校本课程教材 (物理科)

校本课程教材

（物理科）

生

活

中

的

物

理

理

溧阳市第三中学物理组古旭海刘职璠编著

目录

第一课、过山车中的物理知识（1）第二课、自行车中的物理知识堂教学（4）第三课、江河大堤与水库大坝（11）第四课、体育中的物理（14）第五课、GPS－全球定位系统（21）第六课、汽车安全气囊系统组成及其工作原理（29）第七课、电饭锅工作原理及保养常识（36）第八课、微波炉的工作原理（39）第九课、激光（48）第十课、磁浮火车（54）第十一课、超声波的应用（57）第十二课、载人航天三大难题（61）第十三课、看照片的艺术（65）第十四课、了解冰箱的构造（70）

第一课过山车中的物理知识

过山车是一项富有刺激性的娱

乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的

快感令不少人着迷。如果你对物理学

感兴趣，那幺在乘坐过山车的过程中

不仅能够体验到冒险的快感，还有助

于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可

言。这次同物理学打交道不用动脑子，

只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行

了，当然，如果你的身体条件和心理

承受能力的限制，无法亲身体验过山

车带来的种种感受，你不妨站在一旁

仔细观察过山车的运动和乘坐者的反

应。

在开始旅行时，过山车的小列车

是靠一个机械装置的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿着轨道行驶的惟一的"发动机"将是引力势能，即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。对过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到"山丘"的顶峰时最大。当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，也就是运动能。不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和势能）。这就是为什幺要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因：过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了。过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样，乘坐在最后一节车厢的人就能快速地达到和跨越最高点，从而产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向

下。尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨甩出去。车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要"等待"质量中心越过高点被引力推动。

到达“疯狂之圈”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。事实上，在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生了的一种向心力。这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是为了"平衡"引力的制动效应。当过山车达到圆形轨道的最高点时，事实上它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程，机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由气缸来控制的。

第二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．