研究性学习：菜刀中的力学知识

研究性学习-----菜刀中的力学知识

华北油田第五中学张丽伟

指导教师：张丽伟

组长：白超平

课题组成员：李畅、肖丽丹、王川、薛晓蒙、

孙淼、张航、黄来君

幻灯片制作：白超平、张航、黄来君

年级：高二

主导课程：物理

（设问：）有的同学会问，我们为什么选这个题目呢？

（答：）因为菜刀与我们的生活密切相关，了解菜刀并掌握菜刀的使用是生活实践能力的一种体现，同时就菜刀本身而言，无论是菜刀的材料，还是菜刀自身的结构特征或是菜刀的使用过程，无不与力学知识有关。在生活中，经常出现用普通菜刀剁骨头的现象，不但费时，费力，还会极易卷刀口或造成其它不必要的伤害，或用普通菜刀切冷冻肉，困难很大。以菜刀为题材，研究其中的力学道理，充分地体现了物理与生活实际的联系，对提高我们的理论联系实际的能力以及实践分析能力都大有裨益．我们研究这个课题的目的及意义是：解决人们在使用刀具时的弊端，以及掌握如何正确使用刀具的方法；加深对物理知识的了解，激发我们学习物理的兴趣

研究内容：研究各类刀具的长度、厚度、宽度、质量、锋利程度、外形、刀把长度以及材料，分析讨论不同刀具在不同运用中的力学关系，并且运用物理知识加以解释。

任务分工：

执笔：白超平；

采访资料：组员分为三个组，第一组：白超平、李畅、肖丽单；第二组：孙淼、薛晓朦；第三组：王川。

幻灯片制作：白超平、张航、黄来君。

研究方法及步骤：

（1）资料收集阶段：

到商场、菜市场、饭店、图书馆、互联网上获取一些有关刀具的资料，并走访屠夫，了解他们对刀的认识；

（2）实际研究阶段：

请教父母和厨师，并亲手实验，做深入调查研究。

（3）理论讨论阶段：

在实验的基础上整理资料，得出结论

一、搜集资料的过程

在资料搜集过程中，我们分三个组分头行动，到商场查看各种刀具，到菜市场采访卖肉、卖水果、卖熟食等等，遇到了好多好心的人，但也遭到许多白眼。可谓酸、甜、苦、辣具全。下面我将我们的采访资料向大家进行展示。请看屏幕：

通过对资料的整理、分析，并结合实验，我们得出结论。下面向教师和同学们展示我们的研究成果。

二、研究结果

首先请高二七班的张航同学介绍：菜刀的结构、种类、特点及用途

1、菜刀的结构

同学们请看屏幕，菜刀由哪几部分组成？

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、菜市场、饭店等处，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．

请看图表：

下面有请白超平同学为我们继续讲解：菜刀中的力学知识

3、菜刀中的力学知识：

1．力的合成与分解原理

力的合成与分解满足平行四边形定则

2．压强的原理 压强的公式可以表示为

S

F p =，在压力F 一定的条件下，压强p 与受力面积S 成反比． a ）刀刃：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，应用力的合成和分解的知识可知：

如图所示，垂直侧面的两个作用效果可以用f 1和f 2表示，为作用 力F 的分力．若刀刃的截面是等腰三角形，根据力的平行四边形定则可知，f 1＝f 2=2sin 2θF

F 。 因此，θ越小，刀刃越锋利，受力面积越小，同时对刀刃的两个侧面对食物产生的较大，菜刀越

容易切削物体，我们磨刀的目的就是减小刀刃的顶角。但不足之处，刀刃越锋利，刀刃的强度和刚性会相对减弱．

3．力矩的平衡原理（杠杆原理）

当菜刀切蔬菜时，刀的最前缘作为支点．当力Ｆ作用在刀把上时如图所示，此时的动力臂为ＡＣ，同时，物体给刀阻力Ｆ’，阻力臂为ＡＢ可以明显的看出，ＡＣ＞ＡＢ，所以动力臂大于阻力臂，杠杆

省力，易于切菜

例：屠夫经常用来剁肉的肉斧的刀身是圆形的，家

用的剁骨刀或切冻肉的刀前端上翘，如图。为什么做成这样的形状呢？

如用刀面是矩形的刀剁骨头，当刀的前端接触骨头时，手会感到刀把向下震，如图1；当刀的后端接触骨头时，手会感到刀把向上震，如图2；有那么一个位置，刀上的这一点剁到物体上时，手感十分轻松．这是因为绕轴转动的任何物体都存在一个“打击中心”，当力的作用线通过“打击中心”时，

屠夫

经常用来剁肉

的肉斧的刀身

是圆形的，这

是为了在剁肉

骨头时，不管

刀的哪一个部

位与肉骨头接触，都能保证，肉骨头对刀的作用力基本上通过以刀柄为转动轴的“打击中心”（O 点），刀的转动作用较小，这样就可以减小剁肉时刀对手的作用．

4．动量定理

物体所受合力的冲量等于物体的动量变化，这个结论叫做动量定理，用公式表示为 F 合t ＝

mv 末一mv 初=m △v 或F 合t=p 末一p 初=△p

从动量定理中可以得出：

（1）F 合＝m △v/t,

（2）F 合＝m △v/t,

例如图4，刀挥动的越快，刀

获得的速度越大，与食物接触的速

度变化越大，作用时间越短，产生

的作用力就越大，越容易将食物切

开。

如图5，刀挥动的快慢相同，

质量越大的产生的作用力越大。

5．功的原理及功能原理

功的公式：W=FS

动能定理：W 总=△E K

例如：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．

问：是否刀且的使用，质量越大的越好呢？为什么刀具形状多种多样呢？

答：这些刀的形状、质量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，切削时不需图2 图3 4 图5