4 跨学科实践：自行车（教学课件）物理新教材教科版八年级下册

第4节 跨学科实践 自行车 八年级物理下册 •教科版 第十二章—机械能 教学引入 1 　　自行车——伟大的人力机械发明，由杠杆、轮轴等简单机械组成。200多年来，工程师们利用物理学、材料学、人体工程学等的研究成果不断对自行车进行改进，使其从最初的简单、粗糙，演变为如今的精致、舒适、多样。今日的自行车体现了技术的发展和人类智慧的长期积累。 自行车的设计、制造、使用、保养，处处都有物理学的身影。 竞赛型自行车 载重型自行车 自行车的结构 2 自行车的结构 1.自行车类型 常见的有普通型自行车、载重型自行车、运动型自行车、竞赛型自行车、轻便型自行车、特种型自行车等。 普通型自行车 运动型自行车 轻便型自行车 特种型自行车 自行车的结构 2 2.自行车的结构 主要由支撑系统、轮组系统、变速系统、刹车系统、避震系统等组成。 支撑系统 车架、前叉、车把、车座、座杆、脚蹬等 轮组系统 轮圈、辐条、花鼓、轮胎等 变速系统 变速把手、前变速器、后变速器、飞轮等 刹车系统 刹车把手、刹车线、刹车片、刹车盘等 避震系统 前又减震器、后避震器等 自行车与物理 3 自行车与物理 观察 1. 观察一辆自行车，看一看自行车上有哪些简单机械。 曲中柄 部位 刹车把手 车把 车轮 踏板 变速 系统 螺丝与螺母 导轮 调节 螺钉 杠杆 类型 杠杆 轮轴 轮轴 轮轴 斜面 螺旋 滑轮 螺旋 省力，费距离，曲中柄长度越长，越能轻松地传递动力 作用 省力，通过较小的力产生制动力 省力，轻松改变自行车前进的方向 省力，减少摩擦力，提高骑行效率 费力，需要用更多的力量踩踏板，推动链条盘，提供了更高效的能量转化 轮圈、辐条、花鼓、轮胎等 刹车把手、刹车线、刹车片、刹车盘等 变速把手、前变速器、后变速器、飞轮等 前又减震器、后避震器等 想一想，这些机械有什么作用？ 自行车与物理 3 2. 观察自行车的轮胎，看一看轮胎是由什么材料做成的。 想一想，这种材料有什么优点？ 　　轮胎采用高弹性橡胶做成，高弹性橡胶不仅能增强轮胎的耐用性，还能有效吸收震动，提升骑行的舒适度。同时，橡胶的摩擦力较高，有助于增加抓地力和稳定性。 自行车与物理 3 为什么自行车轮胎有花纹？ 　　轮胎表面的花纹有助于在不同的路面条件下提供更好的抓地力，增强了车辆的稳定性，尤其是湿滑的路面上。 ①轮胎花纹可以提供抓地力： ②排水防滑： 花纹设计可以帮助排出水分，降低打滑的风险。 ③减少滚动阻力： 　　轮胎、车把手和脚踏板上的花纹设计，是在压力一定时通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力。 自行车与物理 3 3.观察自行车的各种部件，想一想，哪些设计增强了骑行的舒适性? 马鞍型坐垫 自行车的坐垫设计成马鞍型，能够增大与人体的接触面积，从而有效减小臀部承受的压强。 前叉减震器、后避震器 减震器是自行车的重要组件，能够减小在崎岖的路面上骑行时的颠簸程度，并有效限制震动传递到骑行者的身体。 自行车与物理 3 脚蹬设计得较宽，是为了增大与脚的接触面积，从而减小脚部承受的压强，提高骑行的舒适度。 车把手采用高弹性的海绵材料覆盖，且花纹设计，增大摩擦力的同时，还能有效提升骑行的舒适度。 脚蹬 舒适的握把 自行车与物理 3 4.观察观察自行车是如何传动的，想一想，为什么自行车比人运动得快？ 　　在驱动系统中，有两组简单机械，即省力轮轴(中轴上的脚蹬、曲中柄与齿盘)和费力轮轴(后轴上的飞轮和后轮)。 自行车与物理 3 　　以中轴O1，为支点，人通过脚蹬施加动力F1，其动力臂为l1，链条对齿盘施加阻力F2，其阻力臂为l2。因l1>l2，根据杠杆平衡条件可知，F1＜F2，所以该设计可以省力。 省力轮轴 O1 F1 F2 　　整个后轮(包括飞轮)，以后花鼓的中心O2为支点，链条施加的力为动力F3，其动力臂为l3，地面对后轮施加的摩擦力为阻力F4，其阻力臂为l4。因l3＜l4，根据杠杆平衡条件可知，F3＞F4，所以这是一个费力轮轴。 费力轮轴 O2 F3 F4 l4 l3 l1 l2 自行车与物理 3 　　自行车通过踏板、曲柄、链条飞轮等传动系统将人类的力量转化为车轮的运动。当我们用力蹬脚蹬时，传动装置将力传递到后轮，使后轮能够克服地面的摩擦力和其他阻力前进。当中轴上的大齿轮转动一圈时，它能带动后轮的小齿轮转动多圈，因此人每蹬一圈，车轮带动自行车移动的距离远大于人脚蹬一圈的距离，使得骑行者能以较小的力气获得更大的速度。相较于跑步，骑自行车利用杠杆效应、减少摩擦力和风阻等优势，能够达到比人跑步更高的速度。 在骑自行车时，动力是怎样被传到后轮的? 脚蹬 → 齿盘 → 链条 → 飞轮 → 后轮 自行车与物理 3 5.自行车与力学 在骑行过程中，自行车受到了哪些力的作用?这些力产生了怎样的效果? O F支 G F牵 f 骑行时，后轮受到向后的摩擦力f与向前的牵引力F牵。 自行车受到的支持力和重力是一对平衡力。即，G=F支，合力为0N。 围绕自行车来探索 4 围绕自行车来探索 1.活动一：拆装自行车 【活动分析】 　　通过实践活动，熟悉工具的使用方法，并掌握拆、装等操作技能。同时，了解自行车刹车、轮胎、链条等关键结构的保养和维护方法。 【实施实施】 工具：手套、扳手、螺丝刀等。 围绕自行车来探索 4 拆解过程： 第一步：通过上网查阅资料，了解自行车刹车、轮胎、链条等关键结构的保养和维护方法； 第二步：将自行车反转并支撑好，以便进行拆解； 第三步：拧下轮轴螺丝和快速释放器，然后取下车轮； 第四步：松开刹车钳上的螺丝和螺钉，取下刹车钳和柔性油管； 第五步：拆卸自行车的链条，将链条分离，并卸下链轮。 　　将拆下的部件擦拭干净，并在适当的位置加上润滑油，按上述拆解过程逆序安装，并进行调试。 组装过程： 围绕自行车来探索 4 　　通过本次实践活动，我们在拆解和组装自行车的过程中，深入了解了自行车的组成及各个部分的构造掌握了自行车的维护和保养方法。在操作过程中，正确使用工具(如扳手，螺丝刀)至关重要，不当使用可能导致零件损坏。此外，需特别注意安装的顺序，以确保自行车组装完毕后能正常使用。 【活动交流】 围绕自行车来探索 4 2.活动二：自行车主题征文与展示 通过资料查阅、商店咨询和实物研究等方式，选择感兴趣的主题写一篇300字小论文。 参考主题: 自行车发展史　　　　　　　　设计一辆自己的自行车(含设计图纸) 自行车与环境保护　　　　　　自行车与仿生学 自行车与交通安全　　　　　　自行车里的简单机械 自行车与体能训练　　　　　　小小自行车大用途 围绕自行车来探索 4 自行车与仿生学 ①人体工学设计： 车座和把手的位置根据人体结构进行设计，提高了骑行的舒适度； ②运动模仿： 踏板系统模仿腿部自然运动，确保能量高效转化为动力； ③空气动力学： 车架和车轮采用流线型设计，旨在减少空气阻力，提高速度； ④震动控制： 悬挂系统借鉴动物关节的结构，以吸收路面震动，提升骑行的舒适度； ⑤材料使用： 采用轻量化材料，如碳纤维，模仿业物结构，保持车体的轻便和坚固。 课堂练习 5 1. 组成自行车的五大系统中，主要为提高骑行舒适性的是（ ） A.支撑系统 B.轮组系统 C.变速系统 D.避震系统 D 课堂练习 5 2. 在自行车演变的过程中，最成功和持久的是其车架的三角形设计， 车架始终设计成三角形是（ ） A.为了美观 B. 为了减轻车重 C.为了增强车的稳定性 D.为了继承传统设计理念 C 课堂练习 5 3. 自行车是我们熟悉的交通工具，从自行车的结构和使用来看，它涉及不少有关力学的知识。以下各项内容中叙述正确的是（ ） A.车龙头在转动时是一个费力杠杆 B.旋紧自行车的各种紧固螺丝、塑料套紧套在车把手上，这是属于通过增大压力来减小摩擦 C.车的把手上有凹槽、脚踏板凹凸不平，这是通过改变接触面粗糙程度来增大摩擦 D.坐垫呈马鞍型，它能够增大坐垫与人体的受力面积以减小臀部所受的压力 C $$