魚兒上浮時，膨脹魚鰾，增大排開水的體積，所受浮力變大，所受浮力大于重力。
2. 潛艇的沉浮
(1)潛艇的沉浮原理:潛艇的水艙類似于魚的魚鰾,潛艇通過調節其內部的水量來控制自身重力,實現下沉和上浮。
(2)具體分析
①潛艇下潛時，吸收海水，自身重力增大，所受重力大于浮力；
②潛艇上浮時，排出海水，自身重力減小，所受重力小于浮力。
深度思考控制潛艇的沉浮與教材中控制雞蛋的沉浮采取的方式有什么不同？
深度理解
如圖3 所示，雞蛋的重力不變，通過改變杯中液體的密度，從而改變雞蛋所受浮力的大小，進而控制雞蛋的沉浮；浸沒在水中的潛艇所受浮力不變，靠水艙的吸水和排水來改變自身的重力, 從而改變重力與浮力的大小關系, 進而控制潛艇的沉浮。
(3)潛艇的工作過程
①潛艇平衡的調整：水面上的潛艇在一定范圍內具有自
動調整平衡狀態的能力，而水下的潛艇不具備自行調整
平衡的能力。
②潛艇正常工作的關鍵：當潛艇潛入深水時，由于不同區域海水密度不同，浮力也會不同。此時，必須精確地調整潛艇水艙中水的多少，改變潛艇整體所受的重力，使之與浮力相等，才能達到新的平衡，保持懸浮狀態。
深度思考 同學們想一想潛艇正常工作的關鍵是什么？
深度理解
關鍵是精確控制潛艇的重力。
潛水艇是靠改變___________來實現下潛和上浮的。如圖4 所示是同一艘潛水艇在水下上浮和下潛時的情景，其中圖___正在下潛，潛水艇受到的浮力F甲______(填“>”“<”或“=)F乙；現有某新型淡水科考潛水艇，體積為2 000 m3，該潛水
艇懸浮在水下8 m 深處時受到
的浮力大小為______N。(ρ 淡水
=1×103 kg/m3，g 取10 N/kg)
例 1
自身的重力
乙
=
2×107
解析：潛水艇是通過改變水艙中的水的重力來改變自身重力，從而實現上浮和下潛的。要使潛水艇下潛，應使潛水艇所受的浮力小于潛水艇的重力，所以水艙中水較多時潛水艇下潛，故圖乙為潛水艇下潛時的情景。
圖甲、乙中潛水艇浸沒在水中，排開水的體積都等于潛水艇的體積，潛水艇的體積不變，排開水的體積不變，根據F 浮=ρ 液gV 排可知，潛水艇所受的浮力大小不變，所以潛水艇受到的浮力F 甲=F 乙。該潛水艇懸浮在水下8 m 深處時受到的浮力F 浮=ρ 淡水gV 排=ρ 淡水gV=1×103 kg/m3×
10 N/kg×20 00m3=2×1 0 7 N。
1.[中考·廣州] 潛水艇從海水高密度區駛入低密度區, 急劇下降的過程稱為“掉深”。如圖,某潛水艇從a 處駛入低密度海水區,“掉深”到b 處。與a 處相比,潛水艇在b 處( )
A. 受到浮力大小變小
B. 排開液體重力不變
C. 受到浮力大小變大
D. 排開液體重力變大
A
任務二 軍用潛艇
1. 軍用潛艇深潛原理：潛艇要潛下去，自身的重力必須大于其所受的浮力，可通過調節水艙內的水量來控制。
2. 潛艇的動力：現代潛艇依靠電力驅動馬達推動螺旋槳前進。根據電力產生的方式，分為柴電動力、核動力和AIP。
3. 核潛艇
(1)基本結構：如圖5 所示。
(2)特點：續航時間長、航行速度快，且攻擊威力大、戰略威懾強。
多學一些
中國“核潛艇之父”——黃旭華
他是我國核潛艇研制工程的先驅者，領導實現了我國核潛艇裝備從無到有的歷史性壯舉，為核潛艇研制和跨越式發展作出了卓越貢獻。
進一步了解黃老的事跡，可以查找報告文學《赫赫而無名的人生》閱讀，也可以查找視頻“開講啦黃旭華”等學習。
我國第一代核潛艇工程有四位總設計師，每一位都是共和國脊梁。
[中考·瀘州]中國長征18 號核潛艇引領中國核潛艇新高度。在進行戰備訓練時，下列對該潛艇的說法中正確的是( )
A. 通過改變排開水的體積來實現上浮與下沉
B. 在水面下勻速下潛過程中，受到的浮力增大
C. 從長江潛行進入東海時，需要往水艙內注水
D. 從長江潛行進入東海時，受到的浮力會變小
例2
解析：潛艇是通過改變自身的重力來實現上浮與下沉的，故A 錯誤；在水面下勻速下潛過程中，潛艇受到的浮力不變，故B 錯誤；從長江潛行進入東海時，液體密度變大，潛艇受到的浮力會增大，根據物體的浮沉條件可知，此時要增大潛艇的重力，才能使潛艇潛行在海中，所以需要往水艙內注水，故C 正確，D 錯誤。故選C。
答案：C
2. 中國自主研發的“海斗一號” 無人潛水器( 如圖所示) 是通過水艙吸水和排水來改變________，實現上浮和下潛，其在水面下下潛過程中受到的浮力______(填“變小”“變大”或“不變”)，已知海水
的密度為1.03×103 kg/m3， 在10000 米
深處， 海水對潛水器壓強大小為
_________ Pa。(g 取10 N/kg)
自身重力
不變
1.03×108
任務三 潛艇模型制作比賽
1. 制作要求
(1)生活艙和水艙獨立分開；
(2)生活艙體積大于水艙。
2. 比賽任務
(1)完成從水面下潛到指定位置懸浮；
(2)完成從水底上浮到指定位置懸浮。
3. 制作材料 帶蓋的礦泉水瓶(380 mL)4 個、500 g 配重、注射器、塑料軟管、熱熔膠、剪刀、刻刀、透明膠等。
4. 制作過程
項目小組利用硬質空礦泉水瓶制作了如圖6 所示的潛艇模型。
(1)利用兩個硬質空礦泉水瓶制作生活艙，生活艙加入適量的配重后，用熱熔膠密封。
(2)利用一個硬質空礦泉水瓶制作水艙，水艙底部開一個進出水口，水艙與注射器通過塑料軟管相連，并用熱熔膠密封。
(3)按照模型圖將兩個生活艙和一個水艙用熱熔膠固定并密封隔斷，使三個艙室互不連通。
(4)推、拉動注射器活塞可以實現自制潛艇的浮沉。
深度思考同學們，假如你使用這個自制潛艇參加潛艇制作大賽，怎樣操作才能實現自制潛艇的浮沉？
深度理解
當拉動注射器的活塞，水從進出水口進入水艙，潛艇總重力增加，當總重力大于潛艇受到的浮力時，潛艇下沉；當推動注射器的活塞，水從進出水口排出水艙，潛艇總重力減小，當總重力小于潛艇受到的浮力時，潛艇上浮。
5. 展示、交流與評價：
潛艇制作大賽中，圖7 丙是比賽現場圖，圖甲、乙為參賽選手作品簡圖，比賽相關信息如下：
交流思考(1)甲組同學參賽作品如圖甲，請根據制作要求直接判斷該作品是否符合參賽要求？
交流理解
不符合參賽要求。
(2)乙組同學參賽作品如圖乙，生活艙(可加配重不進水)為2 個礦泉水瓶，水艙為1 個礦泉水瓶(均未剪裁)，潛艇自重為100 g。在實踐中，乙組同學發現即使加入所有配重，水艙裝滿水后，潛艇仍漂浮，無法下沉至水底。請通過計算說明原因。(礦泉水瓶厚度不計，塑料軟
管、熱熔膠體積均忽略不計，g 取10 N/kg)
交流理解
潛艇浸沒在水中的體積 V 乙＝380 cm3×3 ＝
1 140 cm3，受到的浮力F 浮＝ρ 水gV 排＝ 1×
103 kg/m3×10 N/kg×1 140×10-6 m3 ＝11.4 N；水艙裝滿水時的質量m水艙＝ρ水V水艙＝1 g/cm3×380 cm3=380 g=
0.38 kg，水艙重力G總=m總g=(0.5 kg+0.1 kg+0.38 kg)×
10 N/kg=9.8 N；比較可知F 浮＞ G 總，潛艇無法下沉。
(3)乙組同學經過思考，認為若想要完成比賽任務，可對潛艇如何改進？(潛艇自重變化忽略不計，寫出一條即可)
交流理解
增加配重。
例 3
[二模·十堰]物理實踐活動中，小
明自制了一個體積為50 cm3 的潛
艇模型，如圖8 所示。下列說法
正確的是( )
A. 潛艇模型懸浮在水中時受到的浮力為5 N
B. 潛艇模型是通過改變所受的浮力實現浮沉的
C. 將注射器向左推，圖中懸浮的潛艇模型上浮
D. 潛艇模型在水面下下潛的過程中受到的浮力增大
解析：潛艇模型懸浮在水中時，排開水的體積
V 排=V=5 0 cm3=5×10 -5 m3，則受到的浮力F 浮=
ρ 水gV 排=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×5×10 -5 m3=0.5 N，故A 錯誤；潛艇模型在水中時，排開水的體積不變，受到的浮力不變，潛艇模型是通過改變自身的重力實現浮沉的，故B 錯誤；
將注射器向左推，試管中的氣壓增大，水被排出，潛艇模型自身的重力減小，圖中懸浮的潛艇模型將上
浮，故C 正確；潛艇模型在水面下下潛的過程中，排開水的體積不變，則受到的浮力不變，故D 錯誤。
答案：C
3. [中考· 泰安] 做中學是學習物理的有效方法，小華在學習了潛水艇知識后，利用硬塑料瓶、透明膠帶、螺母、塑料管、容器和水等，制作如圖所示的潛水艇模型，不計進排氣管體積，要讓原本懸浮的潛水艇上浮，采取的措施是使瓶內氣體( )
A. 增加 B. 減少
C. 先增加后減少 D. 先減少后增加
A
跨學科實踐：潛艇
潛艇
外殼、艙室、潛航裝置、動力裝置
結構
工作原理
工作過程
改變自身重力
下潛過程：增大自身重力
上浮過程：減小自身重力
懸浮過程

展開更多......

收起↑