自行车中的物理知识 素材

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自行车中的物理知识 素材

资源简介

自行车中的物理知识 目录
序号
分类
页码
1
教材 单元二 自行车中的物理学问
2
《自行车中的物理学问》研究方案
3
“自行车”的物理试题-9页.doc
4
000教案--自行车中的物理知识-4页.doc
5
00- 自行车-17页.doc
6
1教案-2页.doc
7
01--自行车 教材--8页.doc
8
2教案-3页.doc
9
03-84班物理研究型学习6页.doc
10
003实践活动表格24页.doc
11
81班-2页.doc
12
82班-3页.doc
13
83班-3页.doc
14
84班-2页.doc
15
85班2页.doc
16
86班-7页.doc
17
87班2页.doc
18
88班-4页.doc
19
从物理角度看骑车技巧-3页.doc
20
教案:自行车中的物理知识----3页.doc
21
物理研究型学习教案--6页.doc
22
样表8张.doc
23
自行车的物理知识7页.doc
24
自行车的物理知识的教学设计------------3页.doc
25
自行车架尺寸9页.doc
26
自行车中的物理知识5页.doc
单元二 自行车中的物理学问
学习目标:运用所学学科知识来解释生活现象,体会知识学习的意义;学会观察的一种方法,并做好观察记录;在与他人的交流中学会取长补短,体会合作学习的重要性;学习怎样使小组交流更有效,认识到合作是以分工承担责任为前提;反思所学知识的不足并加以改进。
实践方式:文献搜集;调查走访;观察记录;讨论交流。
学科整合:与物理、语文等学科整合。
课时建议:4课时
我国是著名的“自行车王国”,拥有世界上数量最多的自行车。作为一种最普及的代步工具,它与我们的生活密不可分。特别是对于我们中学生来说,自行车可是生活中不可缺少的好伙伴。每天清晨,它用欢畅的车铃声宣告一天学习生活的开始;到了黄昏,它又承载着收获,结束生机勃勃的一天。自行车伴随我们度过了无数美好的时光。那么我们在享受自行车带给我们的方便和健康时,你仔细想过自行车上都涉及到了哪些物理知识吗?为了明确这些知识,也为了更好地将知识运用到日常生活中,让我们开始我们今天的探索之旅吧。
我们首先需要围绕这个主题,分析一下研究的思路与内容。
在交流的基础上,请将要研究的内容与思路整理一下:



制定研究方案是我们进行主题研究必不可少的一个重要环节,在这个过程中,我们不仅掌握了活动方案的结构,更明白了,做任何事首先要明确目标、并按步骤来做。
1)尝试回忆一下,一个完整的研究方案包括哪些方面的内容呢?


2)每位同学分别按照研究方案的内容,结合自行车的物理学问,人人动手制定方案。
3)将我们的方案与小组内成员一起交流分享,评出最具有可行性、选择最周到的研究方案作为我们小组的研究方案,并加以补充完善。
以下是某位同学为这个主题设计的研究方案,请你比较一下,他哪些方面考虑比较全面,哪些方面还需要再完善。学习和比较的过程,也是提高的过程哟。
《自行车中的物理学问》研究方案
活动一、了解自行车的构造、种类
1.了解自行车的构造
现在同学们几乎人人都有自行车,但对自行车的构造你了解有多少呢?和小组同学一起,观察校园里停放的各类自行车,用画图或文字的方式记录它们的结构。
在这个过程中,阅读自行车说明书和请教修自行车的师傅,都是很好的方法。
我对自行车的了解是:
2.自行车种类知多少
通过走访自行车车行,上网查阅资料,了解自行车的种类及其特点。
自行车种类及其特点
种类
特点
公路自行车
山地自行车
折叠自行车
双人、多人自行车
电动自行车
……
……
活动二、自行车涉及了哪些物理知识
认真观察你的自行车,结合你平日的骑车体验,与同学交流一下,你发现自行车上都涉及到了哪些方面的物理知识。
我找到了摩擦、杠杆、惯性、压强这四方面的知识
我还发现:


将同学们的观察和发现汇总整理,看看大家都发现了哪些物理现象。


自行车中的物理学问观察记录表
物理现象
具体体现
摩擦
1.自行车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均有一些花纹,并且使用摩擦大的材料,增大摩擦力;
2.车轴处经常上一些润滑油,以减小接触面粗糙程度,来减小摩擦力;
3.所有车轴处均有滚珠,变滑动摩擦为滚动摩擦,来减小摩擦;
……
杠杆
轮轴
惯性
压强



功和能的转化
长度的测量
……
活动三、用物理知识分析自行车中的问题
自行车中的某些物理知识是同学们通过生活体验获得的,你在骑自行车的过程中,发现了哪些有趣的现象?用物理知识解释和分析这些现象。
活动四、撰写研究论文
通过实地观察、实践操作、亲身体验,我们对自行车中的物理知识有了更多的了解与认识;通过与小组成员的互动交流,我们也得到了很多启发与帮助,请将你的研究过程、观察所得、心得体会归类整理,撰写你的研究报告.
活动建议:
1)将我们的研究报告,在组内交流,互相学习,选出最优秀的一篇,以它为准来撰写小组研究报告.
2)可以上网查询一下别人的范例,比较一下,这也是很重要的学习过程哟.
3)小组研究报告写好后,交给我们的指导老师看看,以便再做修改.
4)为最后的成果展示做好必要的准备,尽量做到,在成果交流汇报课上,组内人人有事做.
通过向老师请教和上网学习,你发现你们小组的研究报告还需要修改的地方是


1.汇报与展示
对于“自行车的物理知识”这个研究主题,没有比把自行车请进课堂进行实物操作讲解更好的展示办法了。记得让每个小组成员都有机会展示,体现你们小组团队的力量与协作精神。
自行车零件及功能记录表
序号
零件名称
功能
运用到的物理知识
2.反思与评价
每次主题活动之后,我们都要对自己的研究过程进行适当的总结反思与评价,哪些方面做得很成功,成功的经验是什么;哪些方面做得还不够,具体表现在哪里,在将来的主题活动中,怎样改进等,都是需要我们认真思考的。大家可以从如下几个方面来总结
1)我经历了这样的研究过程:
2)在这个主题活动中,我学会了以下几种研究方法:
3)反思学科知识,哪些方面需要进一步加深理解:
4)你想采取的措施是:
5)我对自己的评价:
6)同伴对我的评价:
7)老师的评价:
3.整理档案资料
将自己在研究过程中所有的资料,包括研究方案、观察记录、研究报告、所学到的方法以及有关的评价记录,按顺序整理、归类,放进档案袋里。并为这一主题编制目录。
研究性学习:自行车的物理知识
研究目标:
1、“物理学就在你身边”的主题探究活动
2、让学生对自行车进行观察,描述其构造。说明应用了哪些物理知识,要求能运用所学知识,比较系统地写出调查报告。
3、培养学生的观察能力,表达能力,以及辨别分析能力。
4、提高学生的合作、协调能力。
5.通过成果展示提高学生进行科学研究的积极性,并让学生体验到成功的快乐。
教具准备:自行车一辆
教学过程:
一 、组织教学
二 、出示一辆自行车,交代本节课的任务:“物理学就在你身边”的主题探究——探究自行车的物理知识成果展示。
三、 自行车各部件名称的认识。(由学生完成,对照自行车上讲台说明。)
四.、研究自行车的物理知识:
每一子课题研究组派出一位同学,,代表本组公布探究结果。结果公布之后,请全体同学评议,并提出质疑,让其答辩,也可作适当补充,
老师作适当指导、点评。
附参考资料:
一 、增大摩擦和减小摩擦方法的应用:
1、增大摩擦的方法的运用:
许多部件刻有凹凸不平的花纹:如车的外胎,车把手塑料套,蹬板套,闸把套等。
增大压力以增大摩擦:用力刹车,刹车橡皮紧压钢圈,用以增大刹车橡皮对钢圈的压力,以产生较大的摩擦力,刹车过程开始与钢圈间的摩擦是滑动摩擦,最后是静摩擦.
变滚动为滑动增大摩擦:刹车过程中,车轮从纯滚动变为滑滚结合的运动,车轮与地面摩擦力增大
2、减小摩擦的方法的运用:
变滑动为滚动:自行车的各轮轴均采用滚珠轴承,把滑动摩擦变为滚动摩擦,从而减小有害摩擦.
加润滑油:在自行车滚动轴承处以及其他运动部分,定时加润滑油减小有害摩擦,防止这些部件磨损过快.
车胎注入一定气体:其目的一方面能使自行车有一定弹性,减少往径向颠簸对车圈的冲击,另一方面,能在自行车负载情况下,减小路面同车胎的摩擦力.
3、压强知识的运用:
座垫、按钮扳手、蹬板等处,适当增大受力面积,以减小压强,使骑车人行驶时操作舒适,给自行车胎打气应适量,以防压强过大或热膨胀引起内胎爆裂.
4、力的知识的运用:
骑自行车时,地面给后轮(驱动轮)静摩擦力向前,前轮(从动轮)受到地面摩擦力向后.
拐弯时,人和车身一起倾斜一个角度,这时轮胎受带一个沿半径指向圆心的静摩擦力,它作为向心力,因为地面对车的作用力与重力不在一条直线上,所以人和车一起倾斜,快速骑车时,用躬身以减小阻力,要减速时特意挺直身体以增大阻力.
5、惯性知识的运用:
在平路上骑车,使劲蹬几下以后不再蹬脚踏板,自行车还能行驶一段距离.下坡或高速行驶时,不能单独用前闸刹车,否则会出现翻车事故.
6、简单机械知识的运用:
自行车制动系统中的车把、连杆和刹车皮由一系列省力杠杆组成,为了省力或省距离,自行车还使用了轮轴,如链轮压盘与脚蹬、后轮与飞轮、车把与转向龙头。 其中自行车的传动装置包括:主动齿轮(轮盘),被动齿轮(又称飞轮),链条及变速器等,齿轮比与传动比关系看自行车的使用效率.
7、功能知识的运用:
功的原理:人们在骑车上陡坡时,常行"S"形路线,可以省力,但却费距离.
机械能相互转化:骑车上坡时,人们往往要用力蹬车,这里是动能转化为势能;而骑车下坡,不用蹬车,车速也越来越快,这里为势能转化为动能.
能量转换:人们骑车通过"V"形地时,从其中一顶点出发,利用惯性顺坡滑行,自行车并不能爬上另一坡同样高的顶点.这一过程不仅有势能变动能又变为势能的过程,还有部分能量转化为轮胎和路面的热能或克服空气阻力的热能。自行车刹车时,动能转换成另一形式的能量(刹车装置的热能)。打气筒外壁发热是由于压缩气体所做功转变成热并通过筒壁热传递的结果.
8、声学知识的运用:
车铃利用了震动发声的机制
9、光学知识的运用:
尾灯壁有许多互成直角的反射面,夜间汽车灯光射来,能被它沿原方向反射回去,这些反射回去的红光会引起司机的 注意,以防交通事故.
10、电磁学知识的运用
速度计
人力电动两用车
不仅自行车本身有许多物理知识,而且在自行车比赛时,还要用到力学知识。
人们骑着自行车向前进时,即使无风的天气也会感到有风从耳边飞过,速度越快人感觉到的风力也越大,阻碍前进的效果也越明显.
五、课外练习:
一)、课外查阅: 1、自行车发展的历史
2、新式自行车
3、赛车
二)、每个同学整理研究的内容写一篇科技小论文。
三)、请对自行车或自行车的某一部件进行改进,并提出创新设计方案。
自行车中的物理知识
教学目的:
1、通过本次活动,让学生在综合实践活动中探究自行车的构造和它对应的物理原理。
2、将理论和实践联系起来,让学生体会学习物理的乐趣,增强学习物理的动力。
3、让学生亲身参与,将枯燥的知识传授变为有趣的综合实践。
4、结合自行车的构造和交通案例,进行安全教育。
教学重、难点
重点:
1、 找出自行车中有害摩擦和有益摩擦。
2、 找出自行车中的压强。
难点:
找出自行车中的压强。
引入新课
师:众所周知,中国是世界上自行车拥有量最多的国家,是公认的“自行车王国”。作为一种最普及最方便的代步工具,它与我们的生活息息相关。就我们中学生而言,也与自行车结下了不解之缘。说起骑车,或许我们都会,但要系统、详尽地解释其中的物理知识,未必人人都能够做到。为了明确这些问题,也为了更好地将物理知识运用到日常生活中,我们选择此课题作为本节综合实践课的课题。
当然,自行车中的物理知识很多,我们不可能面面俱到,本节课重点针对我们初二物理所学的知识进行实践,现在同学们打开书本和开动脑筋,让我们一起进入探索之旅。
教学过程
一、认识自行车的基本结构
师:观察自行车,说说其结构。
生:(1)车把、前叉、前轮、前轴和后轴、后轮组成执行部分,起导向和行驶的作用。
(2)脚蹬、中轴、链条、飞轮等部件组成传动部分,推动车子前进。
(3)前后闸部件组成控制部分,骑行者可以随时操控车闸,使行驶的自行车减速或停止。
这三部分通过车架连接,形成一个整体。
师:请同学现场演示,并做示范动作。
生:部分同学现场演示。
二、认识自行车中的摩擦
(1)增大有益的摩擦
师:自行车中的摩擦很多,有的是有益摩擦,有的是有害摩擦,比如:轮胎表面的粗糙不平、橡胶紧套车把、刹车系统等等都是有益摩擦,同学们找一找并感受一下。
生:同学现场演示,并做示范动作,教师在旁边引导为辅,并找出更多的有益摩擦。
要求:学生能具体指出它的对应部件,并说明它的物理原理
(2)减小有害的摩擦
师:有害摩擦叶很多比如:车轮设计成圆形、各转动部件都要加注润滑油等等,请同学们找出更多的有害摩擦并说明它的物理原理。
生:现场演示,并做示范动作,找出有害摩擦,并说明原理,找出解决方案。
三、认识自行车中的压强
师:行车中包含了许多物理知识,压强就在自行车中有很多应用和防止,比如:车座为何设计成宽大的形状?螺丝和螺栓之间为何要增加垫片?现在就请同学们找出更多的这方面知识。
(这个问题比较难,要鼓励学生积极回答,根据情况要适时给予表扬)
生:几位同学一组,互相讨论认识自行车中的压强,并说明原理。
四、结合自行车的构造和交通案例,进行安全教育
师:请同学们找出自行车中有关行驶安全的部件设计
生:前后车架和脚踏板上的反光镜、车铃、轮胎上的限载标志等等。
师:结合交通案例、法规让同学们指出自已平时骑车中的不安全因素以及改正的措施。
生:分组讨论。
五、学生亲身参与的实践活动
提供一些必需的工具,让学生分组比赛装卸自行车的前后轮等一些简单的部件,将枯燥的知识传授变为有趣的综合实践。
六、师生总结
老师相信通过这次实践, 同学们一定会对自行车的构造和原理有了更深的了解,对学习物理有了更大的兴趣。同学们,物理学是一门自然科学,只要你们去留心生活中的每个细节,你们会发现,生活中处处都有物理的痕迹,当你们把所学的知识应用到生活中去的时候,你们会感到很快乐,学习也就更有动力了。最后,祝同学们学有所成!
自行车中的物理知识
自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具,常见的有普通载重自行车、轻便自行车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等.它结构简单,方便实用,下面分别介绍自行车的有关原理和其中涉及到的相关物理知识。
(一)自行车的有关原理
一.车体设计原理
  A:手把连接前轮的转向机制是轮轴的运用,一般女装车手把大多比较宽,就是因为把“轮”的半径加大,可以更省力,骑起来很优雅.
  B:剎车把手是一个简单的杠杆,使用者用很小的力就可对剎车片产生很大的压力.
  C:前剎片是利用摩擦力使车轮减速,同时在接地点产生向后的摩擦力来使车体减速.以前轮夹式剎车和传统后轮轴心的盘式剎车来比较,对同样大小的剎车压力而言,前者因力臂较长,会比后者有较大的力矩,效果较佳.
  D:接地的轮胎也是靠摩擦力使车子前进,剎车也是同样道理.
  E:轮轴中央用滚珠轴承加黄油来减少摩擦,提高传动效率.
  F:踏板是轮轴的运用.
  G:前后齿轮是利用链条传动的齿轮系统,因为前大后小,所以费力而省时,可以把车子加速到很快.
  H:后齿轮传动给后轮是一种作用力施在轴上的轮轴系统.
  I:有些座垫下方是以弹簧为避震器,是弹簧在日常生活中除了做为弹簧秤外,另一大用途.
  J:新型自行车有些装上油压避震器,是帕斯卡原理的运用.
二.为何自行车刚骑动时手把会不自觉转动?
  自行车基本上是两点着地,骑动时可以不倒下是因为两轮滚动时产生水平方向的角动量;当车子几乎静止时角动量消失了,质心要通过底座(人和车体在地面的投影)的机会非常少,不可避免就要倒下,此时若转动手把就会产生垂直方向的角动量,使车子保持平衡,这点和飞盘转动时可以保持平稳飞行有异曲同工之妙,但因为转动不是很完整,方向又一再改变,所以一般不能撑很久.
三.变速原理
  设前齿轮半径a、后齿轮半径b,a/b的比值愈大,可以愈省力,但省力一定较费时,所以车骑得不快,一般在起动时会把a/b调小一点,比较容易克服最大静摩擦力,之后再把比值变大.一辆十段变速的自行车有两个不同半径的前轮,后面有五个,以共有十种组合.
四.剎车原理
  从运动学的角度来看,急剎车车子可能向前翻倒.先考虑前轮剎死的情形:此时以前轮着地点为支点,因车子有向前的惯性(人车的质心明显在支点右上方),很容易有向前翻的情形发生;那后轮剎车的情形又如何呢?如果后轮剎死了车子的惯性一样向前,但此时前轮对地面的压力会增大,相对减少后轮的下压力,所以翻车的机会较少,当然若是向前的惯性实在太大,车子一样会以前轮为支点旋转而使后轮会上跷.
  综合以上可知:自行车最好不要单独剎前轮,若只有一个剎车系统应装在后轮,当然两轮一起剎车最理想.不论用那一轮剎车,前轮的下压力一定会增大,后轮的一定减少,所以前轮的剎车摩擦力比后轮的大.所以在机车或汽车上,效果较佳(当然也较贵)的碟式剎车装在前轮,后轮再装鼓式剎车,此即常在汽车广告中听到的”前碟后鼓”,但注意使用的前提是前后剎车一定同时作用,以免翻车.
(二)自行车中的物理知识
图1和图2是两种常见的自行车,在其中涉及到很多物理知识,包括杠杆、轮轴、摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学知识,下面具体来分析一下.
一.力学知识
1.摩擦方面
(1)自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹,增大接触面粗糙程度.增大摩擦力.
(2)车轴处经常上一些润滑油,以减小接触面粗糙程度,来减小摩擦力.
(3)所有车轴处均有滚珠,变滑动摩擦为滚动摩擦,来减小摩擦,转动方便.
(4)刹车时,需要纂紧刹车把,以增大刹车块与车圈之间的压力,从而增大摩擦力,
(5)紧蹬自行车前进时,后轮受到的摩擦力方向向前,是自行车前进的动力,前轮受到的摩擦力方向向后,是自行车前进的阻力;自行车靠惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向均向后,这两个力均是自行车前进的阻力.
2.压强方面
(1)一般情况下,充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10Cm×5cm=100×cm2,当一普通的成年人骑自行车前进时,自行车对地面的压力大约为F=(500N+150N)=650N,可以计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa.
(2)在车轴拧螺母处要加一个垫圈,来增大受力面积,减小压强.
(3)自行车的脚踏板做得扁而平,来增大受力面积,以减小它对脚的压强,
(4)自行车的内胎要充够足量的气体,在气体的体积、温度一定时,气体的质量越大,压强越大.
(5)自行车的车座做得扁而平,来增大受力面积,以减小它对身体的压强.
3.轮轴方面
(1)自行车的车把相当于一个轮轴,车把相当于轮,前轴为轴,是一个省力杠杆,如图3所示.
(2)自行车的脚踏板与中轴也相当于一个轮轴,实质为一个省力杠杆.
(3)自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴.
4.杠杆方面:自行车的刹车把相当于一个省力杠杆.
5.惯性方面
(1)当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然向前走,是由于它有惯性.
(2)当人骑自行车前进时,若遇到紧急情况,一般情况下要先捏紧后刹车,然后再捏紧前刹车,或者前后一起捏紧,这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去.
6.能量转化方面
(1)当人骑自行车下坡时,速度越来越快,是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能.
(2)当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下,目的是增大速度,来增大人和自行车的动能,这样上坡时动能转化为重力势能,能上得更高一些.
(3)如图4所示,自行车的车梯上挂有一个弹簧,在它弹起时,弹簧的弹性势能转化为动能,车梯自动弹起.
7.声学方面
(1)自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动,而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的.
8.齿轮传动方面
(1)线速度和角速度的关系,如图5所示,设齿轮边缘的线速度为v ,齿轮的半径为R,齿轮转动的角速度为ω,则有v = ωR.
二、热学知识
在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足,是为了防止自行车爆胎,因为对于质量、体积一定的气体,当温度越高,压强越大,当压强达到一定程度时,若超过了轮胎的承受能力,就会发生爆胎的情况.
三、光学知识
在日常生活中,自行车的后面都装有一个反光镜,它的设计很巧妙,组成如图6所示,它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角,用其内表面作为反射面,这叫角反射器.当有光线从任意角度射向尾灯时,它都能把光“反向射回”,当光线射向反光镜时,会使后面的人很容易看到.在夜间,当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上,无论入射方向如何,反射光都能反射到汽车上,其光强远大于一般的漫反射光,就如发光的红灯,足以让汽车的司机观察到.
四、电学方面
在有些自行车上装有小型的发电装置,它利用摩擦转动,就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样,发出的电能供给车灯工作,起到一定的照明作用.
自行车中的物理学知识
内容摘要
自行车是生活中常用的交通工具,在自行车上有很多的物理知识,通过研究总结这些物理知识对我们学习物理知识,掌握物理规律有很大的作用。可以培养小组成员团队合作精神,发现物理问题解决物理问题的能力。
通过对自行车的发展史、自行车静止时的物理知识、自行车运动时的物理知识的研究,全面了解自行车中所蕴含的物理知识,并且对这些物理知识逐个加以说明,深入挖掘一些自行车中潜在的但又被大家所忽略的物理规律和物理原理。通过本次课题研究,可以总结出自行车中的物理知识,为今后的中学物理实验探究提供理论依据。
关键词: 自行车 历史 静止 运动
目 录
1.自行车的发展史 …………………………………………………1
1.1 玩具马的诞生 ……………………………………… 1
1.2 铁使自行车变轻了 ………………………………… 1
1.3 现代自行车的雏型 ………………………………1
1.4 充气轮胎自行车 …………………………………… 2
1.5 山地自行车 ………………………………………… 2
1.6 公路自行车 ………………………………………… 2
2.静止时自行车中的物理知识 ……………………………………3
2.1物理应用---声的奥秘 ………………………………3
2.2物理应用---力的奥秘 …………………………………3
2.3 物理应用---机械原理 ………………………………3
2.4 物理应用---气压、压强的奥秘 ……………………5
2.5 物理应用---热的奥秘 ………………………………5
2.6 物理应用---光的奥秘 ………………………………6
2.7 物理应用---其它的奥秘 ……………………………6
3.运动中的自行车的物理知识 ……………………………………7
3.2 测量中的运用 …………………………………………7
3.1 自行车的运动 …………………………………………7
3.3 惯性 ………………………………………………… 7
3.4 减震 ……………………………………………………7
3.5 摩擦 ……………………………………………………7
3.6 机械原理 ………………………………………………8
3.7 自行车行驶中的超失重 ………………………………9
3.8 自行车运动中的阻力 ……………………………… 9
参考文献 ……………………………………………………9
4.自行车知识问答………………………………………………………10
4.1 自行车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些凹凸不平的花纹,这样做的目的是什么? ………………………………………10
4.2自行车所有车轴处均有滚珠,并且车轴处经常上一些润滑油,为什么?………………………………………………………………………10
4.3当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然前进,若不继续施力,它最终要停下来,为什么?…………………………………………10
4.4 骑自行车上坡时为什么要走S形路线?…………………10
4.5 自行车的车座为什么要设计成较宽大的“马鞍形”? ………10
4.6当人骑自行车快速前进时,若紧急刹车,一般情况下为什么不要先捏紧前刹车?………………………………………………………………7
4.7在炎热的夏天,自行车轮胎内的气体为什么不能充得太足?………11
4.8用打气筒给自行车车胎打气时,不一会儿气筒壁就会热起来,为什么?…………………………………………………………………………11
4.9骑自行车刹车时,为什么手用的力越大,自行车停得越快?………11
4.10紧蹬自行车前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?自行车由于惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?为什么?……………………11
4.11人骑自行车上坡前,为什么要紧蹬几下?………………………11
4.12当人自行车下坡时,即使不踩脚踏板,车的速度也会越来越快,为什么?……………………………………………………………………………11
4.13自行车坐垫下的有许多弹簧,它们有什么作用?………………11
4.14自行车的车铃声是怎样产生的?为什么有的自行车在行驶时会产生杂音?………………………………………………………………………11
4.15自行车的后面的“尾灯”有什么作用?……………………………12
4.16自行车刹车手闸是省力杠杆吗?为什么?…………………………12
4.17自行车的那些部件组合相当于“轮轴”? ………………………12
4.18人骑上自行车时会发现车胎变瘪,同时车胎会在路面上留下印痕,这表现了力的哪一个作用效果?……………………………………………………12
4.19为什么自行车在运动中容易保持平衡,而在停下时却无法保持平衡?………………………………………………………………………………12
4.20自行车的轮胎为什么用橡胶制成?内胎为什么还要充气?气门芯有什么作用?…………………………………………………………………………12
5.自行车相关力学题汇总………………………………………………………13
正文
1、自行车材料的发展历史
从自行车被发明以及使用至今已有两百多年的历史,这两百年间人类在不断的尝试与研发过程中,将玩具式的木马车转换到现在各式新颖休闲运动自行车,自行车发展的目的也从最早的娱乐用途变为交通代步及休闲运动等多种用途,在此过程中,随着工业技术的发展而演变的工业材料在自行车发展的长河中起到了举足轻重的作用,让我们一起回味自行车材料的发展历史。
1.1 玩具马的诞生
1791年第一架代步的“木马轮”小车诞生了。这辆最早的自行车是木制的,有前后两个木质的车轮,中间连着横梁,上面安了一条板凳,以现今来看就像是木造的玩具木马,所以这辆“自行车”被命名为玩具马。因为它的结构比较简单,既没有驱动装置,也没有转向装置,骑车人靠双脚用力蹬地前行,改变方向时也只能下车搬动车子因为这时的自行车的骑行性能差,所以没有被多数人接受并使用,只作为一种娱乐的器械被少数人使用。
1.2 铁使自行车变轻了
第一次工业革命过后,新材料的发现和发明对发展生产力的作用是不可低估的,冶金工业的技术进步,特别是钢铁工业的发展为交通工具和日常生活提供了坚固耐用的基础材料,铁质材料也被应用于自行车研发中。在1818年英国的铁匠及机械师丹尼士强生率先以铁造取代了木头材质,以铁造取代了车轮的骨架,使得自行车比原先的木马轻便了许多,这台铁制的车由技术好、有经验的人骑乘时速可以达到十三公里,从此自行车走进了人们的生活。
1.3 现代自行车的雏形
1886年英国的机械工程师斯塔利,从机械学、运动学的角度设计出了新的自行车样式,装上前叉和车闸,使用滚子轴承,前后轮大小同,以保持平衡,并用钢管制成了菱形车架,还首次使用了橡胶车轮。显著地提高了自行车的骑行性能。斯塔利不仅改进了自行车的结构,还改制了许多生产自行车部件用的机床,为自行车的大量生产和推广应用开辟了宽阔的道路,因此他被后人称为“自行车之父”。他所设计的自行车车型与今天自行车的样子已经基本一致了。
1.4 充气轮胎自行车
1888年,爱尔兰的兽医邓洛普,从医治牛胃气膨胀中得到启示,将自家花园用来浇水的橡胶管粘成圆形并打足气装在自行车上,这是充气轮胎的开端。由于他看到自己儿子自行车的实心橡胶轮在石头路上颠簸很厉害,于是用一根通过活门充气的管子,外面涂上橡胶作保护层,做了一个气胎。充气轮胎是自行车发展史上的一个划时代的创举不但从根本上改变了自行车的骑行性能,而且完善了自行车的使用功能。这项设计不但促进了自行车的发展,甚至从一定意义上影响了世界的历史。从此,橡胶轮胎作为一个产业出现在了世界上,深刻的影响到了摩托车、汽车的发展。
1.5 山地自行车
山地自行车起源于1977年美国旧金山。 设计为骑乘于山区的车种,通常具有变速器可变换省力或快速的档位,有些会在车架安装避震器,部分的轮胎胎皮是巧克力胎纹以便于在无铺面的路面骑乘。在材料方面,考虑到自行车重量与速度间的相互关系,大部分优质自行车架都是用铬铝合金钢管制成的,近期意大利自行车制造商已选定用碳纤维和加固的工艺聚合物来制造自行车的车架,使自行车重量尽不超过1.3公斤。
1.6 公路自行车
用来在平滑公路路面上使用的车种,由于平滑路面阻力较小,公路自行车的设计更大考量高速,往往使用可减低风阻的下弯把手,较窄的高气压低阻力外胎,挡位较高,且轮径比一般的登山越野车都大,现在的公路自行车广泛采用了新型材料,比如钛合金,碳纤维,高级铝合金材料,所以公路自行车的重量很轻,可以达到5kg以下,使其在公路上骑行时效率更高。由于车架无需加强又往往采用简单高效的菱形设计,公路车是最为优美的自行车。
2、静止时的自行车物理
2.1 物理应用---声的奥秘
自行车车铃的把手经过手的拨动,带动了齿轮,齿轮使带有弹簧锤的轴旋转起来,弹簧锤敲打铃盖,铃盖在不停的振动,车铃就叮铃响。用手按住铃盖,振动停止,铃声消失。
2.2 物理应用---力的奥秘
2.2.1 自行车上各处花纹的作用
一般自行车轮胎上有许多花纹样式,如宝石花纹、蝴蝶花纹、鹿角花纹、竹节花纹,它们有什么用途呢?通过实验我们可以解释:我这儿有两个瓶子,一个是瓶盖带花纹的,一个是不带花纹的。不带花纹的瓶子我使劲儿也打不开,带花纹的瓶子能拧开。这是因为用手去拧带花纹的瓶子,产生一定摩擦力,而去拧不带花纹的瓶子,摩擦力减少,所以打不开。轮胎也是这个道理,如果没有花纹的话,在路面上行驶可能就会打滑。车把上如果少了花纹的话,人的手掌抓车把也会不听使唤的。所以轮胎上和车把上的花纹都是为了增大摩擦力。而车胎越宽车越不爱打滑是因为胎的面积大了与地面的接触大了他们之间的摩擦力大了所以轮胎宽了车越不爱打滑.其它部位如车把手塑料套,蹬板套、闸把套等,都是变滚动摩擦为滑动摩擦以增大摩擦。如在刹车时,车轮不再滚动,而在地面上滑动,摩擦大大增加了,故车可迅速停驶。而在刹车的同时,手用力握紧车闸把,增大刹车皮对钢圈的压力以达到制止车轮滚动的目的。
2.2.2 自行车中钢珠的作用
在自行车上转动的地方,中轴、后轴、车把转动处,脚蹬转动处、飞轮等地方,都安有钢珠.转动地方安装钢珠是为了减小摩擦力,保护零件,节省动力,因为滚动摩擦比滑动摩擦小得多,用滚动来代替滑动可以大大减小摩擦,并经常加润滑油,使接触面彼此离开,摩擦变得更小,自行车是人们代步的工具,应当骑起来越轻松、越灵活才越好、越省力。
2.2.3 润滑油---自行车使用中的必需品
车轴处经常上一些润滑油,以减小接触面粗糙程度,来减小摩擦力。若车铃不响,是因为轴与齿轮之间的咬合部分太涩了,加几滴油润滑,减小摩擦。同样,车轴处经常上一些润滑油,通过减小接触面粗糙程度,来减小摩擦力。
2.2.4 制动之本---自行车车闸
制动装置(车闸)在一切运输机械中有着十分重要的作用.自行车是采用如下办法来制动的:
自行车的车闸是利用摩擦力使自行车减速和停止前进.当我们使用车闸时,刹皮与车轮间的摩擦力,使车轮停止运动或速度减小,车轮与地面间的摩擦力由滚动摩擦变成滑动摩擦,强大的滑动摩擦力使自行车迅速减速(或迅速停止动)。根据刹皮与车轮的摩擦位置不同,车闸分为轮缘闸和轮毂闸、脚闸。
①轮缘闸:其制动点在车缘上,包括:
普通闸:制动点在车圈的内侧面(刹皮摩擦车圈内侧面),使用最广泛.?
钳形闸:制动点在刹皮摩擦车圈直边上和直边车圈配合使用.?
触闸:制动点在外胎胎冠上,刹皮摩擦外胎
②车毂闸:其制动点在车轴上的闸盒上.包括:?
抱闸:制动点在抱闸盒外侧,即刹皮摩擦闸盒
涨闸:制动点在闸盒内侧,即刹皮摩擦闸盒
③脚闸:制动点在飞轮上,即利用零件卡住飞轮自行车的前轮为从动轮,摩擦力的方向向后,与运动的方向相反。后轮为主动轮,摩擦力的方向向前,与车运动的方向相同。紧急刹车时,轮子与地面的摩擦属于滑动摩擦。
2.3 物理应用---机械原理
2.3.1 自行车上的杠杆  
·控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,是省力杠杆,用很小的力就能转动自行车前轮,来控制自行车的运动方向和自行车的平衡
·控制刹车闸的杠杆:车把上的闸把是省力杠杆,用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上
·支持人重和货重的杠杆、三角杠、货架、前叉、后三角杠,都是广义的杠杆,用以形成车身和承重
2.3.2 自行车上的轮轴
·自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴,手握把外的半径大于前叉轴的半径。
·后轴上的齿轮和后轮:组成费力轮轴、齿轮半径小于后轮半径。???
·自行车行驶速度与车轮直径的关系:有实际经验的同学知道,骑28车比24车费力一些,但速度快,因为28车轮的半径大,轮子每转一圈走的距离长一些,故速度快,半径大使轮轴的轴半径大,故费力轮轴更费力. 1.车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量,提高强度,较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力,有的自行车还采用流线型的钢管。
2.3.3 车架与辐条
由于自行车是依靠人体自身的驱动力和骑车技能而行驶的,车架便成为承受自行车在行驶中所产生的冲击载荷以及能否舒适、安全地运载人体的重要结构体,车架部件制造精度的优劣,将直接影响乘骑的安全、平稳、和轻快。一般辐条是等径的,为了减轻重力,也有制成两端大、中间小的变径辐条,还有为了减少空气阻力将辐条制成扁流线型。
2.4 物理应用---气压、压强的奥秘
2.4.1 早期的各种轮子都是木轮、铁轮,颠簸不已。现代自行车使用充气内胎主要是利用质量一定的气体体积减小,压强增大的原理,当路面不平给车胎带来冲击的时候,充气内胎的压缩和恢复有很好的缓冲作用,减小了颠簸,既保护了自行车,也减小前进阻力,也使人感到舒适。
2.4.2 充气内胎上的气门芯,起着单向阀门的作用,只让气体进入,不让气体外漏,方便进气,保证充气内胎的密封。平时骑车时,若车胎没气了,应首先检查气门芯是否完好,再检查内胎是否破了。
2.4.3 自行车的坐垫呈马鞍型,它能够增大坐垫与人体的接触面积,以减小臀部的压强。脚蹬板扁而平,也是为了增大与脚的接触面积,以减小脚部的压强。
2.4.4 给车胎打气时,越打越费力,车胎越硬,是因为越打里面的气体越多,里面的压强越大。
2.4.5 在车轴拧螺母处要加一个垫圈,来增大受力面积,从而减小压强.
2.4.6 自行车车胎上刻有载重量。如车载过重,则车胎受到压强太大而被压破。
2.5 物理应用---热的奥秘   
2.5.1 在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足,是为了防止自行车爆胎,因为对于质量、体积一定的气体,当温度越高,压强越大,当压强达到一定程度时,若超过了轮胎的承受能力,就会发生爆胎的情况。
2.5.2 用打气筒给自行车车胎打气时,不一会儿气筒壁就会热起来,是因为打气筒的活塞压缩气体做功,气体内能增加,气体内能传给筒壁,使筒壁温度升高。同时打气过程也是克服活塞和筒壁摩擦力做功过程,也使筒壁内能增加,温度升高。
2.6 物理应用---光的奥秘
自行车的尾灯,不是可有可无的装饰物,而是在夜晚给行人,车辆作提示用的。我们都知道他只是一块玻璃而已,其中并没有像小灯泡似的发光物体,仔细观察尾灯,发现它里面是凹凸不平的玻璃体.这样的设计是为了夜晚行车似的需要,当夜幕来临时,司机们开着车在马路上行驶,他们看不清前方是否有人,这时,汽车前面的大灯会发出耀眼的光,因为光线很强,所以会照到自行车上,照到自行车上的光线经过凹凸不平的自行车尾灯会发生漫反射因而反射到司机驾驶舱中,司机这时会发现前面有行人从而放慢速度,一个小尾灯它的设计巧妙的应用了物理学原理─光的漫反射。
自行车的尾灯的反射面由很多红色的立方体直角组,用其内表面作为反射面,当有光线从任意角度射向尾灯时,可以把照在尾灯上的光向各个方向反射,使车后各个方向上的人均能看到红色的光,以防止交通事故的发生。它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角。当光线射向反光镜时,会使后面的人很容易看到。在夜间,当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上,无论入射方向如何,反射光都能反射到汽车上,其光强远大于一般的漫反射光,就如发光的红灯,足以让汽车的司机观察到。
2.7 物理应用---其它的奥秘
2.7.1 自行车的车梯
自行车的车梯上挂有一个弹簧,在它弹起时,弹簧的弹性势能转化为动能,车梯自动弹起。
2.7.2 自行车上的发电装置
在有些自行车上装有小型的发电装置,它利用摩擦转动,就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样,发出的电能供给车灯工作,起到一定的照明作用。
2.7.3 旋紧自行车各种紧固螺丝,是为了增大压力来增大摩擦。
通过探究静止时自行车的各种物理问题,我们对物理知识有了更深入与严谨的认识,并更深刻地体会将物理运用与生活的真谛,同时也获得了价值观的提升。
3、运动中自行车所蕴含的物理知识
3.1 自行车的运动
当自行车在公路上运动时,若以地面或者以路边的树为参照物,则自行车向前运动:若以骑车人为参照物则自行车静止;若以旁边经过的车辆为参照物,则自行车向后运动;所以选择的参照物不同自行车的运动状态也不同,运动与静止是相对的而不是绝对的。
3.2 测量中的运用
在测量跑到的长度时,可运用自行车。如普通车轮的直径是0.71米或0.66米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率,即约2.33米或2.07米,然后,让车沿这跑道滚动,记下滚动的圈数n则跑道长为2.33n米或2.07n米。
3.3 惯性
自行车在运动过程中尤其是下坡的时候不能用前轮的车闸刹车,在速度较快或者下坡过程中刹前面的刹车自行车会在惯性的作用下向前翻滚,速度越大危险性越大。这是因为前轮突然停止运动,而自行车的其他部分和骑自行的人具有惯性,依然保持高速运动状态,这是自行车会以前轮为支点产生扭转,造成向前翻滚。故在刹车时尽量使用后刹,避免危险。
当自行车在平直公路上行驶时,骑车人可以不给自行车动力自行车也会向前行进一大段距离。这是因为自行车和人在运动过程中具有惯性,保持向前的运动状态,自行车就会向前运动。
减震
现在的自行车都装有减震系统,这是为了减少自行车运动过程中的颠簸感。自行车的减震器的主要部件是由两个套在一起的弹簧组成。当自行车在过沙石路面时,自行车轮会带动自行车体震动产生颠簸感,安上弹簧后,就会明显感到颠簸感减小。由动量定理ft=I'- I 知道,当动量一定时,时间越长,受力越小,弹簧就是延长了力作用在自行车上的时间,从而使力减小。自行车的座包下安装弹簧也是由于这个原因。
摩擦
3.5.1 启动、行驶过程中的摩擦力
   当自行车启动或行驶时,在链条驱动下,后轮逆时针转动,轮胎与地面接触处相对于地面有向后运动的趋势,故地面对后轮施加向前的摩擦力,该摩擦力是自行车向前运动的动力。在此力的作用下,自行车整体具有向前运动的趋势,自行车的前轮胎于地面接触处具有向前运动的趋势,则地面对前轮产生向后的摩擦力,在该摩擦力的作用下,前轮便沿着后轮相同的方向转动起来,自行车向前运动,因此,人们也将后轮称为主动轮,前轮称为从动轮。当下雨或下雪天,地面摩擦力变小,自行车很容易摔倒,即平常说的打滑,其道理就在于此。自行车上轮胎上凹凸不平的花纹,就是为了增大摩擦力。
3.5.2 刹车过程中的摩擦力
  摩擦力不仅关系到自行车的启动,对自行车的制动也非常关键。如果刹车性能不好,骑车人的安全就得不到保障。人捏刹车柄,使刹车线带动刹车块与轮胎靠紧,产生摩擦力,使自行车减速,最终停下来。摩擦力的大小取决于压力的大小和接触面的粗糙程度。以恒定的速度驾驶同一自行车、刹车力越大,摩擦力越大,自行车制动的越快;说明压力越大,产生的摩擦力越大。新、旧两辆自行车,在相同的速度下,用近似相同的力捏刹车柄,新车制动快,原因是旧车的刹车块和车胎磨得比较光滑,产生的摩擦力很小。
3.6 机械原理
3.6.1 自行车的动力传输
当骑车人用力踩脚踏板时,车链条将动力传输到自行车的后轮,在脚踏板所在的轴与轮盘之间形成一个省力杠杆,如图所示,设脚踏板的长度为l,轮盘的半径为L,飞轮的半径为r,由杠杆原理知:F*l=f*L,因为l>L,所以当人用大小为F的力踩脚踏板时,轮盘得到的力f >F,在这个过程中形成一个省力杠杆。当自行车运动时,轮盘转过一周时飞轮转过的圈数为n,n=L/r,飞轮又与后面轮胎同轴所以它们的角速度相等,设后轮的半径为R,则当轮盘转动一周时相应的后轮走过的距离为S=2πRL/r,从公式可以看出,当轮盘转动一周后相应的后轮走过的距离S>>l轮盘的周长2πL,所以人们才会用自行车代步。
3.6.2 自行车的上坡运动学
自行车在坡底以相同的初速度上坡,第一种为沿直线上坡,另外一种是沿S形曲线上坡,明显感觉到S形曲线上坡要比沿直线上坡省力。根据功能关系W=F*S知,从坡底到坡顶所做的功一定都为W,在做功一定的情况下,距离越长受力越小,当沿直线上坡时距离最短为L,当沿S形路线上坡时距离为L*,由走过的路程知道L3.6.3 自行车运动中的速度调节
随着科技的发展自行车的动力传输装置也有了很大的改善,在自行车的后轮的飞轮上多了很多小的齿轮,通过改变后边飞轮的半径大小,从而改变自行的行进速度,所用的力的大小。在平直公路上如果想要获得较大的速度,需要把飞轮调节到较小的,但是这时就会使骑车人感到很费力;在上坡时需要较大的爬坡力,这时需要调节飞轮到较大的那个这样可以在爬坡时省力;根据机械原理知道,如果省力就不能省距离,如果省距离就不能省力,所以变速自行车就是根据这个原理制造的。
3.7 自行车行驶中的超失重
自行车在快速通过拱形桥时,会在桥顶处感觉到人对车座的压力减小,这是失重现象,当自行车快速通过洼地时,会感觉到人对自行车的车座压力增大,这是超重现象。
3.8 自行车运动中的阻力
当自行车在公路上行驶时,想要获得更高的速度,就需要骑车的人身体前倾,减小身体的迎风面积,当下雨天打伞骑车时感觉费劲,这是因为空气阻力大小与物体的正面面积有关。
参考文献
[1] 百度网站:21世纪教育网baidu.com
[2] 骑行网论坛:ttp://21世纪教育网hzbike.net
[3] 山东教育出版社 初中物理八年级上下册、九年级上下册
附录
自行车虽然是最简单的交通工具,然而其中蕴涵着丰富的物理知识。通过对自行车的发展史(主要是材料的演变)、自行车静止时的物理知识(自行车的构造)、自行车运动时的物理(自行车的运动、惯性、减震等方面)知识的研究,对探究报告的参与、实施及对探究实验结果的分析论证,本课题小组得到了有关自行车物理的科学的、合理的、贴近生活化的解释,得出的相关研究结论可供各中小学物理课程作为教学参考。总体上来说,本小组成功地完成了这次课题计划,在这次十分有意义的研究性学习活动中,我们小组的所有成员都亲自参与,仔细观察,勤奋思考,敢于提问,并认真总结,同时也培养了小组成员互相合作的精神,丰富了我们的知识,让我们深刻感受到了通过自己的研究得到研究成果的乐趣。在以后的物理知识应用过程中,我们将继续保持严谨求实、勇于探索的科学态度,努力提高物理教学水平,争取更大进步!
自行车知识问答
中国是自行车王国,自行车是中国老百姓最常用的交通工具。从自行车的结构和使用来看,它涉及了许多物理知识,现将自行车的有关物理知识以问答的形式展示出来,仅供参考。
1.自行车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些凹凸不平的花纹,这样做的目的是什么? 
答:设计花纹可增大接触面的粗糙程度从而增大摩擦。
2.自行车所有车轴处均有滚珠,并且车轴处经常上一些润滑油,为什么?
答:所有车轴处均有滚珠,可变滑动摩擦为滚动摩擦,来减小摩擦;加润滑油,可使接触面彼此分离,大大地减小摩擦,从而保证自行车处于良好的运转状态。
3.当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然前进,若不继续施力,它最终要停下来,为什么?
答:当不蹬脚踏板时,自行车还会继续向前运动是由于自行车具有惯性。若不继续施力,它最终要停下来,是因为自行车受到了摩擦阻力,改变了运动状态,速度逐渐减小。
4。骑自行车上坡时为什么要走S形路线?
答:走S形路线,相当于增加了斜面的长,可以省力,使上坡更容易。
5.自行车的车座为什么要设计成较宽大的“马鞍形”?
答:设计成较宽大的“马鞍形”,可以增大人与车座的接触面积,减小对人臀部的压强,让人骑行时感到舒服些。
6.当人骑自行车快速前进时,若紧急刹车,一般情况下为什么不要先捏紧前刹车?
答:快速行驶的自行车,如果突然把前轮刹住,后轮就会跳起来。这是因为前轮受到阻力而突然停止运动,但车上的人和后轮没有受到阻力,由于惯性,人和后轮要保持继续向前的运动状态,所以后轮会跳起来。不能单独用自行车的前闸刹车,否则会出现翻车事故!
7.在炎热的夏天,自行车轮胎内的气体为什么不能充得太足?
答:这是为了防止自行车爆胎,因为对于质量、体积一定的气体,当温度越高时,压强越大,当压强达到一定程度时,若超过了轮胎的承受能力,就会发生爆胎的情况。
8.用打气筒给自行车车胎打气时,不一会儿气筒壁就会热起来,为什么?
答:筒壁会热起来,是因为打气筒的活塞压缩空气做功,空气的内能增加,气体内能传给筒壁,使筒壁温度升高。同时打气过程也是克服活塞和筒壁摩擦力做功的过程,也能使筒壁的内能增加,温度升高。
9.骑自行车刹车时,为什么手用的力越大,自行车停得越快?
答:用力越大,自行车的闸皮对车胎钢圈的压力就越大,在接触面一定时,闸皮和钢圈的摩擦力就越大,所以停得越快。
10.紧蹬自行车前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?自行车由于惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?为什么?
答:紧蹬前进时,方向不一样;由于惯性前进时,方向一样。因为紧蹬自行车前进时,后轮受到的摩擦力方向向前,是自行车前进的动力,前轮受到的摩擦力方向向后,是自行车前进的阻力;自行车靠惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向均向后,这两个力均是自行车前进的阻力。
11.人骑自行车上坡前,为什么要紧蹬几下?
答:这样做的目的是增大自行车的速度,来增大人和自行车的动能,这样上坡时这些较大的动能转化为较大的重力势能,能上得更高一些。
12.当人自行车下坡时,即使不踩脚踏板,车的速度也会越来越快,为什么?
答:自行车下坡时,速度越来越快,是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能,而人和车的质量不变,所以速度变大。
13.自行车坐垫下的有许多弹簧,它们有什么作用?
答:当自行车在不平的路面骑行或遇到障碍时,车座下被压缩的弹簧发生形变产生弹力,弹簧的弹性势能转化为动能,从而起到缓冲减震作用。
14.自行车的车铃声是怎样产生的?为什么有的自行车在行驶时会产生杂音?
答:自行车车铃的把手经过手的拨动,带动齿轮转动,齿轮使带有弹簧锤的轴旋转起来,弹簧锤敲打铃盖,金属铃盖发生震动,发出声音因为振动的物体能发声,若用手按住铃盖,铃声振动就会停止。自行车有些部位零件松动时,骑行时引起振动也能发声。
15.自行车的后面的“尾灯”有什么作用?
答:自行车的后面“尾灯”其实并不是灯而是一个反光镜,它是由许多角反射器组成的。当有光线从任意角度射向它的表面时,它都能把光“反向射回”。在夜间,当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上,无论入射方向如何,反射光都能反射到汽车上,其光强远大于一般的漫反射光,就如发光的红灯,能引起汽车司机的注意,防止交通事故的发生。
16.自行车刹车手闸是省力杠杆吗?为什么?
答:刹车手闸是省力杠杆,因为人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上,使自行车停下来。
17.自行车的那些部件组合相当于“轮轴”?
答:(1)中轴上的脚蹬和花盘齿轮:组成省力轮轴,因为脚蹬半径大于花盘齿轮的半径;(2)自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴,因为手握把外的半径大于前叉轴的半径;(3)自行车后轴上的齿轮和后轮:组成费力轮轴,因为齿轮的半径小于后轮的半径。
18,人骑上自行车时会发现车胎变瘪,同时车胎会在路面上留下印痕,这表现了力的哪一个作用效果?
答:力能使物体发生形变。
19.为什么自行车在运动中容易保持平衡,而在停下时却无法保持平衡?
答:原因之一是车轮的陀螺效应。当车轮围绕着轴快速转动时,会阻碍轴心的移动。因此,运动中的车轮会对自行车的倾倒形成阻力。当在桌子上转动硬币时,可以观察到同样的效果,运动中的硬币可以保持平衡,当速度减小时,硬币会倒下。
20.自行车的轮胎为什么用橡胶制成?内胎为什么还要充气?气门芯有什么作用?
答:早期的各种车辆的轮子都是木制的或铁制的,运动时颠簸不已。现代自行车使用橡胶并且内胎充足气,主要是通过减轻压力(相同体积的橡胶和木材、钢铁相比质量小,对地面的压力小)来减小对地面的压强,减小自行车前进的阻力,同时通过橡胶弹力的作用可起缓冲减震的作用。充气内胎上的气门芯,起着单向阀门的作用,只让气体进入,不让气体外漏,方便进气,保证充气内胎的密封。
自行车相关力学题汇总
中国是自行车王国,自行车是中国老百姓最常用的交通工具。从自行车的结构和使用来看,它涉及了许多物理知识,小强同学为了方便上学也买了一辆时髦的碳纤维自行车,下面,同学们帮小强找找看,看看自行车所蕴含了那些物理知识。
1.从自行车的结构和使用来看,请你举出3个利用到力学知识的例子,将它填在答题卷中,要求写出相应的物理原理(或道理)
例子
物理知识的原理(或道理)
举例
自行车的刹车皮是用橡胶做的,刹车时可增大摩擦。
摩擦力的大小与接触面的材料有关,接触面材料越粗糙,摩擦力越大。
1
2
3
2、观察自行车:自行车上哪些地方的设计是为了增大摩擦?
哪些地方的设计是为了减小摩擦?
各是用什么方法增大或减小摩擦的?
将有关情况填写在下表中:
存在部位
有益摩擦
有害摩擦
增大或减小摩擦的方法
静摩擦
滑动摩擦
滚动摩擦
归纳表格中的情况,你认为:减小有害摩擦的一般方法有哪几种?
3.小强从家里出发到学校的路面可以分为两段,前一段是柏油路面,小强以3m/s的速度行驶了5min,后一段为水泥路面,1.2km的路程花了4分钟,小强骑车到学校的平均速度是多少?小强想要估测出学校新跑道的长度,可他身边只有一把米尺和一辆自行车,请你帮他想一种方法估测出学校新跑道的长度。
4.小强想:当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然前进,若不继续施力,它最终要停下来,为什么? 紧蹬自行车前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?自行车由于惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向一样吗?为什么?
请画出自行车在水平地面上匀速行驶的受力示意图和斜面上匀速下坡的自行车受力示意图。
5.自行车的车座为什么要设计成较宽大的“马鞍形”? 坐垫下的有许多弹簧,它们有什么作用?
(1)在车轴拧螺母处要加一个垫圈,来_____受力面积,以_______压强.
(2)自行车的脚踏板做得扁而平,来____受力面积,以_____它对脚的压强。
(3)小强的爸爸告诉小强:在炎热的夏天,自行车轮胎内的气体不能充得太足,为什么?
(4)一般情况下,充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×5cm×5cm=50cm2,当小强骑自行车前进时,和坦克车比较,谁对地的压强谁的大?(坦克车质量50t,履带与地面的接触面积5m2)
(5)小强的自行车是碳纤维做的,和钢结构的车比起开有什么优点?这辆自行车的自重100N,车与地面的接触面积是20cm2。质量是50kg的小强同学能骑着它在结冰的河面上行驶吗?(冰面能承受的压强是8×104Pa,g取10N/kg。)假如他能在冰面上骑行,和普通路面有什么不同的感觉呢?
6.当人骑自行车快速前进时,若紧急刹车,一般情况下为什么不要先捏紧前刹车?骑自行车刹车时,为什么手用的力越大,自行车停得越快?自行车刹车手闸是省力杠杆吗?如图所示是脚蹬板与链轮牙盘示意图请你画出动力、动力臂、阻力和阻力臂。
7.小强周六和爸爸一起骑车去郊游,她们顺着盘山路骑上了100m的一座小山,发现骑自行车上坡时走S形路线比走直线要省力些,为什么?如果斜面的效率是40%,小强上山花了12.5分钟,求小强骑车的功率?
8.小强和小强的爸爸一起将小强的自行车改装成水上自行车,在水面“行走”的自行车底部安装了8个体积均为0.02m3的泡沫圆柱体, 并在后轮安装了塑料叶片提供前进的动力。
(1)塑料叶片向后运动时,水上自行车就能向前行驶,这是由于 。
(2)假设小强骑着水上自行车在水中匀速行驶时,平均每个水桶有的体积浸没在水中,该水上自行车连接车体和泡沫圆柱体支架重8kg,求泡沫圆柱体的密度?计算时我们不计哪些因素?(g=10N/kg)。
习题精练
1.用打气筒给自行车车胎打气时,不一会儿气筒壁就会热起来,为什么?
2.人骑自行车上坡前,为什么要紧蹬几下?
3.当人自行车下坡时,即使不踩脚踏板,车的速度也会越来越快,为什么?
4、从自行车的结构和使用来看,它应用了许多自然科学知识,下列有关它的说法中不正确的是( )
车座的设计应用了压强的知识。
捏紧刹车把手减速是为了减小惯性。
车铃应用了声音发生和传播的知识。
D.轮胎和脚蹬做有凹凸不平的花纹,是为增大摩擦。
5、如图是一个跑步的人和一个骑自行车的人的s-t图像,由图像你可以得到哪些信息?
信息1:他们两个人是同时开始运动的.
信息2:
信息3:
6、小明步行的速度约为1.4m/s,小红骑自行车的速度约为3m/s,请根据这些信息设计一个题目,并按照正确的方法计算.
请认真阅读下表所示的某种品牌电动自行车的一些主要技术参数。
最高车速
≤30km/h
一次充电连续行驶里程
50km
蓄电池
36V/10Ah铅酸蓄电池
充电时间
8h
一次充电耗电量
0.6kW·h
电动机效率
80%
整车质量
40kg
最大骑行噪声
≤62dB
请回答:
1.技术参数表中“36V/10Ah”表示的物理意义是什么?
2.若质量是70kg的人骑电动自行车在水平路面上以6m/s的速度匀速行驶时,受到的阻力是人与车总重的0.02倍,取g=10N/kg。求:行驶20min,电动机对自行车做的功和通过电动机线圈的电流。
3.若摩托车每行驶100km耗油2.5L,油价约5.1元/L,照明用电的电费约0.5元/kW·h,请通过计算说明使用电动自行车与摩托车哪种更经济。
“自行车”的物理试题
[预习]
一、背景资料:自行车起源于欧洲。1790年法国的西夫拉克伯爵(Comte de Sivrac)将两个轮子装在木马上,人骑在上面用脚蹬地前行,称木马轮。1816年德国的冯德赖斯男爵(Baron Karl von Drais)发明有车把可控制方向的木轮车,1818年获英国专利。1839年苏格兰铁匠麦克米兰(Kirkpatrick MacMillan)制成由曲柄连杆结构驱动后轮的铁制自行车。1861年法国的米肖父子发明前轮大、后轮小,前轮上装有曲柄和能转动的踏板的自行车,并于1867年在巴黎博览会上展出。1874年英国的劳森(H.J.Lawson)在自行车上采用了链条传动结构。1886年英国的斯塔利(J.Starley)使用了滚珠轴承和车闸,并将前后轮改为大小相同。1888年英国的邓洛普(John Boyd Dunlop)成功使用了充气橡胶轮胎,自行车至此基本完善。1868年5月31日法国的圣克劳德公园举行了自行车比赛,这是有记载的最早的自行车比赛。1893年举行首届世界业余自行车锦标赛。1895年举行首届世界职业自行车锦标赛。奥运会自行车比赛分场地赛、公路赛和越野赛3大类。常见的有载重自行车、轻便自行车、淑女车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等.
二、构造:自行车由车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件构成。其中,车架是自行车的骨架,它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点,大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统:
1、导向系统:由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
2、驱动(传动或行走)系统:由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄,链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的,从而使自行车不断前进。
3、制动系统:它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸,使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。
此外,为了安全和美观,以及从实用出发,还装配了车灯,支架等部件。
三、自行车是一种简便无污染的交通工具,看一看它的构造(如图)想一想你的使用过程,请提出两个与物理有关的问题(力、热、声、光、电均可以,不需解答):
如:自行车的轮胎为什么会有花纹?
问题①      ;
问题②                   。
[习题]
1、从自行车的结构和使用来看,它应用了许多自然科学知识,下列有关它的说法中不正确的是( )
车座的设计应用了压强的知识。
捏紧刹车把手减速是为了减小惯性。
车铃应用了声音发生和传播的知识。
D.轮胎和脚蹬做有凹凸不平的花纹,是为增大摩擦。
2、观察自行车:自行车上哪些地方的设计是为了增大摩擦?哪些地方的设计是为了减小摩擦?各是用什么方法增大或减小摩擦的?
将有关情况填写在下表中:
存在部位
有益摩擦
有害摩擦
增大或减小摩擦的方法
静摩擦
滑动摩擦
滚动摩擦
归纳表格中的情况,你认为:减小有害摩擦的一般方法有哪几种?
3、下面是轻便自行车与山地车的图片,请比较轻便自行车与山地车的优缺点。
4、小华同学想要估测出学校新跑道的长度,可他身边只有一把米尺和一辆自行车,请你帮他想一种方法估测出学校新跑道的长度。
5、一般情况下,一只充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=10Cm×5cm=50cm2,当一普通的成年人骑自行车前进时,试估算自行车对地面的压强为多少帕。
6、如图是一个跑步的人和一个骑自行车的人的s-t图像,由图像你可以得到哪些信息?
信息1:他们两个人是同时开始运动的.
信息2:                      
信息3:                      
7、小明步行的速度约为1.4m/s,小红骑自行车的速度约为3m/s,请根据这些信息设计一个题目,并按照正确的方法计算.
8、右图是一些动物和交通工具的功率,请你估算骑自行车时受到的阻力。
9、为创造市场需要,适合老弱妇孺各种年龄层骑乘自行车,厂商多年前即开始研制辅助驱动自行车并且在新电池和驱动机械马达技术成熟发展之下,电动自行车应运而生。海外发展较早的要数日本、奥利地、德国、台湾等国家和地区。近几年美国发展也比较快。据全国助力车专业委员会不完全统计,1998年全国仅拥有5.4万辆,而去年,这个数字已达到200万辆,每年都以数倍的速度增长。据测算,目前我国对电动自行车的年需求量达500万辆,而现在的生产能力还只是需求量的10%。可以预见,电动自行车的市场前景十分广阔。电动自行车是电力驱动和人力驱动两用的绿色环保交通工具。人力驱动同普通自行车一样操作,电力驱动是以电动自行车配用的蓄电池为能源通过控制器控制电机转动,从而驱动电动自行车的车轮达到行驶的目的。请谈谈你对这种新型交通工具的看法。
答案:虽然我们天天骑、天天见自行车,我们真的还有很多问题呢:变速自行车是怎样变速的?自行车的传动装置是怎样传动的?车条的编法与受力有关吗?自行车的刹车装置是怎样的?如何减小骑车中的阻力,能测量出阻力大小吗?为什么骑车时越用力蹬,车走得就越快越稳?车架为什么是倒三角型的?前后轮的齿数与车速有关系吗?轴承中的滚珠怎样工作的?它的材料是什么?它有什么作用呢?自行车是怎样减震的?挡泥板多长合适呢?车把怎样拐弯的?自行车行驶时都有哪些地方受到摩擦力呢?自行车的附属物有那些,它们有什么作用呢?车胎为什么要打气?自行车铃为何会发声?在平直公路上行驶着的自行车,不再蹬车后,为什么自行车仍能运动?晚上汽车车灯照在自行车尾部,为什么自行车尾灯会亮?……让我们赶紧进行研究吧!
7、在完成如何测出自行车对地面的压强后提出为什么汽车的轮胎要很宽(出示车胎)
例1(2002福州)2002年6月6日《海峡都市报》刊登了《货车超限超载、国道不堪重负》一文,报道了“104国道设计使用年限为15年以上,但才使用5年就大修,现已伤痕累累……”如图所示,有些运输单位和个人只顾自己利益,不顾国家利益,让汽车成倍的超载是损坏路面的直接原因。请你运用所学知识解释汽车严重超载加快路面损坏的原因(只需答出一种合理的原因即可)
答案:(1)力的作用效果会使物体形状发生变化,汽车成倍超载,对地面的压力成倍增加,路面的形变加大,容易引起路面断裂。
(2)车成倍超载,对地面压力成倍增加,轮胎个数不变,车与地之间接触面积基本不变,根据压强公式P=F/S可知,车对地面压强成倍增加,对路面破坏加重。
(3)车轮与路面的粗糙程度不变,汽车成倍超载,对地面压力成倍增加,路面受到的摩擦力也就成倍增加,导致路面磨损加快。
点评: 试题情景反映的是一种社会现象,类似的问题生活中也很常见,试题图文并茂,描述问题真实,具有深刻的现实意义.该题不仅关系到科学素养的培养.而且具有公民道德教育的功能.试题是“从生活走向物理,从物理走向社会”理念的典型体现。
分析:有些运输单位和个体运输业主,经常驾驶汽车成倍超载行驶,车轮对路面的压力成倍增大,致使路面严重损坏,给国家财产造成了损失。
我们知道,力的作用效果之一是会使物体形状发生改变,汽车成倍超载,对地面压力成倍增加,路面的形变加大,容易引起路面断裂。
注:本题也可从压强的角度分析原因。“车成倍超载,对地面压力成倍增加,轮胎个数不变,接触面积基本不变,根据压强公式p=F/S可知,车对地面压强成倍增加,对路面破环加重”。
[实验]
前后车轮的摩擦力方向。
车胎打气太足的后果。
角反射器的反射效果。
车铃的振动如何表现出来。
自行车胎与摩托车胎的比较。
急刹车时只用前刹的危害。
[热点问题]
自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具,常见的有普通载重自行车、轻便自行车、山地自行车、童车、赛车、电动自行车等.它结构简单,方便实用,图1和图2是两种常见的自行车,在其中涉及到很多物理知识,包括杠杆、轮轴、摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学知识,下面具体来分析一下.
一、力学知识
1.摩擦方面
理论依据:
摩擦力的大小跟两个因素有关:压力的大小、接触面的粗糙程度。压力越大,摩擦力越大;接触面越粗糙,摩擦力越大。
实际问题:
①自行车外胎、车把套、脚踏板以及刹车块处为什么要有凸凹不平的花纹
自行车外胎有凸凹不平的花纹,这是通过增大自行车与地面间的粗糙程度,来增大摩擦力的,其目的是为了防止自行车打滑。
②自行车为什么能前进?
A当我们骑在自行车上时,由于人和自行车对地面有压力,轮胎和地面之间不光滑,因此自行车与路面之间有摩擦,不过,要问自行车为何能前进?这还是依靠后轮与地面之间的摩擦而产生的,这个摩擦力的方向是向前的。那前轮的摩擦力是干什么的?阻碍车的运动!其方向与自行车前进方向相反。正是这两个力大小相等,方向相反,所以自行车作匀速运动。(有图片说明)B自行车靠惯性前进时,前后轮受到的摩擦力方向均向后,这两个力均是自行车前进的阻力.C不过,当人们在地上推自行车前进时,前轮和后轮的摩擦力方向都向后。那谁和这两个力平衡呢?脚对地面的摩擦力向前!
③刹车以后,自行车为何能停止?
刹车时,刹皮与车圈间的摩擦力,会阻碍后轮的转动。手的压力越大,刹皮对车圈的压力就越大,产生的摩擦力也就越大,后轮就转动的越慢。如果完全刹死,这时后轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦力(原来为滚动摩擦,方向向前),方向向后,阻碍了自行车的运动,因此就停下来了。
前剎片是利用摩擦力使車輪減速,同時在接地點產生向後的摩擦力來使車體減速。以前輪夾式剎車和傳統後輪軸心的盤式剎車來比較,對同樣大小的剎車壓力而言,前者因力臂較長,會比後者有較大的力 矩,效果較佳。
④自行车哪些地方安有钢珠?为什么安钢珠?
在自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处,脚蹬转动处等地方,都安有钢珠。
人们骑自行车总是希望轻松、灵活、省力。而用滚动代替滑动就可以大大减小摩擦力,因此要在自行车转动的地方安装钢珠,我们可以经常加润滑油,使接触面彼此离开,这样就可以使摩擦力变得更小。
?自行车在行驶的过程中,各个相互接触的部件间产生相对运动,这些地方就存在摩擦。 ????手与车把间摩擦、车轮与地面间摩擦、闸皮与车轮间的摩擦等都是有益摩擦。用摩擦系数较大的橡胶制作车把上的胶套,在胶套上刻上花纹来增大手与车把间摩擦;在轮胎外壳上刻上花纹来增大车轮与地面间摩擦;,采用增大压力的方法来增大闸皮与车轮间的摩擦。 ????前轴、中轴、后轴、脚蹬、车把与车架间等各个转动部位的摩擦都属于有害摩擦。减小这些有害摩擦的方法是在转动部位安装轴承,利用滚动摩擦代替了滑动摩擦;通过向这些部位加上黄油(钙基润滑脂)或机油进行润滑。
车胎充足气后,车轮与道路的接触面积小,摩擦阻力相应减小,使得行驶较轻松。
实验:前后轮摩擦力方面的问题
在开始课题研究时,指导老师和我们提出了一个问题:“前后轮所受摩擦力方向是否一致?”我们几个人异口同声地说“不同”,但具体是什么方向,我们也说不好。
正好,有些同学研究黑板擦问题。他们用黑板擦在黑板上滑动时,可以清楚地看到毛毡面变形,而变形方向与相对滑动方向恰恰相反,我们从中大受启发。
最后我们确定实验研究法。
前轮:将一条厚海绵裹在车轮上,固定好,让前轮自由转动,保持前进状态,然后刹车,这时车轮下的海绵都挤在车轮着地点的后方,由此推知地面给前轮一个向后的摩擦力与车前进方向相反,是阻力;对于后轮,我们先把它架空,驱动脚蹬,使车轮转起来,然后让它着地,在着地的一瞬间,发现海绵挤在车轮着地点的前面,实验表明地面给车后轮一个向前的磨擦力,导致车前进,这也就是自行车能前进的原因。
结论:前轮受的磨擦力向后,后轮受的磨擦力向前。后轮提供车前进的动力。
2.压强方面
计算:(1)一般情况下,充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10Cm×5cm=100×cm2,当一普通的成年人骑自行车前进时,自行车对地面的压力大约为F=(500N+150N)=650N,可以计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa.
(4)自行车的内胎要充够足量的气体,在气体的体积、温度一定时,气体的质量越大,压强越大.自行车轮胎不是木制、铁轮的而是在轮胎中充气的好处:压缩空气具有很大的压强,以减弱沿地面行驶时产生的震动。但是应注意的是,轮胎中充气不能过满。特别是在夏天,轮胎中的压缩气体受热膨胀,当膨胀到一定程度时,轮胎的体积不再变化而压强逐渐增大,根据物理知识p T,内部压强增大,会导致爆破,因此在夏天不要将自行车停放在太阳底下,以免造成同样的后果。
輪胎若胎壓不夠,騎起來將非常吃力,這是因為摩擦力減少的原因,當胎壓不足時,我們施的力量會有一部份用於使輪胎拉扯形變,所以感到費力許多,這種情形若是曾騎過沒有胎壓的單車,都會印象深刻
气门芯的作用:充气内胎上的气门芯,起着单向阀门的作用,只让气体进入,不让气体外漏,方便进气,保证充气内胎的密封。
(1)自行车车胎上刻有载重量。如车载过重,则车胎受到压强太大而被压破。
(2)座垫呈马鞍型,是人体体重的支撑面,具有良好的强度和弹性,它能够增大座垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车不易感到疲劳。
(2)在车轴拧螺母处要加一个垫圈,来增大受力面积,以减小压强.
(3)自行车的脚踏板做得扁而平,来增大受力面积,以减小它对脚的压强,
近几年来,人们又研究出了一些提高自行车稳定性的部件,例如:避震前叉:车胎充足气后,车轮与道路的接触面积小,摩擦阻力相应减小,使得行驶较轻松。但是,一旦遇上高低不平的道路,就会颠簸不稳,特别是前叉震动更加厉害。采用避震前叉可以起到以下一些作用:
将车架和前轮弹性的连接在一起,可吸收并缓解因路面不平而传递给车架的冲击和震动,保持乘骑舒适和平稳。
由于减震装置具有缓冲作用,可以避免某些零件因过分震动而损坏。
减震装置能传递垂直力,驱动力,侧向力以及相应产生的力矩,确保骑行舒畅。
3.轮轴方面
(1)自行车的车把相当于一个轮轴,车把相当于轮,前轴为轴,是一个省力杠杆,如图3所示.手把連接前輪的轉向機制是輪軸的哂茫?话闶缗?囀职汛蠖啾容^寬,就是因為把“輪”的半徑加大,可以更省力,騎起來很優雅,有淑女的氣質。
(2)自行车的脚踏板与中轴也相当于一个轮轴,实质为一个省力杠杆.
(3)自行车的飞轮也相当于一个省力的轮轴.
A、中轴上的脚蹬和花盘齿轮:组成省力轮轴(脚蹬半径大于花盘齿轮半径)。
B、自行车手把与前叉轴:组成省力轮轴(手把转动的半径大于前叉轴的半径)。
C、后轴上的齿轮和后轮:组成费力轮轴(齿轮半径小于后轮半径)。
??执行部分中的车把、控制部分中的车闸把、后闸部件中的前曲拐、后曲拐及支架、货架上的弹簧夹、车铃的按钮等部件都属于杠杆。 ????传动部分中的脚蹬与大齿轮盘构成一个动力作用在轮上的省力轮轴,飞轮与后轮则构成一个动力作用在轴上的费力轮轴;执行部分的车把也可以看作一个轮轴。   脚蹬和牙盘之间是省力的轮轴。因为脚蹬转动半径大于牙盘,所以蹬车时不必费太大的力。
設前齒輪半徑a、後齒輪半徑b,a/b的比值愈大,可以愈省力,但省力一定較費時,所以車騎不快,一般在起動時會把a/b調小一點,比較容易克服最大靜摩擦力,之後再把比值變大。一輛十段變速的自行車有兩個不同半徑的前輪,後面有五個,以共有十種組合。
后齿轮半径越小(在时间及驱动力相同的情况下)后轮角速度越快。这验证了当初的猜想。人们需要更大启动速度时应将链条挂到小轮上,这样在同样力的作用下有更大的速度。
传动部分中的脚蹬与大齿轮盘构成一个动力作用在轮上的省力轮轴,飞轮与后轮则构成一个动力作用在轴上的费力轮轴;执行部分的车把也可以看作一个轮轴。
使用带齿的轮盘与链条相互咬合代替了皮带传动,增大了磨擦,更有力地带动了“飞轮”的转动。
使用充气轮胎,还涉及了一个动量定理的物理知识,只有使t变长,F才能变小,从而起到缓冲作用。自行车是一种机械,它由许多的简单机械构成: 4.杠杆方面
A、控制前轮转向的杠杆:自行车的车把,是省力杠杆,人们用很小的力就能转动自行车前轮,来控制自行车的运动方向和自行车的平衡。
B、控制刹车闸的杠杆:车把上的闸把是省力杠杆,人们用很小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的钢圈上。
自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大对刹车皮的拉力。自行车为了省力或省距离,还使用了轮轴:脚蹬板与链轮牙盘;后轮与飞轮及龙头与转轴等。
5.惯性方面
(1)当人骑自行车前进时,停止蹬自行车后,自行车仍然向前走,是由于它有惯性.
(2) 骑行自行车进必须遵守交通规则,骑行速度不能太快,以免出现交通事故。骑行过程中需要减速或停车,特别是快速行驶或下坡时,一般情况下要先捏紧后刹车,然后再捏紧前刹车,或者前后一起捏紧,这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去.翻车事故!
快速行驶的自行车,如果突然把前轮刹住,后轮为什么会跳起来。这是因为前轮受到阻力而突然停止运动,但车上的人和后轮没有受到阻力,根据惯性,人和后轮要保持继续向前的运动状态,所以后轮会跳起来。
6.能量转化方面
(1)根据功的原理:省力必定费距离。因此人们在上坡时,常骑“S形”路线就是这个道理。
  (2)动能和重力势能的相互转化。
  如骑车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,就容易上去些,这里是动能转化为势能。而骑车下坡,不用蹬,车速也越来越快,此为势能转化为动能。
(3)如图4所示,自行车的车梯上挂有一个弹簧,在它弹起时,弹簧的弹性势能转化为动能,车梯自动弹起.
骑车者骑行时的输出功率:
V = P / f???????? (V:骑行速度。P:人输出功率。f:骑行阻力)(设计一个功率计算题)
7.声学方面
(1)自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动,而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的.
8.测量中的应用
在测量跑道的长度时,可运用自行车。如普通车轮的直径为0.71米或0.66米。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π,即约2.23米或2.07米,然后,让车沿着跑道滚动,记下滚过的圈数n,则跑道长为n×2.23米或n×2.07米。
9.密度
车架一般采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量,提高强度,较高档的自行车采用低合金钢管制造。为了减少快速行驶的阻力,有的自行车还采用流线型的钢管。
二、热学知识
在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足,是为了防止自行车爆胎,因为对于质量、体积一定的气体,当温度越高,压强越大,当压强达到一定程度时,若超过了轮胎的承受能力,就会发生爆胎的情况.(用气球和电吹风演示)
三、光学知识
在日常生活中,自行车的后面都装有一个反光镜,它的设计很巧妙,组成如图6所示,它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角,用其内表面作为反射面,这叫角反射器.当有光线从任意角度射向尾灯时,它都能把光“反向射回”,当光线射向反光镜时,会使后面的人很容易看到.在夜间,当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上,无论入射方向如何,反射光都能反射到汽车上,其光强远大于一般的漫反射光,就如发光的红灯,足以让汽车的司机观察到.(有flash演示)
四、电学方面
在有些自行车上装有小型的发电装置,它利用摩擦转动,就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样,发出的电能供给车灯工作,起到一定的照明作用.
[作者单位:王敬龙 (067000)河北省承德市民族师专附属中学]
心理学研究表明,人的思维是由问题开始的。爱因斯坦指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要,因为解决问题也许仅是数学上的或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能性,从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想象力;而且标志着科学的真正进步。” 居里夫人说要敢于发表自己的观点。 由此可见,在物理教学过程中,处于教学活动主导地位的教师,对学生提出问题能力的培养,是课堂教学不可缺少的一环 。
我国古代的简单机械(斜面)
  我国古代的农业、手工业、建筑业和运输业是比较发达的,因此简单机械的成就也是辉煌的,杠杆、斜面、辘轳等的应用非常广泛。
  斜面的记述和应用也是《墨经》中首先记载的,古时把斜面称为“梯”。叙述了放在梯上的物体不能水平和垂直放置,说明放在斜面上的物体要向下滑动。同时墨家还设计了“车梯”,利用它来提高重物可以节省人力。车梯的构造也很巧妙,它是一种装有滑轮的前低后高的斜面车。虽然当时没有提出利用斜面可以省力的道理,但省力的思想是包函在其中的。到了汉代,王充对斜面做了进一步的叙述,大意是说载重之车在斜面上必须有强力拉或推,才能向上运动,如果失去拉力或推力,车就会向下运动。尖劈的运用在春秋战国以前就开始了,古人知道用它可以使小力发挥大力的作用,且两面的夹角愈小,发挥力的作用愈大。尖劈在我国的发展经过了漫长的岁月,从古猿人打猎用的石头尖劈,经长期的改进,发展到今天各式各样的金属尖劈,被广泛应用在生产工具、兵器和日常生活中。
一些机器设备的效率
  离心式水泵 60%~80%  柴油机 28%—37%
  起重机   49%~50%  汽油机 22%~27%  
  电动机   80%~90%  燃气轮机 20%~30%
  蒸气机   6%—15%  空气喷气发动机50%—60%
自行车给人们的生活带来了交通的便利。自行车的车轮由初期的木轮、铁轮,发展到今天的充气的橡胶轮。若将其充气橡胶轮换成铁轮子,请运用物理学的知识列出两点不妥之处。
铁轮子质量太大,惯性太大,不容易使用;与地面摩擦力小,容易打滑;弹性系数太大,不容易变形,没有缓冲等等.
物理研究型学习
——自行车中的力学

初三(4)班 许晖
自行车中的力学
自行车——这一令人熟知的大众化的交通工具,即使在科技、文化、政治、经济发达的今天,它依然备受老百姓青睐,它的飞速发展历程证明了科学在改变着这个世界。
一、自行车的概念及组成部分
传动装置:包括主动齿轮(轮盘)、被动齿轮(飞轮)、链条及变速器。
齿轮比:主动齿轮(轮盘)、被动齿轮(飞轮)的齿数之比;
传动比:齿轮比乘以后轮的直径;
传动行程:传动比再乘以圆周率即为传动行程,即每蹬踏一周单车前进的距离(以上查阅网络资料)。
二、自行车中的力学应用
(一)运动和力的应用。
自行车的外胎、车把手塑料套、踏板套等处均有凹凸不平的花纹以增大摩擦,刹车时,手用力握紧车闸把,增到刹车皮对车轮钢圈的压力,以达到制止车轮滚动的目的,所以车能够迅速制动。
车的前轴,中轴及后轴均采用滚动轴承以减小摩擦,在这些部件上,人们常常加润滑油进一步减小摩擦。
1、弹簧的减震作用
车坐垫下安有粗的螺旋状的弹簧,利用它的缓冲作用以减小震动。
(二)压强知识的应用
1、自行车负重
自行车的车胎上刻有载重量,明确告诉人们:不能超载,如果车载过量,车胎受力面积不变,则车胎受到太大的压强将被压破。
2、车座上的物理
坐垫呈马鞍型,它能够增大坐垫与人体的接触面积以减小臀部所受压强,使人骑车时感到较舒适。
(三)简单机械知识的应用
自行车制动系统中的车闸把与连杆是一个省力杠杆,可增大刹车皮的拉力,另外,链轮牙盘与脚蹬、后轮与飞轮、车轮头与转轴等都是轮轴,利用它们可以省力。
(四)功和能的知识运用
1、人们在骑自行车上较陡的坡时,往往走“S”形路线,这是根据功的原理,如图:坡长相当于斜面长,坡高相当于斜面高,根据功的原理:W1=W2,即FL=GH亦可写作 ,可看出,斜面长L是斜面高H的几倍,所用力F就是重力G的几分之一,所以,在高度H不变的情况下,斜面越长越省力,走“S” 形路线是为了增大斜面长,从而能顺利上坡。
2、动能和势能的相互转化
骑自行车上坡前,人们往往要加紧蹬几下,使车的速度(动能)增大,“动能冲坡”以加大的动能转化为较大的势能,能够较容易到达坡顶,而骑车下坡时,不用脚蹬车速也越来越快,这是势能转化为动能,动能不断增大,所以车速也不断增大。
(五)刹车和惯性
自行车高速行驶特别是下坡时,不能单独用前闸刹车,否则会出现翻车事故,其原因是:前炸刹车,前轮被迫静止,而作为驱动的后轮车架和骑车人由于惯性还要保持原有的高速运动的趋势,这时就会以前轮与地面接触处为支点,向前翻转,造成翻车事故。
(六)测量中的应用
在测量道路的长度时,可运用自行车如24型车轮直径为0.62米,26型车轮直径为0.66米,车轮转过一圈长度为直径乘以圆周率π得1.95米或2.07米,然后,让车沿着跑道滚动,记下滚过的圈数N,则跑道N×1.95米或N×2.07米。
(七)热膨胀知识
在炎热的夏天,车胎内的气不能充的太足,更不能放在烈日下暴晒,因为车胎内的空气受热急剧膨胀,压强猛增会将车胎胀破。
(八)机械能与内能的转化
用打气筒给车胎打气,过一会儿,筒璧会热起来,这是因为压缩筒内气体和克服活塞与筒璧的摩擦做功,使筒璧内能增加,温度升高,所以筒璧会发热。
(九)自行车中轴齿轮的转动与受力
自行车的基本框架是三角形架,三角形架下面的顶点固定着可以灵活转动的中轴以及和中轴固联的大齿轮,脚踏板由连杆连接轴处,大齿盘通过链条和小齿盘连接起来。大齿盘在转动过程中受到的力总共有三个,一个是人对踏脚板施加的力,另一个是绷紧的链条对大齿盘施加的力,第三个是三脚架对中轴的支持力。在这三个作用力中,只有前两个作用力对转动产生影响,其中人对踏脚板施加的力矩,对大齿盘的转动而言是动力矩;绷紧的链条对大齿盘施加的力矩对大齿盘的轴而言是阻力矩。当自行车在水平路面匀速运动时,阻力矩与动力矩平衡;当自行车在水平路面加速运动时,人施加的力产生的动力矩大于链条施加的阻力矩;当自行车在水平路面减速运动时,人施加的力产生的动力矩小于链条施加的阻力矩。
(十)自行车后轮的转动与受力
人在骑车过程中,自行车的后轮总共受到四个力的作用:一个是后轮的重力和来自车架作用在后轴上的压力;第二个是地面对后轮竖直向上的支持力,力的方向经过后轴;第三个是大齿盘转动带动链条张力作用给小齿盘,带动小齿盘和后车轮同步转动;第四个是后轮和地面的接触点受到地面给予的静摩擦力。前两个力经过后轴,对后轮不产生力矩,后两个相对于后轴而言产生力矩。链条对小齿盘施加的力对后轴而言产生的是动力矩,带动后轮转动;后轮在转动过程中受到向前的静摩擦力,对后轴而言产生的力矩是阻力矩;当自行车在水平路面匀速运动时,链条产生的动力矩和地面对后轮施加的向前的静摩擦力产生的阻力矩相互平衡;当自行车在水平路面加速运动时,链条产生的动力矩大于地面对后轮施加的向前的静摩擦力产生的阻力矩;当自行车在水平路面减速运动时,链条产生的动力矩小于地面对后轮施加的向前的静摩擦力产生的阻力矩。
(十一)自行车前轮的转动和受力
自行车的前轮在转动的过程中,受到三个力的作用:一个是前插施加在前轴上的压力,这个压力可以分解为一个竖直向下的压力,一个水平向前的推力,正是这个推力的作用,使得前轮具有向前平动的趋势。另一个是地面竖直向上施加给前轮的支持力,这个支持力与前插施加给前轮竖直向下的压力和前轮重力的合力大小相等?

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