6中国铁道博物馆精品课堂教学设计Word文件下载.docx
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由巨大的烟汽切入讲解它的能量转化和它的几个大的构成:
锅炉、汽缸、活塞杆和煤水车等;
讲解摇杆、连杆、主动轮、从动轮和导向轮间的机械关系;
讲解主动轮上的均重铁和承重弹簧;
讲解轨道和枕木的作用;
讲解轮缘和铁轨的关系;
针对机车的几个具体位置构成,讲解机械摩擦的问题;
讲解机车是如何减速,它是怎样停下来的;
由几辆典型的蒸汽机车的比较讲解蒸汽机车的发展史,和它在历史上的巨大贡献,结合内燃机车、电力机车,讲解蒸汽机车被替代的必然性,和介绍现在有些地方的蒸汽机车旅游项目等。
四、教学实施过程:
1、播放一段蒸汽机车视频(带汽笛声)或一段蒸汽机车汽笛声音频引入课堂;
设计问题:
蒸汽机车汽笛是怎样发出的?
有什么作用?
蒸汽机车的汽笛鸣笛时会冒白雾,原理如同口笛,利用高速的蒸汽喷出,使膜板振动发出声音。
作用有传递信号和提醒的作用。
例如,进出站、进出隧道和弯道,还有车辆让行等。
道具设计:
安排一个汽笛控制开关,学生可以拉动发出汽笛声,加强现场的气氛。
2、展示一些大幅蒸汽机车工作时的图画,增加现场氛围。
蒸汽机车工作时为什么冒出大量的烟汽?
这些烟汽里包括什么成分?
是怎样产生的?
一台蒸汽机车必须具备锅炉、汽机和走行三个基本部分。
锅炉是燃料(一般是煤)燃烧将水加热使之蒸发为蒸汽,并贮存蒸汽的设备。
它由火箱、锅胴和烟箱所组成。
火箱位于锅炉的后部,是煤燃烧的地方,在内外火箱之间容纳着水和高压蒸汽。
锅炉的中间部分是锅胴,内部横装大大小小的烟管,烟管外面贮存锅水。
这样,烟管既能排出火箱内的燃气又能增加加热面积。
燃气在烟管通过时,将热传给锅水或蒸汽,提高了锅炉的蒸发率。
锅炉的前部是烟箱,它利用通风装置将燃气排出,并使空气由炉床下部进入火箱,达到诱导通风的目的。
锅炉还安装有汽表、水表、安全阀、注水器等附属装置。
当司炉把煤填入炉膛时,煤在燃烧过程中,它蕴藏的化学能就转换成热能,把机车锅炉中的水加热、汽化,形成400℃以上的过热蒸汽,再进入蒸汽机膨胀做功,推动汽机活塞带动机车动轮旋转,从而牵引列车前进。
蒸汽机车工作时要消耗掉大量的煤和水,所以车头上要拉上一节煤水车保证车辆的工作需要,煤水车是挂在司机室后面的那节车辆,由煤槽和水柜组成,煤槽在下,水柜在上。
煤水车一般装有10—30吨的煤、20-40吨的水。
烟汽里包括煤不完全燃烧后的烟尘和大量的水蒸气,及水蒸气液化后的水雾。
烟尘对环境是有污染的。
操作一辆蒸汽机车,一般需要3个人,司机、副司机和司炉,开蒸汽机车很辛苦,需要司机的体力和经验,从蒸汽机车的设计来看,煤斗中几十吨的煤,几十吨的水,要全凭司炉和副司机两个人在一个区间烧,一个人要烧7、8吨煤,各方面条件也不好,封闭程度不行,车里燃气、排气条件不好,瞭望还得开着窗户,冬天冷还得开快。
夏天气温高,司机还得穿工作服,保证工作安全,上坡的时候,拉的货比较多时,司炉要一刻不停烧火、添煤,司机要看着水表,看着气压别落下来,浑身汗,再受点风,很容易得职业病。
汽机和走行这两个部分我们后边马上说到。
3、热蒸汽进入蒸汽机膨胀做功,推动汽机活塞往复运动,活塞通过连杆、摇杆,将往复直线运动变为轮转圆周运动,带动机车动轮旋转,从而牵引列车前进。
在这里,学生对“将往复直线运动变为轮转圆周运动”不好理解,我们可以制作一个类似“推磨”的模型让学生动手参与一下。
汽机是将蒸汽的热能转变为机械能的设备。
它由汽室、汽缸、传动机构和配汽机构所组成。
汽室与汽缸是两个相叠的圆筒,在机车的前端两侧各有一组。
上部的汽室与下部的汽缸组合,通过进汽、排汽推动活塞往复运动。
配汽机构是使汽阀按一定的规律进汽和排汽。
传动机构则是通过活塞杆、十字头、摇杆、连杆等,把活塞的往复运动变成动轮的圆周运动。
蒸汽机车的走行部分包括轮对、轴箱和弹簧装置等部件。
轮对分导轮、动轮、从轮三种。
安装在机车前转向架上的小轮对叫导向轮对,机车中部能产生牵引力的大轮对叫动轮。
机车后转向架上的小轮对叫从轮。
主动轮转动带动机车前进,从动轮是没有牵引作用的,只是“跟着走”,分担机车的重力,起到平衡的作用,例如:
KD5型373号蒸汽机车是1921年日本制造的。
它是一种中型客货两用机车,挂有三轴煤水车。
由于没有从轮,走行时较颠簸,因此这种机车在华东地区(多为平原地形)使用较多。
而导向轮会带着机车顺着铁轨前进,也是被动转动的,没有动力。
4、讲解主动轮上的均重铁和承重弹簧;
大家能够看到在主动轮的一侧上有大片的实心铁块,这就是“均重铁”,机车是不应该被设计成笨重的样子的,但这块均重铁的设计是必要的,它在主动轮高速转动时,保持它的稳定性有着至关重要的作用,前面讲到连杆和摇杆拉动主动轮转动,这样在杆与轮的连接处就有一个大的“关节”,这个关节有相当的质量,它使得轮子的质量分布不再是关于轮轴对称了,或者说轮子的重心就不在轮轴上了,这样当轮子高速转动时就会抖动起来,这种抖动对于机车的稳定性来说将是致命的,所以必须克服。
大家可以看到那块均重铁是设计在那个“关节”的对面,均重铁和“关节”是关于轮轴对称的,均重铁的大小是要经过精密计算得来的,有了均重铁,轮子的重心又回到轮轴上了,轮子的质量又平均分布了,这就是均重铁的“均”的意思,这样的轮子才能高速平稳的转动。
沉重的机车车身不是直接放在轮轴上的,车身是用粗大结实的称重弹簧托起的,这几根弹簧估计是大家见到过的最大的弹簧了,弹簧是软的,它的存在会不会使车身变得不结实摇摇晃晃呢?
不会的,机车是个大铁家伙,但是它也是“刚柔相济”的,如果它各个部件之间的连接是毫无缓冲的话,用不了多久再结实的火车头也会散架的。
机车行驶在铁轨上难免有些颠簸,在车轮和车身间用承重弹簧连接,能够缓冲这些颠簸,使车身更加的平稳。
当然它的粗大是因为车身很重,需要有巨大的弹力才能托起它,弹簧的弹力大小除了与它被压缩的程度有关以外,还与弹簧本身的材料粗细长短等有关,很显然你不会想着用塑料弹簧来托起机车车身的。
5、讲解轨道和枕木的作用
火车是个大胖子,火车头重达几百吨,一列火车就有几千吨重,打个比方说,二百吨的重量,相当于我们四千位一般的中学生的重量。
那么这样沉重的大家伙能够在普通的路面上行驶吗?
很显然不能,我们必须让它在结实的路上行驶,所以火车是在钢轨上行驶的。
大家会发现轨道是细长的两条,把它们架在一条条横卧的枕木上又是为什么呢?
这是为了分散轨道对地面的压力,没有那么多的枕木铺在钢轨下来增大受力的面积,沉重的火车早已把轨道压到地里面去了。
这其中分散压力的意思,其实是物理上所谓的“压强”的概念。
俗话说:
“牛皮不是吹的,泰山不是堆的,火车不是推的。
”推火车其实也是有的。
钢铁做的轨道线路是非常光滑的,一节重一百吨左右的车厢在平路上,十个人是可能将它推动的,当然说不定大力士一个人就够了,这绝对不是吹牛。
从这方面可以看出,铁路运输比公路运输在运输成本方面是有优势的,这得益于铁轨的平直光滑,还有它的封闭和专用性。
6、讲解轮缘和铁轨的关系
汽车能够在马路上自由的行驶,超车并线,火车则不行,铁轨是封闭的,火车只能在铁轨上顺着行驶,火车司机也不能随意的使火车拐弯。
那么火车是怎么保证在顺着轨道行驶,进入岔道的呢?
这归功于火车轮子上的轮缘。
火车轮子在铁轨内侧的直径比较大,在铁轨外侧的直径小,直径比较大的部分就是轮缘,它起到将火车轮限制在铁轨内的作用。
铁轨是弯的,火车自然就沿着铁轨转弯了。
从物理上讲,物体的运动方向改变时,需要一个侧向的力作用在物体上,那么火车转弯需要的侧向力又是怎么来的呢?
这个侧向力叫做向心力,就是火车行驶在圆弧状轨道时,需要受到一个指向圆弧的圆心的力。
火车转弯时需要有很大的向心力,如果没有向心力或向心力比较小,它就不能转弯,以致发生脱轨事故。
这个向心力在火车低速行驶或者在轨道弯曲程度不是太大的情况下,是可以靠轮缘与铁轨的侧向挤压获得的。
但是,在火车的速度很大时,就要靠内、外轨的高度差来提供向心力了。
如果注意观察就会发现,火车在弯道上行驶时,车厢是向里倾斜的,那里的外轨比内轨高。
这就是为了给火车提供转弯所需要的向心力,是在建筑铁路时设计好的。
外轨适当升高后,路基对车厢的支持力是垂直于路面向里倾斜的,支持力和车厢的重力的合力沿水平方向指向铁路转弯处弧形轨道的圆心,这个力就是使火车转弯的向心力,或者简单的说,由于路面是倾斜的,路面对车辆的支持力就斜着指向车辆需要转弯的方向了,因而能使火车顺利地通过弯道。
这和公路转弯处也是内侧低外侧高的道理一样,特别是赛车道更加是如此。
由于转弯时所需要的向心力跟火车的速度有关系,因此在设计转弯处内外轨的高度差时,必须规定火车的行驶速度,司机应使火车按照规定的速度通过弯道,才能保证行车安全。
其实火车真正运行起来,轮对所做的运动是非常复杂的,有滚动,有滑动,还有连滚带滑,然后还有一种叫做蛇形运动,就是指轮对在钢轨上其实是在纵向(列车运行方向)滚动的同时还沿着一个S行的小曲线横向摆动。
因为火车的车轮都有轮缘,它的主要作用就是导向和防止脱轨。
轮缘有很复杂的轮廓线标准要求,如果某车的轮缘的磨损太大超过了要求,就容易发生脱轨,必须加工切削轮缘至标准轮廓。
7、机械摩擦的问题。
火车的作用就是用来搞运输的,不是像现在这样退役后摆放在这里供大家参观,当火车在铁路上驰骋时,它的各个部件间,是以能够活动或者不能活动的方式连接着的,这就不可避免的存在摩擦力的问题,这是需要分门别类的考虑的。
为什么呢?
是不是因为摩擦会导致阻力,只要是摩擦我们就应该尽可能的减小它呢?
应该说只有部分的摩擦是有害的,需要尽量减小,那又怎么来减小它呢?
比如我们前边说到的机车的走行部分,汽机活塞的往复运动,连杆、摇杆推动动轮将往复直线运动变为轮转圆周运动,我们当然希望这样的运动是越灵活越好,这些运动的接触面会被设计得非常的吻合,且非常的光滑,还有需要给上一些润滑油,这些都是为了减小接触面的粗糙程度,从而减小摩擦。
当然还有部分的摩擦是有益的,我们需要尽量的增大它,这些摩擦力小了可就要出大问题!
那么怎么增大它呢?
比如说大家会发现机车上有很多的螺丝紧固,保证部件间不松开。
这需要螺丝帽和螺栓间有较大的摩擦,要保证它们不松动,就需要用力的拧紧,这里利用到增大压力来增大摩擦的物理原理。
乘坐列车出外旅行时,大家会发现当一辆列车进站后,往往会有工人用小锤敲打列车的某些部分,这是检查这些地方是否有松动或裂开,这些工人们都非常有经验,他们可以从敲击的声音中听出是否存在问题。
火车能够在铁路上行驶,到底是什么力直接推动它前进的呢?
可能你会说那当然是火车头了,或者说是蒸汽的推力了!
其实不是,火车头或者说蒸汽的推力只是让机车的动轮转动起来,轮子转动起来,火车就能前进吗?
这可不一定,如果铁轨过于的光滑,比如说铁轨上打上了一层冰雪……直接推动火车前进的力居然是铁轨对转动的动轮的摩擦力,所以在当发现铁轨上有冰雪时,司机会往铁轨上撒沙子或煤灰,通过增大车轮与铁轨间接触面的粗糙程度来增大摩擦力。
不然原地打滑的动轮是不会带着列车前进的。
这么说是不是铁轨做得比较粗糙,是不是就更加有利于列车的前进呢?
也不是,因为动轮获得推力需要摩擦,但是机车后边长长的车厢的轮子可是被动的在轨道上转动,它们受到的摩擦力是阻碍车辆前进的,所
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