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(共23张PPT)
第十二章 机械能
第 4 节 跨学科实践 自行车
创设情景，引入新课
自行车——伟大的人力机械发明，由杠杆、轮轴等简单机械成。200多年来，工程师们利用物理学、材料学、人体工程学等的研究成果不断对自行车进行改进，使其从最初的简单、粗糙，演变为如今的精致、舒适、多样。今日的自行车体现了技术的发展和人类智慧的长期积累。
自行车的设计、制造、使用、保养，处处都有物理学的身影。
自行车的结构
1.自行车类型：
常见的有普通型自行车、载重型自行车、运动型自行车、竞赛型自行车、轻便型自行车、特种型自行车等。
2.自行车的结构
主要由支撑系统、轮组系统、变速系统、刹车系统、避震系统等组成。
自行车与物理
1. 观察一辆自行车，看一看自行车上有哪些简单机械。
想一想，这些机械有什么作用？
2. 观察自行车的轮胎，看一看轮胎是由什么材料做成的。
想一想，这种材料有什么优点？
轮胎采用高弹性橡胶做成，高弹性
橡胶不仅能增强轮胎的耐用性，还能有效吸收震动，提升骑行的舒适度。同时，橡胶的摩擦
力较高，有助于
增加抓地力和稳
定性。
为什么自行车轮胎有花纹？
①轮胎花纹可以提供抓地力：
轮胎表面的花纹有助于在不同的路面条件下提供更好的抓地力，增强了车辆的稳定性，尤
②排水防滑：
其是湿滑的路面上。
花纹设计可以帮助排出水分，降低打滑的风险。
③减少滚动阻力：
轮胎、车把手和脚踏板上的花纹设计，是在压力一定时通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力。
3.观察自行车的各种部件，想一想，哪些设计增强了骑行的舒适性
马鞍型坐垫
自行车的坐垫设计成马鞍型，能够增大与人体的接触面积，从而有效减小臀部承受的压强。
前叉减震器、后避震器
减震器是自行车的重要组件，能够减小在崎岖的路面上骑行时的颠簸程度，并有效限制震动传递到骑行者的身体。
脚蹬
脚蹬设计得较宽，是为了增大与脚的接触面积，从而减小脚部承受的压强，提高骑行的舒适度。
舒适的握把
车把手采用高弹性的海绵材料覆盖，且花纹设计，增大摩擦力的同时，还能有效提升骑行的舒适度。
4.观察观察自行车是如何传动的，想一想，为什么自行车比人运动得快？
在驱动系统中，有两组简单机械，即省力轮轴(中轴上的脚蹬、曲中柄与齿盘)和费力轮轴(后轴上的飞轮和后轮)。
省力轮轴
以中轴O1为支点，人通过脚蹬施加动力F1，其动力臂为l1，链条对齿盘施加阻力F2，其阻力臂为l2。因l1>l2，根据杠杆平衡条件可知，F1＜F2，所以该设计可以省力。
费力轮轴
整个后轮(包括飞轮)，以后花鼓的中心O2为支点，链条施加的力为动力F3，其动力臂为l3，地面对后轮施加的摩擦力为阻力F4，其阻力臂为l4。因为l3＜l4，根据杠杆平衡条件可知，F3＞F4，所以这是一个费力轮轴。
在骑自行车时，动力是怎样被传到后轮的
脚蹬
齿盘
链条
飞轮
后轮
自行车通过踏板、曲柄、链条飞轮等传动系统将人类的力量转化为车轮的运动。当我们用力蹬脚蹬时，传动装置将力传递到后轮，使后轮能够克服地面的摩擦
力和其他阻力前进。当中轴上的大齿轮转动一圈时，它能带动后轮的小齿轮转动多圈，因此人每蹬一圈，车轮带动自行车移动的距离远大于人脚蹬一圈的距离，使得骑行者能以较小的力气获得更大的速度。相较于跑步，骑自行车利用杠杆效应、减少摩擦力和风阻等优势，能够达到比人跑步更高的速度。
5.自行车与力学
在骑行过程中，自行车受到了哪些力的作用 这些力产生了怎样的效果
f
F牵
F支
G
骑行时，后轮受到向后的摩擦
自行车受到的支持力和重力是一对平衡力。即，G=F支，合力为0N。
力f与向前的牵引力F牵。
围绕自行车来探索
1.活动一：拆装自行车
【活动分析】
通过实践活动，熟悉工具的使用方法，并掌握拆、装等操作技能。同时，了解自行车刹车、轮胎、链条等关键结构的保养和维护方法。
【活动实施】
工具：手套、扳手、螺丝刀等。
拆解过程：
第一步：通过上网查阅资料，了解自行车刹车、轮胎、链条等关键结构的保养和维护方法；
第二步：将自行车反转并支撑好，以便进行拆解；
第三步：拧下轮轴螺丝和快速释放器，然后取下车轮；
第五步：拆卸自行车的链条，将链条分离，并卸下链轮。
第四步：松开刹车钳上的螺丝和螺钉，然后取下刹车钳和柔性油管；
组装过程：
将拆下的部件擦拭干净，并在适当的位置加上润滑油，按上述拆解过程逆序安装，并进行调试。
【活动交流】
通过本次实践活动，我们在拆解和组装自行车的过程中，深入了解了自行车的组成及各个部分的构造，掌握了自行车的维护和保养方法。在操作过程中，正确使用工具(如扳手，螺丝刀)至关重要，不当使用可能导致零件损坏，也可能使自己受伤。此外，需特别注意安装的顺序，以确保自行车组装完毕后能正常使用。
2.活动二：自行车主题征文与展示
通过资料查阅、商店咨询和实物研究等方式，选择感兴趣的主题写一篇300字小论文。
参考主题:
自行车发展史
设计一辆自己的自行车(含设计图纸)
自行车与环境保护　
自行车与仿生学
自行车与交通安全　
自行车里的简单机械
自行车与体能训练　
小小自行车大用途
自行车与仿生学
①人体工学设计：
②运动模仿：
车座和把手的位置根据人体结构进行设计，提高了骑行的舒适度；
⑤材料使用：
踏板系统模仿腿部自然运动，确保能量高效转化为动力；
③空气动力学：
车架和车轮采用流线型设计，旨在减少空气阻力，提高速度；
④震动控制：
悬挂系统借鉴动物关节的结构，以吸收路面震动，提升骑行的舒适度；
采用轻量化材料，如碳纤维，模仿业物结构，保持车体的轻便和坚固。
课堂练习
1.自行车是我们熟悉的交通工具，从自行车的结构和使用来看，它涉及不少有关力学的知识。以下各项内容中叙述正确的是（ ）
A.车龙头在转动时是一个费力杠杆
B.旋紧自行车的各种紧固螺丝、塑料套紧套在车把手上，这是属于通过增大压力来减小摩擦
C.车的把手上有凹槽、脚踏板凹凸不平，这是通过改变接触面粗糙程度来增大摩擦
D.坐垫呈马鞍型，它能够增大坐垫与人体的受力面积以减小臀部所受的压力
C
2.组成自行车的五大系统中，主要为提高骑行舒适性的是（ ）
A.支撑系统
B.轮组系统
C.变速系统
D.避震
系统
3.在自行车演变的过程中，最成功和持久的是其车架的三角形设计，车架始终设计成三角形是（ ）
A.为了美观
B. 为了减轻车重
C.为了增强车的
稳定性
D.为了继承传统设计理念
D
C
下课
Thanks!
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