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(共40张PPT)
第4节 跨学科实践：自行车
第十二章 机械能
感悟新知
自行车是由人力脚踏驱动、有两个车轮的陆地交通车辆，俗称自由车、脚踏车或单车，又因中国最早的自行车是从国外过来，所以中国人又曾叫自行车为“洋马儿”。
自行车的优点有很多，如无污染、重量轻、结构简
单、物美价廉、使用和维修方便，既能代步和运载货物，还能用于体育锻炼等。
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追溯起源
世界上第一批真正实用型的自行车出现于19 世纪初。1817 年，德国人德莱斯在法国巴黎发明了带车把的木制两轮自行车。如图2 所示，它只有两个轮子而没有传动装置，人骑在上面，需用两脚蹬地驱车向前滚动，在前轮上加了一个控制方向的车把，可以改变前进的
方向。但是骑车依然要用两只脚，一下
一下地蹬踩地面，才能推动车子向前滚动。
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任务一 自行车的结构
1. 类型 普通自行车、公路自行车、健身自行车、场地自行车、山地车、速降自行车、儿童自行车、旅行自行车、死飞自行车、多人自行车、折叠自行车、BMX 自行车等。
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2. 结构 自行车通常由车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25 个部件组成(如图1 所示)。它的工作系统一般分为支撑系统、轮组系统、变速系统、刹车系统、避震系统等。
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深度思考(1)支撑系统：自行车的支撑系统是自行车的
“骨架”，起到整合各种零配件及支撑骑行者的作用。它是由哪些部分组成的？
深度理解：
支撑系统：车架、车把、车座和座杆。
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(2)轮组系统(滚动系统)：轮组系统是连接车轮和车架的部分，自行车的动力传输都必须要经过轮组传动给轮胎。它是由哪些部件组成的？
深度理解：
轮组系统(滚动系统)：轮圈、辐条等。
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(3)变速系统：变速系统是更改齿盘和飞轮的齿轮比来改变速度。
(4)刹车系统：骑行者可以操纵车闸，使行驶的自行车减速、停驶，确保行车安全。它是由哪些部件组成的？
深度理解：
刹车系统：刹车把手等。
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(5)避震系统：骑行过程 中，通过悬挂、减震等方式，减少车身与地面碰撞时所产生的冲击和振动，提高骑行舒适性和稳定性的装置。
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任务二 自行车与物理
自行车的工作原理
骑行者通过脚蹬施加力，经过齿盘、链条等传递到飞轮，从而驱动后轮转动。车轮的转动带动自行车前进，同时骑行者可以通过车把控制行驶方向。当需要减速或停车时，骑行者可以操作刹车把手，通过刹车线拉动刹车片与车轮摩擦，从而降低车速或停车。
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2. 自行车中的物理
观察1：自行车上的机械
(1)自行车上的杠杆
例如：自行车的车闸是省力杠杆；
分析：如图4 所示，刹车把手的动力臂大于阻力臂，因此动力F1 小于阻力F2，故自行车的车闸是省力杠杆。
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(2)自行车上的轮轴
例如：如图5 所示，中轴上的脚蹬和齿盘组成省力轮轴；
分析：由于脚蹬
半径大于齿盘半径，
所以作用在脚蹬上的
动力F 就小于齿盘上
的阻力，因此骑行比走路更省力。
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观察2：自行车的轮胎
(1)分析：轮胎是由橡胶做成的。
(2)优点：首先，橡胶具有出色的耐磨性，这意味着轮胎的使用寿命会更长。其次，橡胶的弹性极佳，作为轮胎材料可以吸收大量振动能量，有助于自行车在行驶过程中保持平稳，减轻震动和颠簸感。
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观察3：自行车部件的舒适性
(1)自行车座设计成马鞍形
原因：自行车的车座较宽大，可以增大人与车座的接触面积，减小对人的压强，使人骑坐时感到舒服。
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观察思考4：自行车的传动
(1)自行车传动的原因：如图6 所示，人在自行车上借助车上设置的省力杠杆，利用大齿轮带小齿轮的快速转动的原理，使自行车的轮胎轻快地运转。
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(2)人骑自行车比走路运动快的原因
①自行车和走路都是靠摩擦力驱动的。但是骑车时受到的摩擦力更小。原因是车轮受到的滚动摩擦力比人鞋底受到的静摩擦力要小得多，根据P=Fv可知，在功率一定时，阻力越小，行驶的速度越大。
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②当我们在路上行走时，身体的重心是在上下发生着变化的。如图7 所示，人走路时，后脚蹬地重心升高，人要克服重力做功，前脚落地重心降低，重力势能转化为其他形式的能。而在我们骑自行车的时候，重心位置基本是保持不变的，没有额外的消耗。
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深度理解
1.从摩擦的角度来看，自行车运动时车轮与地面的滚动摩擦比人走路时鞋底与地面的静摩擦要小，所以骑自行车比走路省力。
2. 自行车车把的手柄处有许多花纹、自行车的脚蹬表面有很多花纹，是利用增大接触面的粗糙程度来增大摩擦的。
3. 自行车的脚蹬设计成扁而平，是为了减小压强。
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知识拓展
如图8， 人在水平路面上匀速骑行时,自行车处于平衡状态,此时所受的力是平衡力, 即在竖直方向所受的重力G(G=mg)及人对自行车的压力F 压和支持力FN 相互平衡；在水平方向所受的人对车的动力F 及地面对自行车的阻力f 和空气阻力f′相互平衡。
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在以“自行车中的物理知识”为主题的小论坛上，小
明列举的以下观点中错误的是( )
A. 轮胎上有花纹——增大摩擦力
B. 用铝合金做车架——可减轻车身质量
C. 刹车把手是杠杆——可以省力
D. 停止蹬车，车仍运动——车受到惯性作用
例 1
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解析：轮胎上有花纹是在压力一定时，通过增加接触面的粗糙程度来增大摩擦力，故A 正确；车架为铝合金材质，密度较小，在体积一定的情况下，整车质量较小，故B 正确；自行车的刹车把手相当于杠杆，且动力臂大于阻力臂，所以刹车把手属于省力杠杆，故C 正确；停止蹬车，车还能继续向前运动，是因为车具有惯性，惯性是物体本身的一种属性，不是力，不能说车受到惯性作用，故D 错误。
答案：D
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1. 如图，在小明骑自行车匀速上坡的过程中，他的( )
A. 动能减小
B. 重力势能减小
C. 机械能不变
D. 机械能增加
D
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任务三 围绕自行车来探索
活动1 拆装自行车
1. 保养和维护方法
(1)材料与工具
材料：去污防锈剂、链条清洁剂、润滑油等。
工具：洗链器、毛刷、抹布。
安全警示
驾驶自行车必须年满12 周岁。
驾驶电动自行车必须年满16 周岁。
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(2)维护保养的过程
清洗：
①如图9 甲，向油污处喷去污除锈剂和链条清洁剂。
②如图乙，用毛刷清除齿盘和链条上的油和泥。
③如图丙，用洗链器清洁链条。
④如图丁，用浸水的抹布清洁车架、轮圈和脚蹬。
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润滑：①如图10 甲润滑刹车线。
②如图乙给链条、齿盘上防锈剂和链条油。
安全警示
在转动链条的过程中，要注意手不能离齿盘太近，谨防手指被链条和链轮卡住。
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2. 拆解与组装、维修与调试
(1)轮胎
①漏气原因：可能是轮胎被钉子等尖锐物刺穿，或者是气嘴老化、密封不严等。应仔细观察和逐一排查，确定漏气原因。
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②修补轮胎：如果轮胎被刺穿，可以使用专用的轮胎修补工具进行修补。修补时需要注意将轮胎内部完全清洁干净，确保没有杂物和水分，然后按照修补工具的说明进行操作。如果气嘴老化或损坏，需要更换新的气嘴。
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轮胎磨损更换：
①磨损情况：定期检查轮胎花纹深度、表面是否有裂纹
等，如果发现轮胎磨损严重或出现异常磨损，需要及时更换；
②更换轮胎：根据自行车的类型、用途以及行驶路况等因素，选择合适的轮胎。例如，山地车需要选择防滑性能好的轮胎，而公路车则需要选择轻便且滚动阻力小的轮胎。
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知识拓展
轮胎安装与调试技巧：
如图12 所示，首先将车轮从车架上卸下，然后将旧轮胎拆下并清洁，接着将新轮胎的侧胎边嵌入轮圈中，再将另一侧胎边也嵌入轮圈，直至整个轮胎完全安装到位，最后调整轮胎的气压至合适范围。
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轮胎磨损更换：
①磨损情况：定期检查轮胎花纹深度、表面是否有裂纹等，如果发现轮胎磨损严重或出现异常磨损，需要及时更换；
②更换轮胎：根据自行车的类型、用途以及行驶路况等因素，选择合适的轮胎。例如，山地车需要选择防滑性能好的轮胎，而公路车则需要选择轻便且滚动阻力小的轮胎。
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调试与检查
安装好轮胎后，需要进行调试和检查，首先检查轮胎是否安装牢固，有无晃动现象，然后调整车轮的轴向间隙和径向间隙，确保车轮转动灵活且无摆动，最后进行试骑，检查轮胎的舒适性和稳定性。
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(2)刹车
刹车失灵原因：
①如图13 甲刹车线松弛或断裂；②如图乙刹车片与轮毂间隙过大；③刹车系统存在油污。
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刹车片磨损更换步骤：
①拆卸旧刹车片：使用专业工具拆卸已磨损的刹车片，注意操作过程中不要损坏其他部件；
②安装新刹车片：选择与原刹车片相同规格的新刹车片，按照拆卸的相反顺序进行安装，确保新刹车片安装牢固，不会晃动或脱落；
③调整刹车片间隙：安装完成后，需要调整新刹车片与轮毂之间的间隙，使其保持在合适范围内，确保刹车效果良好。
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拓展提升
刹车线调试与优化
1. 调试刹车线松紧度；
2. 定期检查刹车线的磨损情况；
3. 优化刹车线布局，可以减少线管摩擦，提高响应速度，在不影响使用的前提下，可以尝试调整刹车线的走向和固定位置，以达到更好的使用效果。
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(3)车把
①车把松动原因：通常由于紧固螺丝松动或车把轴承磨
损导致，需先确定具体原因；
②螺丝紧固处理：使用合适的工具，对松动的螺丝进行紧固，注意力度适中，避免损坏螺纹；
③轴承调整与更换：如车把轴承出现磨损，需进行调整或更换，以确保车把稳定性和安全性。
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活动2 自行车征文与展示
下面是姜楠同学撰写的论文，供同学们欣赏。
主题：自行车与体能训练
自行车骑行不仅是一种健康的生活方式，更是一种探索自然之美的绝佳途径。骑行在蓝天白云下，穿梭在青山绿水间，让身心沐浴在自然的怀抱中，感受那份纯净与美好。
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骑自行车作为一项有氧运动，对人体好处多多。
骑自行车有助于开发大脑、改善体质。骑自行车是异侧支配运动，能提高神经系统的敏捷性，有效锻炼下肢的肌肉，起到锻炼身体、改善体质的作用。
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骑自行车能瘦身减肥。骑车过程中能消耗人体过剩的热量，长期坚持，能起到显著的减肥效果。
骑自行车能减小压力，放松心情。骑自行车可以让身体释放内啡肽，让人感觉舒畅。沿途还能欣赏美好的景色，减小心理压力，预防心理疾病。
自行车骑行是一种健康、环保、有趣的运动方式。让我们骑上自行车，畅游在自然中，感受大自然的神奇魅力，享受骑行带来的快乐和自由。
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展示交流
小论文写作注意事项与构思：
1. 选题新颖：参考教材中的主题进行选题，选择一个具有创新性和实用价值的主题。
2. 资料收集： 广泛查阅国内外相关文献, 了解自行车领域的研究现状和发展趋势, 为自己的研究提供有力支撑。
3. 结构清晰：合理安排论文结构, 确保层次分明、逻辑严谨。小论文应包括引言、正文和结论三个部分。
4. 语言规范：使用准确、简洁、专业的语言进行表述, 避免口语化、文学化等不当表达方式。
课堂小结
跨学科实践：自行车
组成部分
材料
工具
支撑系统
轮组系统
变速系统
刹车系统
避震系统
维护保养材料和工具

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