三峽水利樞紐船閘的原理分析及教學(xué)啟示

摘"要：船舶在通過(guò)三峽水利樞紐時(shí)，可以選擇使用升船機(jī)或分級(jí)船閘兩種通行方法。這兩種通行方法的原理涉及壓強(qiáng)、浮力、能量等物理知識(shí)。教師可以將三峽水利樞紐的船閘作為優(yōu)質(zhì)素材引入課堂教學(xué)。本文重點(diǎn)闡述了這兩種通行方法的基本原理以及如何將該案例融入初中物理課堂教學(xué)中，以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：三峽水利樞紐；阿基米德原理；連通器原理；升船機(jī)；分級(jí)船閘

三峽水利樞紐工程是我國(guó)建設(shè)的最大型的水利工程項(xiàng)目之一，它集防洪、發(fā)電和航運(yùn)等多種功能于一體，匯聚了眾多科技與工程人員的智慧。在航運(yùn)方面，船舶通過(guò)三峽水利樞紐時(shí)一般有兩種方法：噸位較小的船舶利用升船機(jī)通行，而噸位較大的船舶則使用分級(jí)船閘通行，俗稱“小船乘電梯，大船爬樓梯”。這兩種通行方法的原理雖然不同，但都能用初中物理知識(shí)進(jìn)行分析，并且它們非常適合作為教學(xué)素材被引入課堂教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1"升船機(jī)工作原理及教學(xué)啟示

1.1"基本原理

簡(jiǎn)而言之，升船機(jī)的工作流程就是讓船開(kāi)到一個(gè)“大水池”（船廂）里，船廂載著船在電動(dòng)機(jī)的牽引下一起上升或下降。三峽升船機(jī)的最大提升高度為113m，相當(dāng)于40層樓的高度，其最大提升質(zhì)量可達(dá)15500t。把如此大質(zhì)量的船提升超過(guò)100m的高度，升船機(jī)是否要消耗巨大能量呢？下面我們進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。

升船機(jī)工作原理的示意圖如圖1所示，一根繩子穿過(guò)定滑輪，左邊懸掛著一只裝滿水的水杯，右邊懸掛著一個(gè)重物，兩者保持平衡。在這里，水杯相當(dāng)于船廂，而重物則相當(dāng)于配重。在水杯中輕輕放入一個(gè)木塊，此時(shí)部分水會(huì)溢出水杯，根據(jù)阿基米德原理，水杯溢出的水的質(zhì)量等于木塊的質(zhì)量，所以左邊物體的總質(zhì)量保持不變，系統(tǒng)仍保持平衡狀態(tài)。如果不考慮繩子的質(zhì)量，將水杯緩慢向上或向下移動(dòng)時(shí)系統(tǒng)仍然保持平衡狀態(tài)。然而，如果考慮繩子的質(zhì)量，由于兩邊的繩子長(zhǎng)度發(fā)生變化，則系統(tǒng)不能始終保持平衡。要使系統(tǒng)在任何位置都能保持平衡，只要在水杯底部和重物下方固定一條軟鏈條，而且讓鏈條單位長(zhǎng)度的質(zhì)量和繩子單位長(zhǎng)度的質(zhì)量相等就可以實(shí)現(xiàn)，這時(shí)只需對(duì)水杯施加一個(gè)很小的力，就可以使其運(yùn)動(dòng)。因此在實(shí)際工作中，升船機(jī)不需要消耗很多的能量。

1.2"實(shí)際情況分析

升船機(jī)由一個(gè)巨大的裝滿水的船廂、鋼絲繩、平衡物、平衡鏈、定滑輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)及一些輔助設(shè)備組成。［1］船廂由對(duì)稱的16組（共256根）鋼絲繩懸掛，每組對(duì)應(yīng)一個(gè)平衡物，共計(jì)16組。由于船開(kāi)進(jìn)船廂后，船廂一側(cè)的總重力保持不變，設(shè)計(jì)時(shí)需要確保右邊的平衡物的總重力等于左邊船廂裝滿水時(shí)的總重力，這樣在滑輪兩邊鋼絲繩等長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)可以保持平衡狀態(tài)。船廂在上升或下降過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)兩邊鋼絲繩一邊長(zhǎng)另一邊短的情況，并且鋼絲繩的重力不能忽略，這會(huì)打破平衡。當(dāng)船廂位于上游或下游位置時(shí)，兩側(cè)鋼絲繩的質(zhì)量差約為970t，這意味著升船機(jī)在啟動(dòng)時(shí)至少需要施加超過(guò)近千噸物體的重力的力，這將消耗巨大的能量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師在船廂和平衡物下面安裝了12根平衡鏈。12根平衡鏈單位長(zhǎng)度的總重力與256根鋼絲繩單位長(zhǎng)度的總重力相等，從而抵消了兩邊鋼絲繩重力的差值。通過(guò)這樣的方法正常驅(qū)動(dòng)升船機(jī)上、下運(yùn)動(dòng)的力只相當(dāng)于400t物體的重力，這個(gè)力約等于船廂總重力的2.5%，主要用于克服滑輪及運(yùn)動(dòng)中的摩擦力、空氣阻力以及船廂中水引起的誤差，從而顯著降低了能量消耗。

通過(guò)上述分析可知，升船機(jī)的原理涉及浮力、做功和能量守恒定律等物理知識(shí)。因此，教師可以將升船機(jī)的原理作為素材引入課堂教學(xué)中。教師在教學(xué)中使用本案例，可以提升學(xué)生整體分析的意識(shí)，培養(yǎng)他們的能量觀念。能量觀念是物理核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，同時(shí)也是初中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在初中物理知識(shí)中，能量的定義比較簡(jiǎn)單，即如果物體可以對(duì)外做功，它就具有能量。然而，這樣的定義無(wú)法精準(zhǔn)地描述能量的內(nèi)涵，可能導(dǎo)致學(xué)生對(duì)能量的理解不夠深刻。尤其在復(fù)習(xí)課教學(xué)中，教師更需要通過(guò)實(shí)際案例幫助學(xué)生加深對(duì)能量的理解。例如，教師可以在教學(xué)中結(jié)合三峽大壩升船機(jī)的上、下運(yùn)動(dòng)，向?qū)W生滲透能量的本質(zhì)，闡述能量的形式、能量的傳遞和轉(zhuǎn)化、能量守恒、能量耗散以及能量的利用等觀念，從而加深學(xué)生對(duì)能量的理解。［2］

2"分級(jí)船閘工作原理及教學(xué)啟示（連通器原理）

2.1"基本原理

分級(jí)船閘是利用連通器原理，使船舶通過(guò)多個(gè)船閘在上下游之間通行的設(shè)施。具體工作流程如圖2所示。首先，打開(kāi)閘室門，使閘室內(nèi)水位與下游水位相平，下游的船舶此時(shí)駛?cè)腴l室。待船舶駛?cè)腴l室后，關(guān)閉下游閘門，打開(kāi)地下輸水系統(tǒng)，讓上游的水流入閘室，根據(jù)連通器原理，閘室內(nèi)的水位會(huì)逐漸與上游水位相平。最后，打開(kāi)上游閘門，船舶便可駛出閘室，進(jìn)入上游。

2.2"實(shí)際情況分析

在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槿龒{大壩上下游水位落差高達(dá)113m，考慮到受力和控制等多種因素，采用了五級(jí)船閘，并實(shí)現(xiàn)了雙向獨(dú)立通行，彼此互不干擾。五個(gè)閘室主體總長(zhǎng)達(dá)1.6km，每個(gè)閘室長(zhǎng)280m，寬34m。閘門設(shè)計(jì)成雙扇人字形，凸起的一側(cè)面向上游，注水時(shí)越壓越緊密，從而有效減少了水的滲漏。當(dāng)船舶駛?cè)肽硞€(gè)閘室時(shí)，相鄰的下一個(gè)閘室開(kāi)始向該閘室充水，當(dāng)兩個(gè)閘室的水面平齊時(shí)，便打開(kāi)下一閘室的人字門，船舶隨即駛?cè)胂乱婚l室。以此類推，船舶就像爬樓梯一樣，通過(guò)所有閘室后，完成過(guò)閘全過(guò)程。即便采用五級(jí)船閘，工作時(shí)閘門仍然承受巨大的壓力。每扇閘門高38.5m、寬20.2m、厚3m，面積接近兩個(gè)籃球場(chǎng)，質(zhì)量高達(dá)850t。要控制如此大的閘門，其難度可想而知。為此，工程技術(shù)人員采取了空心設(shè)計(jì)方案，使閘門在水中能夠獲得較大的浮力，從而減小了轉(zhuǎn)軸受到的壓力，使得控制閘門轉(zhuǎn)動(dòng)更為容易，同時(shí)也延長(zhǎng)了閘門的使用壽命。

2.3"教學(xué)啟示

分級(jí)船閘的基本原理就是連通器原理。因此，教師在教授連通器的相關(guān)知識(shí)時(shí)，就可以以三峽水利樞紐的分級(jí)船閘為例進(jìn)行教學(xué)，幫助學(xué)生建構(gòu)連通器模型。此外，在教授浮力的相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師可以向?qū)W生展示如何解決控制巨大閘門的難題，讓學(xué)生深刻體會(huì)到知識(shí)的應(yīng)用過(guò)程。

3"結(jié)語(yǔ)

船舶通過(guò)三峽水利樞紐的過(guò)程涉及阿基米德原理、連通器原理、滑輪以及液體壓強(qiáng)等物理知識(shí)。教師將三峽水利樞紐工程引入課堂教學(xué)，不僅能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，還能拓展學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生感受到物理在生活中的重要意義，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，三峽水利樞紐工程作為世界上規(guī)模最大的水利樞紐工程，彰顯了我國(guó)強(qiáng)大的科學(xué)技術(shù)實(shí)力。通過(guò)引入這一案例，學(xué)生可以基本了解我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)能力和成就，從而提升民族自豪感，培養(yǎng)愛(ài)國(guó)主義精神、正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，這個(gè)過(guò)程中也融入了課程思政的教學(xué)理念。

參考文獻(xiàn)

［1］陸佑楣，曹廣晶，等.長(zhǎng)江三峽工程（技術(shù)篇）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010：602"-618.

［2］王瑜，高志俊.初中物理學(xué)科大概念教學(xué)初探——以“功能關(guān)系”學(xué)習(xí)為例［J］.物理教師，2021，42（12）：40"-43.