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第5节 跨学科实践：潜艇
第十章 流体的力现象
潜艇(图1)，是一种利用力学原理控制沉浮，能够在水下执行任务的舰艇。潜艇按体积可分为大型( 主要为军用)、中型或小型( 袖珍潜艇、潜水器) 和水下自动机械装置等。
它是海军的主要舰种之一，它具有良好的隐蔽性，较大的自给力、续航力和较强的突击威力，可用于攻击陆上战略目标和大、中型水面舰船、潜艇，袭击海岸设施和陆上重要目标，以及布雷、侦察、遣送特种人员登陆等。潜艇也广泛应用于海洋科学研究、勘探及开采、设备维护、搜索救援、水下旅游观光等。
追溯起源
潜艇的发展经历了一个漫长的过程。早期的潜艇只能采用人力推进，在军事作战中用途有限。随着工业革命的深入发展，蒸汽机被应用到了潜艇上，装上了蒸汽机的潜艇机动性大大增强。1897 年，“现代潜艇之父”约翰·霍兰制造出以汽油发动机和蓄电池电动机作为双推进动力系统的“霍兰”号，开启了潜艇发展的新时代。项目实践 教材全点拨
任务一 潜艇的沉与浮
1. 鱼的沉浮
(1) 鱼的沉浮原理：通过观察鱼儿的潜水机制，人类发现鱼体内有一个叫作鱼鳔的器官(图2)，这个器官可以帮助鱼儿通过调节其内部的空气量(即
改变自身体积)来控制浮力，从而实
现上浮或下沉。
(2)具体分析
①鱼儿下潜时，收缩鱼鳔，减小排开水的体积，所受浮力变小，所受浮力小于重力；
②鱼儿上浮时，膨胀鱼鳔，增大排开水的体积，所受浮力变大，所受浮力大于重力。
2. 潜艇的沉浮
(1)潜艇的沉浮原理:潜艇的水舱类似于鱼的鱼鳔,潜艇通过调节其内部的水量来控制自身重力,实现下沉和上浮。
(2)具体分析
①潜艇下潜时，吸收海水，自身重力增大，所受重力大于浮力；
②潜艇上浮时，排出海水，自身重力减小，所受重力小于浮力。
深度思考控制潜艇的沉浮与教材中控制鸡蛋的沉浮采取的方式有什么不同？
深度理解
如图3 所示，鸡蛋的重力不变，通过改变杯中液体的密度，从而改变鸡蛋所受浮力的大小，进而控制鸡蛋的沉浮；浸没在水中的潜艇所受浮力不变，靠水舱的吸水和排水来改变自身的重力, 从而改变重力与浮力的大小关系, 进而控制潜艇的沉浮。
(3)潜艇的工作过程
①潜艇平衡的调整：水面上的潜艇在一定范围内具有自
动调整平衡状态的能力，而水下的潜艇不具备自行调整
平衡的能力。
②潜艇正常工作的关键：当潜艇潜入深水时，由于不同区域海水密度不同，浮力也会不同。此时，必须精确地调整潜艇水舱中水的多少，改变潜艇整体所受的重力，使之与浮力相等，才能达到新的平衡，保持悬浮状态。
深度思考 同学们想一想潜艇正常工作的关键是什么？
深度理解
关键是精确控制潜艇的重力。
潜水艇是靠改变___________来实现下潜和上浮的。如图4 所示是同一艘潜水艇在水下上浮和下潜时的情景，其中图___正在下潜，潜水艇受到的浮力F甲______(填“>”“<”或“=)F乙；现有某新型淡水科考潜水艇，体积为2 000 m3，该潜水
艇悬浮在水下8 m 深处时受到
的浮力大小为______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：潜水艇是通过改变水舱中的水的重力来改变自身重力，从而实现上浮和下潜的。要使潜水艇下潜，应使潜水艇所受的浮力小于潜水艇的重力，所以水舱中水较多时潜水艇下潜，故图乙为潜水艇下潜时的情景。
图甲、乙中潜水艇浸没在水中，排开水的体积都等于潜水艇的体积，潜水艇的体积不变，排开水的体积不变，根据F 浮=ρ 液gV 排可知，潜水艇所受的浮力大小不变，所以潜水艇受到的浮力F 甲=F 乙。该潜水艇悬浮在水下8 m 深处时受到的浮力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·广州] 潜水艇从海水高密度区驶入低密度区, 急剧下降的过程称为“掉深”。如图,某潜水艇从a 处驶入低密度海水区,“掉深”到b 处。与a 处相比,潜水艇在b 处( )
A. 受到浮力大小变小
B. 排开液体重力不变
C. 受到浮力大小变大
D. 排开液体重力变大
A
任务二 军用潜艇
1. 军用潜艇深潜原理：潜艇要潜下去，自身的重力必须大于其所受的浮力，可通过调节水舱内的水量来控制。
2. 潜艇的动力：现代潜艇依靠电力驱动马达推动螺旋桨前进。根据电力产生的方式，分为柴电动力、核动力和AIP。
3. 核潜艇
(1)基本结构：如图5 所示。
(2)特点：续航时间长、航行速度快，且攻击威力大、战略威慑强。
多学一些
中国“核潜艇之父”——黄旭华
他是我国核潜艇研制工程的先驱者，领导实现了我国核潜艇装备从无到有的历史性壮举，为核潜艇研制和跨越式发展作出了卓越贡献。
进一步了解黄老的事迹，可以查找报告文学《赫赫而无名的人生》阅读，也可以查找视频“开讲啦黄旭华”等学习。
我国第一代核潜艇工程有四位总设计师，每一位都是共和国脊梁。
[中考·泸州]中国长征18 号核潜艇引领中国核潜艇新高度。在进行战备训练时，下列对该潜艇的说法中正确的是( )
A. 通过改变排开水的体积来实现上浮与下沉
B. 在水面下匀速下潜过程中，受到的浮力增大
C. 从长江潜行进入东海时，需要往水舱内注水
D. 从长江潜行进入东海时，受到的浮力会变小
例2
解析：潜艇是通过改变自身的重力来实现上浮与下沉的，故A 错误；在水面下匀速下潜过程中，潜艇受到的浮力不变，故B 错误；从长江潜行进入东海时，液体密度变大，潜艇受到的浮力会增大，根据物体的浮沉条件可知，此时要增大潜艇的重力，才能使潜艇潜行在海中，所以需要往水舱内注水，故C 正确，D 错误。故选C。
答案：C
2. 中国自主研发的“海斗一号” 无人潜水器( 如图所示) 是通过水舱吸水和排水来改变________，实现上浮和下潜，其在水面下下潜过程中受到的浮力______(填“变小”“变大”或“不变”)，已知海水
的密度为1.03×103 kg/m3， 在10000 米
深处， 海水对潜水器压强大小为
_________ Pa。(g 取10 N/kg)
自身重力
不变
1.03×108
任务三 潜艇模型制作比赛
1. 制作要求
(1)生活舱和水舱独立分开；
(2)生活舱体积大于水舱。
2. 比赛任务
(1)完成从水面下潜到指定位置悬浮；
(2)完成从水底上浮到指定位置悬浮。
3. 制作材料 带盖的矿泉水瓶(380 mL)4 个、500 g 配重、注射器、塑料软管、热熔胶、剪刀、刻刀、透明胶等。
4. 制作过程
项目小组利用硬质空矿泉水瓶制作了如图6 所示的潜艇模型。
(1)利用两个硬质空矿泉水瓶制作生活舱，生活舱加入适量的配重后，用热熔胶密封。
(2)利用一个硬质空矿泉水瓶制作水舱，水舱底部开一个进出水口，水舱与注射器通过塑料软管相连，并用热熔胶密封。
(3)按照模型图将两个生活舱和一个水舱用热熔胶固定并密封隔断，使三个舱室互不连通。
(4)推、拉动注射器活塞可以实现自制潜艇的浮沉。
深度思考同学们，假如你使用这个自制潜艇参加潜艇制作大赛，怎样操作才能实现自制潜艇的浮沉？
深度理解
当拉动注射器的活塞，水从进出水口进入水舱，潜艇总重力增加，当总重力大于潜艇受到的浮力时，潜艇下沉；当推动注射器的活塞，水从进出水口排出水舱，潜艇总重力减小，当总重力小于潜艇受到的浮力时，潜艇上浮。
5. 展示、交流与评价：
潜艇制作大赛中，图7 丙是比赛现场图，图甲、乙为参赛选手作品简图，比赛相关信息如下：
交流思考(1)甲组同学参赛作品如图甲，请根据制作要求直接判断该作品是否符合参赛要求？
交流理解
不符合参赛要求。
(2)乙组同学参赛作品如图乙，生活舱(可加配重不进水)为2 个矿泉水瓶，水舱为1 个矿泉水瓶(均未剪裁)，潜艇自重为100 g。在实践中，乙组同学发现即使加入所有配重，水舱装满水后，潜艇仍漂浮，无法下沉至水底。请通过计算说明原因。(矿泉水瓶厚度不计，塑料软
管、热熔胶体积均忽略不计，g 取10 N/kg)
交流理解
潜艇浸没在水中的体积 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；水舱装满水时的质量m水舱＝ρ水V水舱＝1 g/cm3×380 cm3=380 g=
0.38 kg，水舱重力G总=m总g=(0.5 kg+0.1 kg+0.38 kg)×
10 N/kg=9.8 N；比较可知F 浮＞ G 总，潜艇无法下沉。
(3)乙组同学经过思考，认为若想要完成比赛任务，可对潜艇如何改进？(潜艇自重变化忽略不计，写出一条即可)
交流理解
增加配重。
例 3
[二模·十堰]物理实践活动中，小
明自制了一个体积为50 cm3 的潜
艇模型，如图8 所示。下列说法
正确的是( )
A. 潜艇模型悬浮在水中时受到的浮力为5 N
B. 潜艇模型是通过改变所受的浮力实现浮沉的
C. 将注射器向左推，图中悬浮的潜艇模型上浮
D. 潜艇模型在水面下下潜的过程中受到的浮力增大
解析：潜艇模型悬浮在水中时，排开水的体积
V 排=V=5 0 cm3=5×10 -5 m3，则受到的浮力F 浮=
ρ 水gV 排=1.0×103 kg/m3×10 N/kg×5×10 -5 m3=0.5 N，故A 错误；潜艇模型在水中时，排开水的体积不变，受到的浮力不变，潜艇模型是通过改变自身的重力实现浮沉的，故B 错误；
将注射器向左推，试管中的气压增大，水被排出，潜艇模型自身的重力减小，图中悬浮的潜艇模型将上
浮，故C 正确；潜艇模型在水面下下潜的过程中，排开水的体积不变，则受到的浮力不变，故D 错误。
答案：C
3. [中考· 泰安] 做中学是学习物理的有效方法，小华在学习了潜水艇知识后，利用硬塑料瓶、透明胶带、螺母、塑料管、容器和水等，制作如图所示的潜水艇模型，不计进排气管体积，要让原本悬浮的潜水艇上浮，采取的措施是使瓶内气体( )
A. 增加 B. 减少
C. 先增加后减少 D. 先减少后增加
A
跨学科实践：潜艇
潜艇
外壳、舱室、潜航装置、动力装置
结构
工作原理
工作过程
改变自身重力
下潜过程：增大自身重力
上浮过程：减小自身重力
悬浮过程

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