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    中国传统科技文化与STEM教育——风车

    2023-09-08 14:27 [来源:华声在线] [作者:周华蝶 侯小丽] [责编:彭伍妹]

      STEM知识素养

      一、人文知识

      风车起源于周,传说是由姜子牙发明用来镇妖降魔的用具,原名八卦风轮(如图1所示),直径1尺1寸5,周长365分,1分为一天,即365天。有四道符,为四季,12根条代表12个月,24根头代表24个节气,此风轮用于辟邪,距今有2000多年的历史。在我国传统文化中,风车还有万事如意轮、四季平安符等别称,所以在民间,风车代表了喜庆和吉祥之意。

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    图1 八卦风轮[1]

      古代的风车从船帆发展而来,它具有6至8副像帆船那样的篷(如图2所示),分布在一根垂直轴的四周,风吹时像走马灯似的绕轴转动,被称为“走马灯式的风车”。这种风车因效率较低,已逐步为具有水平转动轴的木质布蓬风车和其它风车取代,如“立式风车”“自动旋翼风车”等。

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    图2 船帆式风车[2]

      在中国使用风车的历史开始于汉朝。在辽宁三道壕东汉晚期的汉墓壁画中,可以见到许多风车的图形,可见在当时我国便有了风车。在明代文献中,对于利用风车进行提水灌溉以及排水的记载很多。《天工开物》卷记载,扬郡“以风帆数扇”驱动翻车,“去泽水以便栽种”。明代以前,劳动人民就会制作将风力的直线运动转变为风轮旋转运动的风车,在风力的利用上前进了一大步。清朝中叶,周庆云在《盐法通志》卷36中描述了立轴式风车构造的原理,“风车者,借风力回转以为用也。”

      二、科学知识

      风车是一种把风能转变为机械能的动力机。风车是利用杠杆原理设计的单向受力转动机械。风车的叶片是旋转对称设计,不是轴对称设计。在有风的情况下,通过风车风叶高低错落的固定形状,使得叶片在对称位置产生的扭转力矩无法互相抵消,这样部分风能被风车留下了,风车就可以转动了。风车的风叶都是倾斜的,风车是把风作为动力。当风吹动叶片时,相当于对叶片施加一个作用力而产生转动力矩,在此力的作用下,风车就会不停的转动。小风车的旋转速度取决于多种因素,包括叶片的形状、大小和材料,以及风力的大小和方向。

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    图3 风车风叶旋转原理图

      风车风力发电的原理:

      1.利用风力带动风车叶片旋转,再通过增速机将旋转的速度提升促使发电机发电。

      2.依据目的风车技术,微风便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一般热潮,因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染[3]。

      STEM活动实践

      著名的心理学家皮亚杰说:“思维是从动作开始的,切断动作和思维的关系,思维就不能得到发展。”为培养学生独立解决问题的能力以及创新能力,教师可利用生活易获得与操作的学习材料,引导学生亲身经历制作仪器以及进行科学实验的过程,主动获取与建构知识,从而进行有意义的学习[4]。

      一、创意实践

      纸风车的制作

      材料:

      A4纸、大头针、竹杆或高粱杆(或纸棒)

      创意参考步骤:

      1.裁成正方形

      A4纸短边对角折叠成三角形,裁除多余部分,得到正方形纸。

      2.剪出风车叶

      对角线折叠压实展平,分别沿对角线折痕剪至2/3处,剪出风车叶。

      3.制成风车轮

      风车叶按顺序依次间隔,用胶水粘在正方形纸中心,制成风车轮。

      4.大头针的穿插

      风车轮中心贴上白色圆纸,大头针插过中心白色圆纸,穿过黄纸筒。

      5.大头针的固定

      大头针穿过白色纸卷成的纸棒小孔后,牢牢固定于纸棒上。

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    图4 纸风车制作步骤图示

      二、创意改良

      1.是否可以考虑其他材料作为风车的叶片,比如木片、塑料?

      2.用一片纸做好风车,用两片纸重叠起来制造,会不会更具美观呢?

      3.风车无法在微小的风吹过时快速转动,如何让风车减小风阻和摩擦力?

      三、创意挑战

      1.风车的叶片数量和它的旋转速度以及产生的能量有没有什么关联?请设计实验并探究。

      2.如何设计能让风车将机械能转换成电能使得小灯泡发光?请设计实验并探究。

      参考文献

      [1] 图片来源于http://www.163.com/dy/article/D2NARMRT0523JHL1.html

      [2] 图片来源于http://www.niwota.com/submsg/9786759

      [3] 董晋明.风力发电的发展、挑战和解决方法[J].硅谷,2012,5(15):68-69.

      [4] 魏小亮.有效利用自制仪器 回归物理教学本源[J].物理教师,2017,38(10):41-43.

      (作者/周华蝶 侯小丽)

    责编:彭伍妹

    一审:谢振华

    二审:邓望军

    三审:石伟

    来源:华声在线

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