自行車上的物理知識校本課題

1、“自行車上的物理知識”校本課題結(jié)題報告研究單位：松陽一中高一（3）班課題組組長：楊日青成員：程晨潘敏李關(guān)松雷澤華陳佳怡指導(dǎo)老師：劉文懷項目所屬：物理“自行車上的物理知識”校本課題結(jié)題報告一、課題確立的背景 ：我國是一個人口大國 ,自行車作為一種交通工具，既輕便、環(huán)保，又可以健身，深受人們的青睞，中國老百姓擁有 5 億多輛自行車。年出口達到 2000 萬輛，從某種意義上來說，中國是一個自行車王國，每天清晨和落日時分，滾滾車流在中國的城市中碾動，這是最為壯觀的一道風(fēng)景，這是一條現(xiàn)代中國流動的長城。自行車與我們?nèi)绱说馁N近，與我們的生活密不可分。它與我們學(xué)習(xí)的知識有什么聯(lián)系、有什么物理原理、包含什么物

2、理規(guī)律 ，許多秘密等待著我們揭開，興趣、熱情使我們學(xué)習(xí)小組經(jīng)過討論之后，確立本次研究性學(xué)習(xí)的主題：自行車上的物理知識。二、確立研究目的：（ 1）提高在日常生活中發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理的能力（ 2）自己用科學(xué)知識改進日用品的能力（ 3）提高自己觀察，收集信息的能力（ 4）培養(yǎng)創(chuàng)新能力，設(shè)計改裝自行車（ 5）讓我們初步掌握社會調(diào)查研究方法，了解學(xué)術(shù)研究的基本程序和規(guī)范，培養(yǎng)對于學(xué)術(shù)研究和初步興趣，體驗學(xué)術(shù)研究的成就感，初步養(yǎng)成良好的學(xué)術(shù)品質(zhì)。三、制定研究計劃：（ 1）課題研究階段（ 2012 年 2 月 1 日 2 月 3 日）階段一：確定要調(diào)查的課題，制定計劃及主要任務(wù)；分析課題的可行性及研究范圍；明確將

3、要調(diào)查的對象階段二：研究實物，外出采訪自行車攤的師傅，并作記錄，調(diào)查自行車流行現(xiàn)狀，全面搜索第一手資料。階段三：查找相關(guān)的資料，進一步的試驗探究，整理資料及數(shù)據(jù)階段四：總結(jié)活動的感想和體會（2）課題實驗研究本著從生活中尋找科學(xué)，在科學(xué)中發(fā)現(xiàn)樂趣的理念，學(xué)習(xí)，研究，改進，培養(yǎng)我們自主學(xué)習(xí)的能力與創(chuàng)新思維，得到獨立鍛煉的機會，增強社會合作能力，激發(fā)了我們科學(xué)探究精神，學(xué)到課本沒有的知識，更好的從物理角度理解自行車。四、研究的具體內(nèi)容（1）自行車的相關(guān)歷史（2）自行車上的物理知識（3）自行車的結(jié)構(gòu)和功能，杠桿知識（4）自行車上的摩擦知識（5）自行車的設(shè)計和改造，并分析自行車前后輪靜摩擦力問題五、課題

4、研究的實施過程在這次非常有意義的研究性學(xué)習(xí)活動中，我們小組的所有成員都親自參與，仔細觀察，認真思考，敢于提問，并且努力總結(jié)，同時培養(yǎng)了我們與他人合作的精神，豐富了我們的知識，讓我們深刻的感受到了通過自己的研究得到研究結(jié)果的樂趣。同時，鍛煉了我們搜集，整理，分析信息和資料的能力，發(fā)現(xiàn)了我們的潛能和價值，增強了自信。對這次通過自己努力取得的結(jié)果，我們感到十分滿意，也樂在其中。當然，在這次活動中還有很多不完善的地方，但我們想，至少我們用心，用汗水，用自己的智慧去經(jīng)歷了。主要內(nèi)容：（一）、自行車的歷史自世界上第一輛自行車問世至今已有200 多年的歷史了。18 世紀末，法國人西夫拉克發(fā)明了最早的自行車。

5、這輛最早的自行車是木制的，其結(jié)構(gòu)比較簡單，既沒有驅(qū)動裝置，也沒有轉(zhuǎn)向裝置，騎車人靠雙腳用力蹬地前行，改變方面時也只能下車搬動車子。即使這樣，當西夫拉克騎著這輛自行車到公園兜風(fēng)時，在場的人也都頗為驚異和贊嘆。1817 年，德國人德萊斯在法國巴黎發(fā)明了帶車把的木制兩輪自行車。這是世界上第一批真正實用型的自行車。自行車雖然誕生于歐洲，但20 世紀卻在亞洲獲得了前所未有的普及和發(fā)展。二次世界大戰(zhàn)后，自行車在日本快速的發(fā)展起來，后因需要轉(zhuǎn)至臺灣，使臺灣的自行車業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，并一度成了亞洲的領(lǐng)導(dǎo)者，現(xiàn)臺灣的自行車制造業(yè)還是個中翹楚！我們選擇常用自行車配件質(zhì)量較好的大部分還是臺資企業(yè)生產(chǎn)。自行車發(fā)展的

6、目的也從最早的娛樂用途變?yōu)榻煌ù郊靶蓍e運動用途，休閑及競賽領(lǐng)域的發(fā)展使自行車研發(fā)工作不斷的精益求精，以滿足求更好成績表現(xiàn)選手們的需求。（二）、自行車的結(jié)構(gòu)和功能自行車結(jié)構(gòu)雖不復(fù)雜，但是每一部分的設(shè)計都有著豐富的物理原理。要研究自行車，首先要研究的便是自行車的基本結(jié)構(gòu)。下面，我們通過圖文結(jié)合的方式來了解下自行車的基本結(jié)構(gòu)。以上這些結(jié)構(gòu)當中的物理原理不計其數(shù)，在這里我們舉了以下三個例子：1、自行車的車座為何設(shè)計成馬鞍型？答：因為這樣可以增大人與車座的接觸面積，減小車座對人的壓強， 人騎車時感到舒服，騎車不易感到疲勞。2、車坐下的彈簧有什么作用？答：彈簧可以起到減震作用。3、自行車的手把、腳踏板、

7、輪胎等處，為什么會做有凹凸不平的花紋？答：這些凹凸不平的花紋可以通過增加接觸面的粗糙程度來增大摩擦。（三）、自行車上的物理知識1、自行車的轱轆用的是滾動摩擦力前進，氣打足了，滾動摩擦系數(shù)增大了，自行車也就好騎了。2、自行車能前進，是依靠滾動陀螺原理，即在運動中找平衡比靜止找平衡更容易。3、變速的自行車，在低檔的時候腿蹬的距離很大可以獲得很大的力量但速度慢，在高檔的時候腿蹬的距離很小但速度很快，這是由功率、力與距離之間的關(guān)系決定的。首先要理解一個力作用到（大塊）物體上會產(chǎn)生什么效果。一個力作用到（大塊）物體上，等效于一個同樣大小和方向的力作用在這個物體的質(zhì)心上和一個力偶。這個力偶會使物體發(fā)生滾動

8、。現(xiàn)在分析自行車轉(zhuǎn)彎時受到的力。一個是摩擦力，作用在輪子和地面的接觸點。它產(chǎn)生的力偶會使自行車向外翻轉(zhuǎn)。第二個是重力，作用在質(zhì)心上，力偶為零。第三個是地面對自行車的支撐力，和重力大小相等方向相反，也是作用在輪子和地面的接觸點。如果轉(zhuǎn)彎時保持豎直狀態(tài)，支撐力就通過質(zhì)心，力偶也為零。這樣三個力等效結(jié)果是一個通過質(zhì)心的力使自行車轉(zhuǎn)彎，一個力偶使自行車向外翻轉(zhuǎn)。如果身體向轉(zhuǎn)彎一邊傾斜，支撐力就不通過質(zhì)心，支撐力就會提供一個使自行車向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的力偶。當這個力偶和摩擦力的力偶大小相等時，自行車就不會翻倒。（四）、自行車上的摩擦知識（ 1）自行車輪胎、車把套、腳踏板以及剎車塊處均刻有一些花紋，并且使用摩擦大的

9、材料，增大摩擦力。（ 2）車軸處經(jīng)常上一些潤滑油，以減小接觸面粗糙程度，來減小摩擦力。（ 3）所有車軸處均有滾珠，變滑動摩擦為滾動摩擦，來減小摩擦。（ 4）剎車時，用力捏緊車閘，以增大剎車塊與車圈之間的壓力，從而增大摩擦力。（ 5）緊蹬自行車前進時，后輪受到的摩擦力方向向前，是自行車前進的動力，前輪受到的摩擦力方向向后，是自行車前進的阻力；自行車靠慣性前進時，前后輪受到的摩擦力方向均向后，這兩個力均是自行車前進的阻力。（五）、自行車前后輪靜摩擦力前輪向后，后輪向前從動輪和驅(qū)動輪在行駛的時候受到的力的作用效果不一樣，從動輪受到的推力作用在輪子的軸線上，力的作用效果使輪子平動，如果地面絕對光滑，輪

10、子就在地面上滑動，和地面接觸的點相對于地面有向前運動的趨勢，所以如果地面粗糙，受到的摩擦力向后，而且由于力的方向不通過軸心， 所以拉動輪子轉(zhuǎn)動驅(qū)動輪的軸由于驅(qū)動齒輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動時受力的作用效果是使輪子轉(zhuǎn)動，和地面接觸的點相對于地面有向后運動的趨勢，如果地面絕對光滑，輪子就會在原地打滑，如果地面粗糙，受到的摩擦力是向前的。簡單的說就像人的行走，奔跑用釘子鞋一樣有向后 “耙地 ”，所以受到的摩擦力向前。簡單的說就像人的行走，奔跑用釘子鞋一樣有向后 “耙地 ”，所以受到的摩擦力向前。自行車與汽車相類似，當后輪吃到動力 -自行車是用腳蹬踏腳板，汽車是靠發(fā)動機傳來的動力，使后輪向前進方向轉(zhuǎn)動，它們的輪子在

11、與地面的接觸處，相對于地面的運動方向是向后的，這樣一來，地面對車輪產(chǎn)生了一個阻礙車輪向后滑動的而方向向前的摩察力，正因為有了這個摩察力，才使得自行車也好，汽車也好能夠前進，如果你把車子的后輪填高讓它離開地面，你用再大的勁去蹬踏板，后輪轉(zhuǎn)得再歡，車子也不會前進半步，所以后輪受到的方向向前的摩擦力其實質(zhì)是驅(qū)動車子前進的動力；那么前輪的情況如何呢？設(shè)想把前輪，用剎車制動，即不讓它轉(zhuǎn)，這樣由于車身前進，它將跟車身一起向前滑動，于是前輪跟地面的接觸點相對地面有向前滑動的趨勢，這樣的話，地面對前輪產(chǎn)生了一個阻礙車輪向前滑動的方向向后的摩擦力，也正因為前輪受到方向向后的摩擦力，所以前輪才轉(zhuǎn)動了起來。再有，一

12、旦后輪的動力切除，后輪的情況變得跟前輪的情況一樣，所受的摩擦力方向馬上變成了向后，對這一點也應(yīng)引起注意。當被問起自行車在運動過程中，前后兩輪受到的摩擦力方向如何時，有同學(xué)回答說兩輪方向一致，且都向前，因為前后兩輪轉(zhuǎn)動方向一致，所以地面給它們的摩擦力都向前。此話乍說覺得有道理，可實際分析起來卻并非如此。 要弄清這個問題，首先要正確理解摩擦力的概念。摩擦力產(chǎn)生于相互接觸的有相對運動的兩個物體間，且阻礙物體的這種相對運動。要使車輪與地面產(chǎn)生相對運動，首先必須有力作用在車輪上，這個力即腳施于踏板的力。正是由于這個力作用才使后輪逆時針轉(zhuǎn)動，此時后輪與地面間產(chǎn)生相對運動，而摩擦力就是阻礙這種運動的。因此，

13、后輪受到的摩擦力向前。 那么，前輪的情況怎樣呢？不難看出，前輪是受后輪驅(qū)動才有向前運動的趨勢的，正因為如此，地面才給前輪向后的摩擦力，由此可見，兩輪受到摩擦力方向不同， 人們將后輪稱為主動輪，將前輪稱為從動輪。當被問起自行車在運動過程中，前后兩輪受到的摩擦力方向如何時，有同學(xué)回答說兩輪方向一致，且都向前，因為前后兩輪轉(zhuǎn)動方向一致，所以地面給它們的摩擦力都向前。此話乍說覺得有道理，可實際分析起來卻并非如此。 要弄清這個問題，首先要正確理解摩擦力的概念。摩擦力產(chǎn)生于相互接觸的有相對運動的兩個物體間，且阻礙物體的這種相對運動。要使車輪與地面產(chǎn)生相對運動，首先必須有力作用在車輪上，這個力即腳施于踏板的

14、力。正是由于這個力作用才使后輪逆時針轉(zhuǎn)動，此時后輪與地面間產(chǎn)生相對運動，而摩擦力就是阻礙這種運動的。因此，后輪受到的摩擦力向前。 那么，前輪的情況怎樣呢？不難看出，前輪是受后輪驅(qū)動才有向前運動的趨勢的，正因為如此，地面才給前輪向后的摩擦力，由此可見，兩輪受到摩擦力方向不同，人們將后輪稱為主動輪，將前輪稱為從動輪。推車時，前后輪轉(zhuǎn)動都是因為受到地面給它們施加的摩擦力的作用，即前后輪都有相對地面向前運動的趨勢，所以地面對前輪的摩擦力和對后輪的摩擦力都向后。騎車時，人通過鏈條給后輪一個力，使后輪轉(zhuǎn)動，假設(shè)地面光滑，則后輪會向前加速轉(zhuǎn)動，說明后輪有相對地面向后轉(zhuǎn)動的趨勢，所以地面對后輪的摩擦力向前。前輪轉(zhuǎn)動是因為受到力的作用，假設(shè)地面光滑，前輪就不會轉(zhuǎn)動，所以地面對前輪的摩擦力向后。 （判斷摩擦力方向時，可