高中物理课题研究性活动——菜刀上的力学知识

研究性活动：菜刀上的力学知识
课题研究的意义：
从课题中发现问题，进行改正。

课题的研究原因：
一提起"刀"这个字，真是无人不知，无人不晓。

"刀"，家家户户都有，而且是必不可少的，几乎每天都用它来切、割、砍、削食物。

所以想通过研究发现其中的问题，解决以后更好的使用。

课题理论依据：
根据目前学的力的受力分析和牛顿的三大力学定律。

《高中物理必修一》
课题研究目标：
目前家庭里经常用的各种刀具：菜刀、水果刀、砍刀、裁纸刀课题研究内容：
实验一：“刀刃的锋利程度”
实验二：“刀把的长短”
实验三：“刀的质量”
课题研究方法：
问卷调查，实验探究
课题研究步骤：
实验一：“刀刃的锋利程度”
实验二：“刀把的长短”
实验三：“刀的质量”
课题可行性分析：
实验用到的刀具平常人家里都有，课题所用的受力分析也比较简单。

课题研究实施计划
1、菜刀的结构及几种常用菜刀。

菜刀主要有刀身、刀刃和刀把三部分组成。

2、菜刀的种类、特点以及不同用途
市场上提供的菜刀的种类繁多，通过走访刀具市场、铁匠店等处，初步了解到与我们生活密切联系且使用频率较高的菜刀主要有以下几种：普通菜刀、水果刀、带锯条的锯齿刀、剁骨刀等．这些刀具的外观、材料、用途、重量、长短都各不相同。

列表统计如下表：
不同种类的刀有其不同的使用范围及用法，下面我们以不同的实验来探究刀的不同性能。

实验一：“刀的锋利程度”
首先，我们来观察普通菜刀、水果刀、砍刀的外形特点和刀身的厚薄并测量。

观察表格可知刀刃由厚到薄依次是：砍刀、菜刀、水果刀。

我们有通过实验进行比较研究。

对比实验一：使用各种刀具切土豆
对比实验二：用同样大小的力去划同一本废书。

由上述实验，我们可以得到：
刀越锋利，划切物体越容易，即刀口越薄，越容易切物体。

由此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。

因此，刀的锋利程度与刀刃厚薄有关。

下面我们来探究一下刀身（主要研究刀把）对于不同刀的作用效果。

实验二：“刀把的长短”
下面是几种刀的刀把的长度数据表：
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。

下面，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，图6 N
又根据力矩平衡原理：M合=0可知：－N×L N+F×L F=0，因为L N>L F，可以得到：N<F。

纸对刀的弹力N与刀对纸的压力N/是一对作用力与反作用力，这样N/<F。

刀划纸的部位离支点距离越小（即阻力臂小于动力臂），人感觉到很轻松，裁开纸的张数较多，说明阻力大于动力，因为F N<L F，可得N>F，又纸对刀的弹力N与刀对纸的压力N//是一对作用力与反作用力，这样N//>F。

同一把刀锋利程度一定，刀对纸的压强与正压力成正比，当F一定时，N//>N/，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。

探究完刀刃，刀身，那么最重要的，也是人们最关心的也就是刀的质量了。

人们会有这样一种意识，如果刀太重或者太轻，应该试用于作用在物体上，在此，人们经常容易形成一定的使用误区，那么，我们现在以实验探究的形式，来科学的展示刀的质量所产生的作用效果。

实验三：刀的质量
在日常生活中，人们不可避免地要使用各种各样的刀，但刀的质量各有不同，砍刀的质量大，水果刀质量小，菜刀居于两者之间，这其中究竟有什么不同呢？
质量不同的刀究竟有何不同？让我们来做一个实验：我们让三把质量不同的刀从相同的对比实验:高度自由落下，切同样一个红薯。

刀口很锋利的水果刀切入红薯却最浅，这是什么原因呢？再来看表中数据，我们发现：水果刀的质量最小，分析后得到：刀的质量大，惯性大，运动状态难以改变。

再让我们用牛顿第二定律来分析一下刀在空中以及切入物体后的受力情况以及加速度、速度。

当刀从相同高空自由落下时，刀以重力加速度g 加速运动。

它接触到物体时的瞬时速度V=gh 2， 当刀接触物体后的合力F a =f —mg
这段时间内刀的加速度 则
刀在物体中的位移
因此，在我们控制高度h 和刀所受阻力f 不变时，刀切入物体的深度随刀的质量增大而增大。

以上三个实验是本次课题研究的所有内容
详细结论见课题研究报告
v
菜刀的力学知识实验报告课题组经过课题探究，得出大量有关菜刀在力学知识方面的学
问，具体如下：
实验一证明：刀刃的截面是三角形且刀尖非常的锐利，即三角形的顶角θ很小，当我们使用菜刀切削食物，给刀刃施加作用力F时，首先，这个力作用在食物上，对食物产生很大的压强，从而把食物割开；同时这个力会产生两个效果，这就是使刀刃的两个侧面推压食物，把物体切开。

由此可知，根据物理必修二所学力学知识，在应用生活实践中应遵循以下刀具力学使用知识。

如：剁骨刀在使用过程中所体现的力学知识．
将刀提起一定高度，需要对刀做功，刀越重，被举得越高，刀获得的重力势能就越多，我们消耗的体力和能量就越多，人就越容易疲劳．
为了能很快剁开骨头，我们并不是让刀自由下落，在刀具下落的同时，给刀施加一个作用力，对刀做功，这样当刀与骨头接触时就能获得很大的速度．根据功能关系，我们对刀作功越多，刀获得动能就越多，刀口与骨头的作用时间越短，根据动量定理可知，刀口与骨头之间产生的作用力越大，效果就越明显．
实验二证明：不同的菜刀，有不同的刀身，从而产生不同的作用效果。

刀身的形状有很大的不同，常用的菜刀，刀身呈长方形，厚度一般为1mm左右．剁肉用的肉刀（肉斧），刀身呈圆弧形，且非常厚实；水果刀，整体较小，刀身长而窄，质地较轻。

这些刀的形状是由它们的用途决定的．对于肉刀，因为要切肉，同时，还要剁肉骨头，所以需要质量较大的刀，当菜刀以一定的速度去切肉或剁肉骨头时，质量大的菜刀就会对食物产生较大的作用力，从而达到切削食物的目的．而对于水果刀，切割的是水果，相对较脆，切削时不需要很大的作用力，所以质地较轻的水果刀惯性小、容易操作．菜刀由刀把和刀身组成，刀身的质量越大，刀的惯性越大．刀的质量主要取决于刀刃的质量，刀刃一般用弹簧钢制成，涉及力学中的密度、硬度等物理知识；刀把的长短涉及力学中的力矩知识．由此可知，在生活运用过程中，人们可根据实际需要，选择不同
刀身长度的菜刀。

实验三证明：刀的质量大小对刀具的使用有很大的影响，当菜刀在接触物体后速度的改变率一样的情况下，质量大的刀所受切割物体的作用力一定大，因此刀对切割物体的作用力也越大．
由此，我们在使用不同的质量刀时应该有意识的注意其用法的不同。

即：切相同的物体，切的质量越大，使用起来就越省力。

但是，在日常生活却没有用砍刀来削苹果，而且在前面的调查中，有超过1/3的人就认为“刀的质量大小与所切物体有关”，是不是我们分析中出现了解什么差错呢？因此，我们又一次分析了一下物体的受力情况：
由牛顿第三定律得到：刀受的阻力f等于刀对物体的力F，
所以F=ma—mg=
因为刀切物体中动物的时间都约为0.1s，我们假设这个时间恒定为0.1s。

所以在我们控制h相同时，刀对物体的力F随质量的增大而增大。

因此，我们可以准确地得出：刀的质量越大，使用时越省力，但有时使用省力，切出的物体却不能达到最好的效果。

因此，有人往往会随物体的不同来选择质量不同的刀。

以上是菜刀中的力学知识，通过本次实验探究，组员们逐渐认识到，生活中的小细节也有如此多的科学文化知识，所以，作为新一代的祖国未来的希望，我们应该认真学习文化知识，将其运用至生活。

俗话说：细节决定成败，你是否也注意到这些出现在我们生活中的小秘密呢！。