物理校本课程教材《身边的物理学》

校本课程教材

（物理科）

身

边

的

物

理

学

古柏小学物理组编著

目录

第一课、自行车中的物理知识堂教学------------------（3）

第二课、过山车中的物理知识 -----------------------（10）第三课、江河大堤与水库大坝-----------------------------------（13）第四课、体育中的物理------------------------------（16）第五课、汽车安全气囊系统组成及其工作原理----------------（23）第六课、电饭锅工作原理及保养常识----------------------------（30）第七课、微波炉的工作原理-----------------------------------------（33）第八课、了解冰箱的构造---------------------------------------------（42）

第一课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