简单动力机械套装

风车

探索科学概念:力与运动、可再生能源,以及能源获取、储存和使用。

45-90分钟
中级
6-8 年级
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1. 联系

(5-10分钟)

杰克和吉尔在一个老煤矿附近发现了一个埋藏的又大又重的宝物箱。宝物箱很重,虽然他们用尽全身力 气依然没法把它从坑里面搬出来。

附近有一台老风车,过去用来从煤矿里往上提水,他们在想这台风车能不能派上用场。

小狗佐格在帮他们挖宝藏时出了很大力气,也有点筋疲力竭。它从杰克和吉尔身边走开休息一会儿,突 然发现了一根长绳。它跑回到这两个小孩子身边,央求他们用它发现的新绳子带它溜溜弯儿。

杰克曾看过一部电影,里面用风车来提升东西,看到绳子后他立即把想法告诉了吉尔。现在他们知道自 己可以想出办法将宝物从坑里搬出来!

你如何使用风车和绳子来提起负载呢? 让我们一起找出答案吧!

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2. 建构

(20-25分钟)

搭建风车
(所有 8A 和 8B 图纸的第 12 页,第 17 步)。

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  • 手动旋转风车。它是否旋转顺畅?
  • 如果感觉转起来很费劲,松开轴套,确保所有 其他零件固定牢靠

安装风车

  • 将风扇放在地面上靠近电源插座的位置。
  • 将模型放在 2 m 远处
  • 选定一个功率设置,然后前后移动模型寻找一 个适当的距离,让风速刚好能够慢慢将砝码积 木提起
  • 在所有测试中均使用同一功率设置(除非你想 测试不同风速下的效果)
  • 在风车前方(如使用胶带)制作一条长线。这 是安全的测试区,在线后面,几个小组可以同 时测试几个风车。检查确认所有风车可以获得 相同的风量
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3. 反思

(20-25分钟)

最好使用多少个帆?
预测并测试哪种组合能够最快地提起宝物箱(砝
码积木)。你能解释为什么吗?

示例 3 最好。其用于捕捉风能的面积最大。

出乎意料!
帆偏离中心的示例 2 通常表现最差。虽然它的面 积比仅具有两个帆的示例 1 大,但是由于结构极 为不平衡,因而难以有效运转。

思路:
形状是否会有影响?
如果有时间,可以用卡片 尝试制作不同形状的帆, 但面积要与你在模型中使 用的帆相同。

注意:
每个帆的面积约为 40 cm2。

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棘轮在以下情形中有何作用:

  • 重物正被提起但风突然停止时。
  • 风车停止,但棘轮可以防止重负载跌落,这是 一个非常好的安全功能。*
  • 风正在吹,你将棘轮卡到此位置时。
  • 风车停转。力是反向的。*
  • 重物已提起,风停止,而你将棘轮卡到此位 置时。
  • 风车将变成一个由下坠*
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橡皮筋测力计
将橡皮筋系在吊绳上,或用弹簧秤来测量风车停 转前的举升力。测量其伸展的长度。产生的能量 将会让你大吃一惊!

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4. 拓展

(25-30分钟)

旋转陀螺!
我们随后可以如何储存和使用能源?

在本练习中,我们要用手摇起砝码。当然你也可 以使用风能,但之后你要先卸掉帆再释放陀螺。

按照第 14 页,第 1 步拆开齿轮箱,并按照第 14 页,第 16 部制作三个 不同的旋转陀螺。

你知道吗?
各个旋转陀螺分别重约:
2 g
8 g
16 g

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  • 摇起砝码(增加能源),然后卡好棘轮悬吊住 砝码(储存能源)
  • 连接旋转陀螺
  • 摆放好砝码,让其沿桌面边缘落下
  • 松开棘轮,释放砝码积木中蓄积的能源,用以 转动陀螺
  • 提起以释放旋转陀螺
  • 这需要一定技巧,耐心点。
  • 哪个陀螺旋转的时间最长,原因是什么?使用 每个陀螺预测和测试多次
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更多旋转玩法
自己发明旋转装置,看看能否获得更快的速度和 更长的旋转时间。

自己发明旋转游戏,并介绍自己制定的计分标准。

教师支持

学生们将会探究下列概念:
技术

  • 使用机构 – 增速和减速
  • 设计和制作
  • 组合材料
  • 棘轮
  • 安全和控制系统

科学

  • 力和运动
  • 再生能源
  • 测量重量
  • 测量时间
  • 面积
  • 公平测试
  • 捕捉、储存和利用能量
  • 科学调查
  • 9686 简单动力机械组合 (建议每两名学生一套)
  • 风或台扇
  • 铜砝码或橡皮泥
  • 秒表或其他带有秒针的计时器
  • 可选:卡片或剪刀,用于制作风车的帆

科学
科学探究
确定要解决的问题
设计和开展研究
运用工具对数据进行收集和解释
运动、位置、方向
齿轮和传动比(机械优势)
齿轮增速和减速
杠杆、凸轮
动量
平衡力和不平衡力
钟摆摆动周期
加深对能量的理解

技术
理解属性设计
培养应用设计流程的能力
设计解决方案和产品
评估产品
材料特性
计数系统
控制和计时操作
使用证据推理

工程
确定目标、输入、流程、输出和反馈
加深对工程设计的理解
测试和评估

数学
进行合理估计
了解数的表示方式
将 2D 模型转换为 3D
视觉辨别
对距离/时间的非正式和正式测量
解决比例因子相关问题
分选和归类
选择合适的方法进行评估和测量
收集和处理数据

批判性思维和逻辑性思维
合作与运用团队合作
逻辑、推理和证明

学生材料

学生学习单

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