解决问题的比赛“鸡蛋保护器”

解决问题的比赛解决问题的比赛 鸡蛋保护器鸡蛋保护器 上海青少年科技教育中心 陈玲菊 背景资料背景资料 一 问题背景 一 问题背景 在现实生活中 有许多物品非常容易破碎 比如鸡蛋 玻璃制品等 在运输这 些物品的过程中 需要人们设计各种办法来保护这些物品 避免它们在运输过程中 损坏而造成损失 二 计划背景 二 计划背景 根据上述在现实问题 我们设置一个问题情景 引导学生思考 设计 并创造 性地解决问题 我们的问题是 我们的问题是 利用规定的材料去保护鸡蛋 使其能承受从斜坡上滚下的桌球 的撞击 桌球的冲击力将使鸡蛋移动 移动的距离越远得分越高 提供给学生设计 制造提供给学生设计 制造 保护器保护器 所用的材料是 所用的材料是 信封 1 只 塑料三明治袋或保鲜袋 1 只 吸管 2 根 牙签 10 根 回形针 4 只 双面胶或透明胶纸约 10 厘米 橡筋 1 根 8 8 厘米纸板 1 块 可以使用上述的所 有材料 也可以选用其中一部分 模拟问题情景的场地如图所示 模拟问题情景的场地如图所示 模拟解决问题的测试方法是 模拟解决问题的测试方法是 1 每一位学生最多能滚 7 次桌球 被测试者能拿到 7 张卡片 每释放一次桌 球 得交给裁判一张卡片 多余的卡片可以计分 2 鸡蛋必须放在塑料袋内 以防渗漏 一旦开始测试 就不能再触及 保护 器 3 在测试的过程中 在指定的位置上学生可以自行调整坡道的角度和方向 4 每个人测试的时间最多 2 分钟 时间到 或已经滚了 7 次球 或被测试者 自己决定停止 测试即告结束 测试成绩记录 测试成绩记录 1 多余的卡片 每张可以计 2 分 2 不管鸡蛋的状况如何 按距离计分 即按测试现场所示的分数每一挡计 2 分 3 鸡蛋的状况 没损坏 30 分 轻度破裂 25 分 破裂并有漏出物 20 分 略凹进去 15 分 深度分离 5 分 完全破碎 0 分 三 知识背景 三 知识背景 根据问题的要求 设计 鸡蛋保护器 要解决两个方面的问题 是保护好 鸡蛋 使它在承受撞击的过程中尽可能避免破损 解决 保护器 经过桌球撞 击后在地面移动的距离和方向 在解决问题的过程中所必须了解的知识包括 力是使物体运动状态发生变化的原因 力能够使物体的形状发生改变 我们通常把物体的形状和体积的改变称为形变形变 任何物体在力的作用下都会发生形变 有的物体的形变比较明显 比如弹簧在 力的作用下它的形状和体积会有明显的变化 但是当作用力撤去后很快能恢复原状 物体的这种能够在外力撤去后恢复原状的性质叫做弹性弹性 这种形变叫做弹性形变弹性形变 发生弹性形变的物体因为要恢复原状而对使它发生形变的物体施加的力 叫做弹力 弹力 任何物体都有弹性限度弹性限度 当外力超过物体的弹性限度 即使撤去外力后 物体 也不再恢复原状 物体的这种在形变后不能恢复原状的性质叫做范性范性 这中形变叫 做范性形变 范性形变 乒乓球和鸡蛋受到力的撞击超过了他们的弹性限度都会发生范性形变 表现为凹陷或破损 只是鸡蛋壳更脆弱 更容易破损 在水平地面上滑动的物体为什么会停下来 这是因为它在水平地面上滑动时受 到地面对它的阻力 这种在滑动接触面间阻碍物体滑动的力叫做滑动摩擦力滑动摩擦力 滑动 摩擦力的大小一般情况下与接触面积的大小是无关的 与接触面的性质和接触面之 间的正压力有关 不同的接触面的性质 材料和粗糙程度等 有不同的滑动摩擦系滑动摩擦系 数 数 放在地面的箱子受到水平推力的作用 箱子仍能保持精子状态 这是因为箱子 在水平方向除了受到推力以外 还受到一个与推力大小相等方向相反的阻力 这个 阻力就是地面对箱子的摩擦力 方式在两个相对静止的物体之间的摩擦力叫静摩擦静摩擦 力 力 静摩擦力有一个最大值叫最大静摩擦力最大静摩擦力 最大静摩擦力可以认为是使物体开始 运动的最小的力 物体由于机械运动而具有的能叫做动能动能 鸡蛋原来是静止地在地面上 它的动 能为零 当桌球从斜坡上滚下来撞击了鸡蛋使鸡蛋具有了一定的动能而向前移动 一个物体如果受到力的作用并在力的方向上发生了一段位移 这个力就是对 物体作了功功 物体动能的变化是外力对物体做功引起的 能使物体增加动能的作用力叫做动动 力 力 动力所做的功 叫做正功 正功 使物体减少动能的作用力叫做阻力 阻力 阻力所做的功 叫做负功负功 物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能弹性势能 由物体与地球的相对位置 决定的能量叫做重力势能 重力势能 在物理学中把动能 弹性势能 重力势能统称为机械能机械能 关于能量转换 关于能量转换 在只有重力 或弹力 做功的情况下 物体发生重力 或弹力 势能与动能的相互转换时 机械能的总量保持不变 这个规律叫做机械能守衡定律 机械能守衡定律 平动和转动 平动和转动 一般运动的物体都是平动和转动合并而成的复杂运动 一个运动 着的物体 如果在物体上取任意两点所联成的直线 在整个运动中都是相互平行的 那么这个物体的运动就叫做平动 或移动 平动 或移动 如果物体内所有各点都绕着同一直线 做大小不同的圆周运动 这种运动就叫做转动 转动 这直线就是转动物体的轴线 课程目标课程目标 1 通过活动使同学知道科学与技术的结合才能产生社会效益 了解技术创新 应该有扎实的文化科学知识基础 2 在集体与个人相结合的探究活动中培养学生学科学 爱科学 用科学 信 科学和客观 求真 探索 合作 竞争等科学精神 3 通过活动培养学生运用科学的客观标准和准则去评价科学的现象和事物 4 通过观察与实验活动让学生了解物质的某些物理特性 认识物体的运动和 状态变化的特点和基本规律 了解能量守衡的观点 能量既不能凭空产 生也不可能凭空消失 它只能从一种形式转化为别的形式 或者从一个物 体转移到别的物体 5 通过活动培养学生能将所学的科学知识与实际问题结合 提出解决问 题的设想 并与他人合作讨论设计完成实验 在实验过程中能积极思考问 题 随时调控实验过程 记录实验结果 并能按给定的格式完成研究报告 活动方案活动方案 一 一 活动内容 活动内容 利用有限的材料设计制作保护鸡蛋的装置 使它在承受外力的撞击时 尽可能 保护鸡蛋使它不至于破损 并且 保护器 在撞击力的推动下 能够在地面上保持 良好的方向性 行走较长的距离 二 二 活动目标 活动目标 通过活动让学生感知不同的材料的不同结构和不同形态都会表现出它的不同的 物理特性 通过设计制作和测试 鸡蛋保护器 学习和加深理解有关的力学知识和机械 运动的知识 通过设计制作 鸡蛋保护器 模拟一个有关鸡蛋包装和运输的解决问题的过 程让学生体验科学设计的基本过程和方法 三 三 适用对象 适用对象 基本对象是基本对象是 13 15 岁的学生岁的学生 10 12 岁的学生可以作为体验活动 13 15 岁可以作为探究活动 16 18 岁可以作为理性研究活动 四 四 活动准备 活动准备 活动材料活动材料 练习用的和设计制作用的材料每位同学各一套 包括 信封 1 只 塑料 三明治袋或保鲜袋 1 只 饮料吸管 2 根 牙签 10 根 回形针 4 只 双面胶或透明 胶纸约 10 厘米 橡筋 1 根 8 8 厘米纸板 1 块 各一份 大于 50 克生鸡蛋和熟鸡 蛋各一个 练习时用熟鸡蛋 正式设计制作和测试时用生鸡蛋 测试用的器材 测试用的器材 10 10 60 厘米木条 1 个 作搁滑槽的支架用 也可以用其他物品 代替 120 厘米长的滑槽一根 在 10 厘米宽的木版的两边各钉上高出 2 厘米的挡 板即可 桌球若干个 在练习时可以给每个组一个桌球 活动场地 活动场地 一个教室 练习时 4 6 个同学为一组围坐 测试时在教室的后半部 将座位围成马蹄形的 在教室的前半部布置测试场地 如图所示 测试场地 测试场地 鸡蛋移动的区域宽 60 厘米 长 2 米 每格间距 20 厘米 五 活动过程 五 活动过程 活动一活动一 坚硬 坚韧 软弱与脆弱 让学生了解在现实生活中我们会接触到各种不同的生活用品 它们是用各种不 同的材料和各种不同的形态结构体现出了它们的功能特性 将学生分 4 6 人一个小组 讨论和比较所提供的材料的特性 可以用手感 撞击 承压 折迭等方式进行测试比较 也可以自己设计测试的方式 观察测试的过程和结果 有没有看到当对这些材料施加外力的时候 它们有没 有发生形变 形变的程度如何 是不是在各个方向对它施加外力 形变的状况都是 一样的 为什么 要求每个学生都把测试的结果记录下来 并进行分析 活动二活动二 包装与运输 一个现实生活中的情景 一个母亲下班回家路过菜场 买了一斤散装鸡蛋 用 塑料袋装好 带回家 所有的鸡蛋都完好无损 一个父亲下班回家路过菜场 买了 一斤散装鸡蛋 用塑料袋装好 放在摩托车后盖箱里骑车回家 其结果可想而知 将学生分 4 6 人一个小组讨论 讨论的问题是 我们了解到在鸡蛋作为商品流通的过程是否必须要包装 怎样包装才算是合理 包装 在运输过程中需要怎样包装 现有的包装存在什么问题 包括包装成本和包装 效果 应该怎样改进 在储藏保存鸡蛋时需要怎样的包装 现有的包装存在什么问题 包括包装成本 和包装效果 应该怎样改进 活动三活动三 谁来保护它 分组进行讨论和测试 老师给的材料能不能保护鸡蛋 对这些材料的形状进行改变以后能不能保护鸡蛋 将其中的几种材料组合在一起做成一样新的东西 能不能用它来更好地保护鸡 蛋 对测试的结果用学过的物理知识进行分析 在保护鸡蛋的方法中 为什么有的 是可行的 有的是不行的 活动四活动四 谁能带着鸡蛋移动 分组进行讨论和测试 桌球从滑槽滚下撞击了带着鸡蛋的保护器 使它在跑道上移动 我们需要的撞 击力大一些好还是小一些好 撞击力的大小跟滑槽与地面的角度有没有关系 为什 么 怎样的移动方式 材料与地面摩擦力的影响会更大一些 比较各种材料与地面 的摩擦力哪个大 哪个小 用滑动的方式移动鸡蛋有什么优点 有什么缺点 用滚动的方式移动鸡蛋有什么优点 有什么缺点 活动五活动五 我的设计 在前四项活动的基础上 每个同学各自完成自己的设计 先构思自己的设计方案 画好草图 根据草图制作鸡蛋保护器 检验一下效果如何 进行修改 整理设计报告 设计报告中解决问题的几个关键的部分的设计必须要写出它的 科学依据 活动六活动六 谁的设计最有效 全体同学带好自己设计制造作的鸡蛋保护器在测试场地上进行比赛活动 比一 比随的设计最有效 比赛规则见 背景资料 中 计划背景 部分 比赛可以用摆擂台的方式进行 轮到在场地上测试的同学 先向大家简单介绍自己的设计思路 然后测试的成 绩由老师或担任裁判的同学记录在他的学习单上 并将最高记录写在黑板上 谁的 最高记录保持到最后 他就是擂主 没有轮到比赛的同学在自己的座位上观看其他同学的测试 并尽可能记录下其 他同学的精彩的构思 各位同学根据自己的测试结果分析原因 成功在什么地方 失败在什么地方 为什么会造成这样的结果 还可以从哪些地方进行改进 通过这项活动给自己有什 么启示 写下总结报告 六 拓展性方案六 拓展性方案 鸡蛋保护器 活动方式可以有多种变化 其中最为典型的如 多年前在上海 流行的 高空落蛋 活动 为了增加活动的趣味性和给学生更多的探究空间 我们 可以在给学生提供的材料上多作一些变化 或者对要求学生解决的问题 提出更高 的要求 如 设计一个 鸡蛋保护箱子 在箱子里可以装若干个鸡蛋 将箱子丢出 窗外 能保持鸡蛋不碎等 解决问题的比赛 鸡蛋保护器 学习单 学校 班级 姓名 一 一 较材料的特性较材料的特性 你是怎样对它进行测试的 你能看到或感觉到什 鸡蛋壳 吸管 牙签 信封 硬板纸 回形针 橡皮筋 塑料袋 透明胶纸 对测试结果进行归纳描述 二 鸡蛋需要什么样的包装二 鸡蛋需要什么样的包装 A 1 我知道的鸡蛋在运输过程中的几种包装方法 2 这种包装方法存在什么问题 从包装 6 和包装效果两个方面去考虑 3 怎样改进比较好 B 1 我知道的鸡蛋在储藏时的几种包装方法 2 这种包装方法存在什么问题 从包装成本和包装效果两个方面去考虑 3 需要怎样改进 三 三 怎样吸收和转移桌球撞击的能量怎样吸收和转移桌球撞击的能量 A 根据活动一的体验 你认为老师给的材料中 哪些东西能吸收桌球撞击的能量 哪些东西能转移桌球撞击的能量 能吸收桌球撞击的能量能吸收桌球撞击的能量能转移桌球撞击的能量能转移桌球撞击的能量 效果效果 好好良好良好不好不好好好良好良好不好不好 鸡蛋壳鸡蛋壳 吸管吸管 牙签牙签 信封信封 硬纸板硬纸板 回形针回形针 橡皮筋橡皮筋 塑料袋塑料袋 透明胶纸透明胶纸 B 改变上述材料的形状或改变撞击的方向 其效果会有什么变化 将改变的方 式画在空格内 效果效果 能吸收桌球撞能吸收桌球撞 击的能量击的能量 能转移桌球撞击能转移桌球撞击 的能量的能量 改变形态改变形态改变方向改变方向好好良良 好好 不不 好好 好好良良 好好 不不 好好 鸡蛋壳鸡蛋壳 吸管吸管 牙签牙签 信封信封 硬纸板硬纸板 回形针回形针 橡皮筋橡皮筋 塑料袋塑料袋 透明胶纸透明胶纸 C 把几样东西组合起来 其效果会有什么变化 将材料组合的方式画在空格内 效果效果 能吸收桌球撞能吸收桌球撞 击的能量击的能量 能转移桌球撞击能转移桌球撞击 的能量的能量 它与谁组合它与谁组合怎样组合怎样组合好好良良 好好 不不 好好 好好良良 好好 不不 好好 鸡蛋壳鸡蛋壳 吸管吸管 牙签牙签 信封信封 硬纸板硬纸板 回形针回形针 橡皮筋橡皮筋 塑料袋塑料袋 透明胶纸透明胶纸 四 怎样使它跑得远 跑得准四 怎样使它跑得远 跑得准 A 怎样控制桌球撞击力的大小 1 桌球在滑槽上的位置不变 通过滑槽与地面的角度的变化来控制撞击力的大小 测试方法 结论 2 滑槽与地面的角度不变 通过桌球在滑槽上的位置的变化来控制撞击力的大小 测试方法 结论 B 感觉一下 这些材料与地面之间的摩擦力 你是怎么做的 把你的做法和感觉 描述出来 鸡蛋壳 吸管 牙签 信封 硬纸板 回形针 橡皮筋 塑料袋 透明胶纸 C 将老师所给的材料分别做两件东西 一件能在地面上滑动 一件能在地面上滚 动 比较一下两种移动方式各有什么优缺点 如果采用某种方式需要注意什么问题 1 滑动方式 优点 缺点 设计制作时应该注意什么 2 滚动方式 优点 缺点 设计制作时应该注意什么 3 能不能应用学过的物理知识分析 桌球的撞击力怎样使地面上的物体做功 五 我的设计五 我的设计 A 鸡蛋移动装置的设计思路 鸡蛋移动装置的设计思路 用文字和图描述 降低鸡蛋重心 并保持其重心高度基本不变 使鸡蛋在运输过程中的方向性得到保障的设计 减少 保护器 与地面滑动摩擦的设计 B 保护装置的设计思路 保护装置的设计思路 鸡蛋保护器应有的分解撞击力作用的设计 C 总体设计 总体设计 1 图 图 2 需要说明的问题 需要说明的问题 六 谁的设计最有效六 谁的设计最有效 测试后鸡蛋受损的状况 测试后鸡蛋受损的状况 在对应的状况前画 没损坏 轻度破裂 破裂并有漏出物 略凹进去 深度分离 完全破碎 鸡蛋移动的距离 鸡蛋移动的距离 七 根据测试的结果分析原因 并写出研究报告七 根据测试的结果分析原因 并写出研究报告 几种参考设计 几种参考设计 设计一 设计一 该装置主要是用两根吸管折成的弹簧来分解桌球的撞击力 吸管穿过撞击板 用信封制成 把信封尾部翻起 吸管从信封口插入 和挡板 用纸板制成 后 用胶带纸固定 力分解装置的对称轴应该稍高于挡板对称轴的位置 这样可以保持 鸡蛋保护器的运动方向 装鸡蛋的塑料袋打结的位置应该注意防止与地面和挡板接 触而产生摩擦阻力 图示 评语 该方案考虑的重点是减缓桌球的撞击力 但是他对鸡蛋本身的保护缺少考虑 一层塑料膜不足以起到保护作用 因此鸡蛋在运动中容易磕破