资源简介

(共45张PPT)
工程设计与物化
【课标要求】
1.定义简单的实际工程问题，分析限制条件，提出验收标准。
2.尝试使用合适的方法，对选定的设计方案进行模拟分析和预测。
3.依据不同来源的证据、限制条件等因素，从需求层面优化设计方案。
4.知道工程需要经历明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程；利用工具制作实物模型，尝试应用科学原理指导制作过程，根据实际反馈结果，对模型进行有科学依据的迭代改进，最终进行展示。
类型一　工程需要定义和界定
[2025·浙江多校联考]学习能量守恒转化后，项目化学习小组利用钢球、棉线、塑料支架、定滑轮等器材制作了一辆重力小车，如图所示。使用时转动车轮，不断将棉线绕在长轴的绕线轮上，直至钢球上升到支架的最高点。然后松手，让钢球下落带动长轴转动从而驱动重力小车行驶。
[分析原理]
(1)支架上最高处的定滑轮作用为________________。
(2)从能量转化的角度分析，钢球能驱动小车行驶的原因是__________________________________。
[装置调试]
①调节2个前轮，重力小车能沿直线运动。
②将钢球上升到支架的最高点，松手后小车能向前运动，但小车运动距离较短。
改变力的方向
钢球的重力势能转化为小车的动能
[项目改进]
(3)该学习小组为了让重力小车行驶的路程更远，改进小车的方法有__________________________________________________ (写出两种)。
增加钢球重力、减小摩擦(增加支架高度等，合理即可)
跟踪训练1 [2023·衢州]小科设计并制作了如图所示的咸水淡化装置，同时针对该装置设计了评价表。
“咸水淡化装置”评价表(节选)
评价指标 优秀 合格 待改进
指标一： 装置结构 结构完整，有加热、冷却和收集装置 结构较完整，缺少较好的冷却装置 结构不完整，有1处以上缺失
指标二： 淡化效果 能从咸水中制得淡水，速度较快、连续且稳定 能从咸水中制得淡水，但效果不明显 不能从咸水中制得淡水
指标三：？ …… …… ……
(1)易拉罐中的咸水先经过汽化，后经过________(填物态变化名称)变成淡水流入容器。
(2)根据评价需要，请你提出一项评价指标写在指标三“？”处：________________________________________________________________。
液化
节能环保(或操作简便；推广价值；制作成本，其他答案合理即可)
【解析】 (1)物质由气态转变为液态的过程叫做液化，易拉罐中的咸水先经过汽化，后经过液化变成淡水。(2)实验装置的评价可从装置的结构是否合理完整、实验效果是否明显、装置是否节能环保、操作是否简便、装置是否有推广价值和制作成本是否廉价几方面进行评价。
类型二　工程的关键是设计
[2025·宁波鄞州区校级模拟]某校项目化实验中同学利用可乐瓶等材料制作了一个水火箭(如图甲所示)，其结构示意如图乙所示，他们进行飞行高度实验。将水火箭竖立于地面，用打气筒通过打气管向瓶内打气，当瓶内压强足够大时，瓶塞脱落，瓶内的水向下喷出，水火箭就近乎竖直地向上飞。
(1)瓶内的水向下喷出的同时水火箭向上运动，这是因为力的作用是________的。
(2)实验中无法直接测量水火箭竖直上升的最大高度，可以通过测量水火箭从发射到落地的________来间接反映这个高度。
(3)如图丙所示，小组同学用频闪照相机拍下了水火箭从A处起飞，到达到最高点C的运动情况，照相机每隔0.2s曝光一次，从拍摄的照片可以看出，判断水火箭运动情况是____________
(选填“匀速直线运动”或“变速直线运动”)，并说明理由：________________________________________。
相互
时间
变速直线运动
水火箭在相同时间内竖直通过的距离不同
(4)以下是水火箭发射的部分评价量表。
图丁是小组同学实验时测得的速度和时间的关系，请结合评价量表的功能性指标，对该水火箭进行评价并说明理由：__________________________________________________________________________________。
评价指标 优秀 合格 待改进
功能性 火箭能顺利升空，在空中飞行时间t≥8s 火箭能顺利升空，在空中飞行时间3s≤t＜8s 火箭能顺利升空，在空中飞行时间t＜3s或不能升空
… … … …
该水火箭的功能性指标为优秀，理由是其在空中飞行的时间等于8s，符合优秀的评价指标
跟踪训练2－1 [2023·温州]小明发现建筑物中的柱子有大有小且形状各异，承重大小也不相同。他猜想：柱子的承重效率与横截面的形状、周长等因素有关。查阅资料获知，柱子的承重效率可以用承重比(柱子能承受的最大质量与柱子质量的比值)表示，承重比越大，承重效率越高。为研究柱子承重效率与横截面的形状、周长的关系，他开展如下探究。
①用纸板制成高度相同的各种实验所需的空心模型(如图所示)。
②测出模型的横截面周长、质量。
③测量模型的最大承重质量。多次重复实验，整理相关数据如表所示。
组别 横截面形状 周长(cm) 承重比
1 18 3509
2 24 3307
3 30 3116
4 30 3319
5 30 3514
6 30 3766
(1)研究模型承重效率与横截面形状关系时，除横截面周长、高度需相同外，还要控制相同的因素有__________(写出一个)。
(2)根据1、2、3组实验结果，可得出的结论是______________ ____________________________________________________。
(3)根据实验结果，小明推测柱子高度、横截面周长一定时，圆柱承重效率最高。写出其推测过程：______________________ ____________________________________________________________________________________________。
纸板种类
材料、高度、横截面形状等相同时，横截面周长越长，柱子的承重效率越低
柱子横截面周长一定时，随棱数增加柱子的承重效率增大，横截面为圆形的柱子，其棱数可视为无数条，因此其承重效率最大
【解析】 (1)研究模型承重效率与横截面形状关系时，根据控制变量法的唯一变量原则，应改变横截面形状，控制模型的材料、横截面周长、高度等相同，同时保证测试环境的温度、湿度、风速等外界条件一致。(2)通过实验数据进行分析，确定因变量(横截面周长)，总结柱子的承重效率与横截面周长的关系。(3)实验中制得的四种空心模型中，根据3、4、5、6组实验结果得出结论：材料、高度、横截面周长等相同时，正三棱柱的承重效率最低，正六棱柱的承重效率最高。经过归纳、推理得出：当其他条件相同时，柱子棱数越多，柱子的承重效率越高，则圆柱承重效率最高。
跟踪训练2－2 [2023·金华]某款市售制氧杯具有供氧快、便携带、易操作、成本低的特点。图甲为制氧杯实物图，图乙为制氧杯内部结构剖面示意图，图丙所示为制氧剂的相关信息。利用该制氧杯制氧，产生的氧气可以在剧烈运动后即时补氧，也可以供老人、孕妇等在家中和户外急救补氧。
制氧剂相关信息
制氧剂A的成分为2Na2CO3·3H2O2；
制氧剂A放入水中后发生的反应：
2Na2CO3·3H2O2====2Na2CO3＋3H2O2；
制氧剂B的成分为MnO2。
丙
[使用步骤]
Ⅰ.取下杯盖，在甲杯中加入A、B两种制氧剂，再加入清水至相应水位。
Ⅱ.取下与杯盖相连的乙杯，在乙杯中加入适量清水，将乙杯装回杯盖的中央正下方。
Ⅲ.将带有乙杯的杯盖和甲杯旋紧，形成一个如图甲所示的整体。
Ⅳ.待出气孔②处有氧气逸出时，通过医用导气管供人呼吸补氧。
回答下列问题：
(1)在乙杯中加入清水的作用是___________________________ ___________________。
(2)在甲杯中加入清水至相应水位，清水除了溶解制氧剂 A并使制氧反应发生以外，还具有的作用是____________________。
(3)请运用所学知识，并结合以上信息，解释该制氧杯能快速产生氧气并能从出气孔②快速逸出的原因。
通过观察气泡的速度知道供氧的快慢，湿润氧气
控制氧气产生的速率
【答案】(3)答案要点：
①过氧化氢溶液分解会产生氧气；
②二氧化锰是该反应的催化剂，能加快过氧化氢的分解；
③气体增多使甲杯内上方压强增大，大于外界大气压。
【解析】 (1)甲杯中产生氧气，通过出气孔①进入乙杯中，乙杯中装水可以看到气泡的快慢，同时起到湿润氧气的作用。(2)甲杯中是制备氧气的反应装置，制氧剂溶解在水中反应，水的多少可以控制反应物的浓度，从而控制反应的速率。
类型三　工程是设计方案物化的结果
[2025·浙江多校联考]为降低农民的劳动强度、提高他们种植的黄瓜产量，某项目学习小组开展了自制“自动浇水器”的项目化学习。具体过程如下：
[查阅资料]黄瓜苗适宜在15~30℃的环境中生长。若在过高或过低的温度下浇水，会伤害黄瓜的根，危及黄瓜幼苗的发育。黄瓜幼苗喜湿不耐旱，种植时土壤湿度需达到55%~90%。
[产品制作]图甲为自动浇水器的工作电路图。电磁继电器A和电磁继电器B完全相同，Ra为热敏电阻，其阻值随温度的增大先变大后变小，如图乙所示。当Ra阻值变小至8Ω时，控制电路电流增大，La磁性增强吸引衔铁；当Ra阻值增大至14Ω时，控制电路电流减小，La磁性变弱释放衔铁。Rb为湿敏电阻，其阻值与土壤湿度(RH)成正比，如图丙所示。
(1)某天中午的温度为26℃，此时开关Sa的状态为________(选填“断开”或“闭合”)。
(2)当空气温度为20℃时，土壤湿度达到多少，自动浇水器会停止浇水？
(3)当土壤湿度为40%时，Lb吸引衔铁使Sb断开。则当天的温度t范围为_________________时，自动浇水器会开始工作，为黄瓜幼苗浇水。
闭合
20℃≤t＜30℃
【答案】(2)由题可知：
①当Ra(Rb)≤8Ω时，La(Lb)磁性增强吸引衔铁，磁控开关断开；Ra(Rb)≥14Ω时，La(Lb)磁性变弱释放衔铁，磁控开关闭合；
②当空气温度为20℃时，Ra=14Ω，La磁性变弱释放衔铁，磁控开关Sa闭合；由题意得La与Lb完全相同，故当Rb=14Ω，Lb磁性变弱释放衔铁，磁控开关Sb闭合，浇花器被短路停止工作，自动浇花器停止浇水。
由图丙可知土壤湿度与Rb 的关系为Rb=16RH
当Rb=14Ω时，自动浇花器停止浇水。
14Ω=16RH，解得RH=87.5%。
则当温度为20℃时，土壤湿度达到87.5%停止浇水。
【解析】 (1)根据一天内温度变化规律，中午温度应由上午温度较低的温度逐渐升高到26℃，由图乙可知，电阻Ra在温度升高至20℃时的阻值便为14Ω，此时控制电路电流减小，La磁性变弱释放衔铁，若想再次吸引衔铁，则需使温度降低到15℃或温度升高到30℃，因此在26℃时，La下方的衔铁仍处于释放状态，开关Sa闭合。(3)由电路图可知，若想让自动浇水器开始工作，需开关Sa闭合、Sb断开，当土壤湿度为40%时，Sb已断开。
由题可知，当Ra阻值增大至14Ω时，La磁性就可变弱从而释放衔铁使Sa闭合，Ra阻值变小至8Ω时，La磁性才可变强从而吸引衔铁使Sa断开。综上所述，根据图乙可得，只有当天温度范围为20℃≤t＜30℃时，自动浇水器才会开始工作，为黄瓜幼苗浇水。
跟踪训练3 [温州中考]图甲是一款潜水艇紧急供氧设备的结构示意图，产氧药块的主要成分是氯酸钠，需要镁粉氧化放热启动并维持反应进行，快速产生氧气。
(1)启动时，镁粉(Mg)与氧气反应生成氧化镁(MgO)。其化学方程式为_____________________。
(2)产氧药块反应会产生极少量有毒的氯气，推测图甲中试剂X应具有的性质是__________________________。
(3)氯酸钠受热分解生成氯化钠和氧气。m g氯酸钠分解过程中各物质质量变化如图乙所示，选择a、b、c、d、m中的部分数 据，列出它们的等式关系以体现质量守恒定律：____________ ______________________。
2Mg＋O22MgO
吸收氯气，但不吸收氧气
a＋d=b＋c(或a＋d=m、b＋c=m)　
【解析】 (2)已知产氧药块反应会产生极少量有毒的氯气，由图甲可知产氧药块产生的氧气和氯气，通过试剂X，氯气被吸收，氧气排出，故推测图甲中试剂X能吸收氯气，但不吸收氧气。(3)氯酸钠受热分解生成氯化钠和氧气，化学方程式为2NaClO32NaCl＋3O2↑；根据质量守恒定律，反应前后各物质的质量总和相等，生成气体的质量即为固体减少的质量，由图乙可知，各数据的关系有：m－d=a，即m=a＋d；m－c=b，即m=b＋c；a＋d=b＋c。
不理解跨学科案例中科学原理在工程实践中的应用致错
[绍兴中考]2021年3月，中央财经会议明确把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，争取在2060年前实现碳中和。“碳中和”是指在一定时间内产生的二氧化碳排放总量，通过二氧化碳去除手段来抵消掉这部分碳排放，达到“净零排放”的目的。
(1)二氧化碳是引起温室效应的主要气体，根据图甲回答支持这一结论的信息是________________________________________ ______________________________。
大气中二氧化碳浓度升高，全球平均气温也升高，且趋势相同(合理即可)
(2)科学家已经研究出多种方式来实现二氧化碳的转化。
①浙江大学研发的“二氧化碳烟气微藻减排技术”，利用微型藻类吸收二氧化碳实现固碳。微型藻类是________(选填“真核”或“原核”)生物，该技术的本质是利用微藻的________作用实现固碳。
②固碳的另一种方法是将收集的二氧化碳和水混合后注入地下玄武岩中，最终与岩石中的矿物质作用形成固态的石头碳酸盐。这种固碳方式属于________(选填“物理”或“化学”)变化。
真核
光合
化学
③我国研发的“液态太阳燃料合成技术”(如图乙所示)，甲醇(CH3OH)等液体燃料被形象地称为“液态阳光”。甲醇制取过程中能量转化是：太阳能→电能→________能。甲醇合成时，若碳元素全部来自二氧化碳，则制取10t甲醇需要消耗二氧化碳__________t(二氧化碳转化成甲醇的方程式为CO2＋3H2 CH3OH＋H2O)。
化学
13.75
(3)交通领域的“以电代油”可以来实现“减碳”目标。图丙为某纯电动汽车与某燃油汽车的相关数据，请回答下列问题：
①与燃油汽车相比，纯电动汽车每行驶100km会向空气减少排放_________kg的二氧化碳(ρ汽油=0.7×103kg/m3，结果精确到0.1)。
②从获取电能的各种方式看，相对于燃煤发电，符合“减碳”理念的是________________________________发电(写出一种)。
11.3
光伏(水力、风力等合理即可)
【解析】 (2)①微型藻类是一类能进行光合作用的低等真核生物。②二氧化碳、水与岩石中的矿物质作用形成固态的碳酸盐，生成了新的物质，属于化学变化。
③设需要消耗二氧化碳的质量为x.
CO2＋3H2CH3OH＋H2O
44　　　　　　　　　 32
x　　　　　　　　　 10t
=，x=13.75t。
(3)①燃油汽车每百公里燃烧汽油m=ρ汽油V=0.7×103kg/m3× 10×10－3m3=7kg，则纯电动汽车比燃油汽车少排放二氧化碳：7×3.857kg－20×0.785kg≈11.3kg。
跟踪训练4 [2024·温州鹿城区模拟]厌氧发酵制氢是指某些厌氧微生物，通过体内产氢酶的催化，将秸秆等有机物发酵成有机酸，同时产生大量氢气。该技术可助力我国早日实现“碳中和”目标，其主要装置及流程如图所示。
(1)装置中的集气瓶用于收集氢气，根据这一目的，补全图中集气瓶中的导管。
(2)在发酵瓶中，随着反应的进行，即使秸秆等原料液充足，但产氢速率仍会逐渐减慢，其原因可能是____________________ ______________________________________________________________________________________。
厌氧微生物发酵产生有机酸，导致溶液pH降低(酸性增强)，从而影响产氢酶的活性，减慢了产氢速率(合理即可)
(3)通过上述技术，人们可以获得氢能源，而氢能源是新能源汽车的选择之一。某氢能源汽车的发动机工作时，将液态氢转化为氢气在气缸中燃烧，若该车以70kW的功率匀速行驶0.5h，共消耗了2kg氢气，求氢气完全燃烧产生的内能转化为机械能的效率(氢的热值是1.4×108J/kg)。
(4)利用秸秆厌氧发酵制氢的技术相较于传统农业中的焚烧处理，其优点是______________________________________________ _________________________________________________________________________________(写出1点)。
获得氢(或氢能源)，将秸秆中的含碳有机物转化成有机酸等工业原料，减少了二氧化碳的排放量，减少了污染，有利于实现碳中和(合理即可)
【答案】(1)如答图所示。
(3)氢能源车行驶所做的有用功W=Pt=70×103W×0.5×3600s=1.26×108J，氢燃料燃烧放出的热量Q=mq=2kg×1.4×108J/kg=2.8×108J，氢气完全燃烧产生的内能转化为机械能的效率η=×100%=×100%=45%。
【解析】 (1)装置中的集气瓶是为了收集该过程产生的氢气，因此在使用图中排水法的收集装置时，为了保证将水顺利排出，同时不将收集的气体误排出，向集气瓶内通气体的导管应当足够长，排水管插入瓶内靠近瓶口位置。(2)微生物要正常进行发酵，需要其生长环境中温度、pH值、营养物质、气体浓度等环境均保持在一个合适范围内。该发酵技术的微生物厌氧代谢的产物包括有机酸，如不及时排出会使发酵瓶内pH值下降，影响微生物的产氢酶的活性。

展开更多......

收起↑