菜刀上的力学知识

“菜刀上的力学知识”研究性学习报告

一、课题及人员安排

1.课题组的构成：

（1）.组长：张世焘

（2）.组员：伍庆鸿、胡文涛、蔡玮、王璇、罗婷婷、陈蒸子、陈洁

（3）指导老师：夏军申

2. 课题的缘起：刀具，家家户户都有，并且必不可少。刀

上蕴含着许多的力学知识有待我们去探

究。

3. 课题研究的目的：探究刀上的力学知识，将课堂上的知识与生活相结合并更好的运用。

4. 课题研究使用的方法：实验探究法

二、实验部分

1、具体实验及步骤

（1）、实验一：使用各种刀具切土豆

实验器材：菜刀、水果刀、砍刀、裁纸刀

越容易切物体。为什么呢？

我们想到力在面积上的反映------压强。由P=F/S，F 一定，S越小，P越大；S一定，F越大，P越大。因此，刀的锋利程度与刀刃厚薄有关。

（2）、实验二

实验器材：剁骨刀、裁纸刀、普通菜刀、水果刀、电工刀

列：电工刀、剁骨刀、水果刀、普通菜刀、裁纸刀。

接着，我们用卫生纸将各种刀具擦干，再做一个实验：

用五种刀分别裁纸、切馒头、切土豆、并用五块卫生纸分别擦五种刀口，观察其湿度，并观察所切物品的损耗，体会受

将五种刀具按由费力到省力的总趋势排列：电工刀、剁骨刀、水果刀、普通刀、裁纸刀做了几项实验，首先值得提出的问题是：为什么锲形程度的大小会影响用力大小呢？我们首先对刀口进行受力分析：

我们知道，T1、T2是使被切物品裂开的两个力，也是力F （即人对刀施加的外力）的两个相等的分力。

由几何数学分析知：T1=T2= 随着θ角的

增长（即刀口的锲形程度越大）。T1和T2减小，用这种刀口就越难切物体。经我这么一分析，大家一定会明白了，但另一个问题随之产生了——人们往往为什么要用剁骨刀来砍排骨，而不用普通菜刀呢？我们来做一个实验，分别用普通菜刀和剁骨刀来砍排骨，观察排骨的切口深度及刀口是否卷起。现象出现了。剁骨刀砍的两块骨头深度大，用普通菜刀砍的那根骨头的切口的深度小，还有一个重要发现——普通菜刀刀口有点儿卷。产生这种现象的原因是什么呢？再一次观察两种刀具，普通菜刀刀身要比剁骨刀的刀身扁而且平，因而它所能承受的外力较小，容易卷；对剁骨刀刀身厚且不平整，因而它所能承受的外力要大些。

这也使认识到刀身较薄的刀（比如普通菜刀）不能用来砍骨头这一类硬东西，而应该选用刀身较厚的刀（比如剁骨刀）来砍，否则容易将刀口砍缺或砍卷。影响刀的使用寿命。当然，砍硬物品的刀还与刀刃的硬度有关。

（3）、实验三

实验器材：猪草刀、菜刀、水果刀

由上表可知：猪草刀最宽，质量最大；菜刀的宽度较小，质量适中；水果刀的宽度最小，质量最小。以上是我们对刀的宽窄的初步认识，接着我们对刀的宽窄与用途的联系做了具体研究。

通过实验：用菜刀和水果刀切红薯得出：刀身越宽的刀，方

便于切物体；刀身越窄的刀方便于割物体，这是什么原因呢？设F、F＇为人切物体的力，由力的作用效果得Fx，Fy，F＇x，Fy，。因为人切物体最终的效果是一样的。所以Fy=Fy＇，因为α＞θ所以Fx＜Fx＇，所以刀身宽运动的矩离小，而刀身窄运动的距离大，所以刀身窄的刀易割物体，而且身宽的刀易切物体。

那么，刀的宽窄还与哪些物理知识有关呢？我们进行了这样一个实验：两个同学用菜刀和水果刀削苹果皮，不论使用菜刀的哪个同学怎样尽自己最大所能总比用水果刀削皮慢，这又是为何呢？

我们作了简要的分析：菜刀比水果刀宽、质量大，由于惯性与质量有关、质量大，惯性大，运动状态就难改变，使用起来就不方便，而水果刀与菜刀是相反的，使用起来就灵活些。

在日常生活中我们常常看到切蛋糕的刀刀身窄，通过调查，发现人们对这个问题都不太了解，只是人们的一种定向思维，是不是这个问题太神秘呢？下面我们做了一个实验，发现：用菜刀切出的蛋糕轮廓模糊，而用水果刀切出的蛋糕形态美观。这是为何呢？我们研究了一下：由于蛋糕质地较软，而菜刀的质量大于水果刀，因此惯性就大，因而切时就不好把握刀身。

综上所述：（1）刀身窄的刀易于割，比如割肉等有韧性的物体；（2）刀身宽的刀易于切，比如，切黄瓜等比较脆的物体。

通过以上实验，我们可以总结出以下结论：要切西瓜、黄瓜等较脆的东西宜用宽刀，要割肉等有韧性的东西宜用窄刀；要削苹果、切生日蛋糕宜用窄刀切比较适用……合理利用刀上的学问服务于我们的生活，只要我们大胆创新，勇于实践，我们会从生活中得到更多的知识，让我们的生活更方便

实验三、

实验器材：水果刀、砍刀、菜刀、裁纸刀

这些刀的刀把为什么长短不一呢？下面就让我们用物理知识加以分析和解释。

实际上，刀把并一定是指用手握的那部分；事实上，在刀上面以人手来维持刀旋转的一个点（即支点）与动力点之间的一部分才是刀把，刀把可以与刀身同长，可以与手握的那部分同长等等。

我们分别以裁纸刀和普通菜刀作了以下研究：用同样大小的刀来划一本书，发现在下列情况下所划破的纸张的张数有不同，数据如下：

通过上表可以看出：刀划纸的部位离支点的距离越大（即阻力臂大于动力臂），人感觉到很吃力，裁开纸的张数也很少，说明阻力小于动力，又根据力矩平衡原理：M合=0可知：－N×LN+F×LF=0，因为LN>LF，可以得到：NF，又纸对刀的弹力N与刀对纸的压力F//是一对作用力与反作用力，这样F//>F。同一把刀锋利程度一定，即（刀与纸的接触面相等），刀对纸的压强与F/成正比，当F一定时，F//>F/，刀对纸的压强P//>P/，

所以，刀与纸的接触部位与支点的距离越小时，裁开纸的张数就越多。

根据调查显示，大多数人在用力切不同物体时，用法都不同。用刀口约为40cm长的刀切西瓜时，一般以左手按住刀口的顶端，右手下按刀把。用刀口长约10cm长的刀切西瓜时，先把刀插入西瓜内，再按住刀柄，划破西瓜，这些用法一般都是以刀身长为动力臂，这样增加了动力力矩，切开省力些。人们在切质地比较硬的东西时，一般用刀口较短的刀，比较容易划动，这是因为动力力矩大于阻力力矩，要切动硬质物体所需的压强一般较大，阻力也就较大，这样阻力力矩也就大，增加了动力力臂，就可以减少动力，在使用过程中就比较省力。但在现实生活中，人们往往不会是为了省力才制造长短不一的刀把，比如雕刻家用的雕刻刀，刀把比刀口短得多，雕一片小东西并不需要很大的力，但为了方便，却把刀把做得很短，这是为了用一个较大的位移来控制一个较小的位移，这样，就会更精确，不会“走刀”。相反，劈柴用的斧头，实际刀口比刀把短得多，这样，用一个较小的位移来控制一个较大的位移，显得更方便，劈柴也不需要精确。刀把的长短一般由其灵活性和切割的物体的硬度大小有关，所以，在用刀时，质地较硬的物体选刀时刀把要长；质地较软的物体选刀时刀把要短；精确用力时，刀把要短，粗略用力时，刀把要长。综上所述，选好合适的刀把对于方便用刀有很大意义。