12.4 跨学科实践：自行车-2024-2025学年八年级物理下册教科版

12.4 跨学科实践：自行车 自行车—伟大的人力机械发明，自行车的设计、制造、使用、保养，处处都有物理学的身影。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 一、自行车的结构 自行车主要由支撑系统、轮组系统、变速系统、刹车系统、避震系统等组成。 1.轮轴、杠杆方面 （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。 （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）自行车的刹车把相当于一个省力杠杆。 二、自行车与物理 2.压强方面 （1）自行车的脚踏板做的扁而平，来增大受力面积，以减小它对脚的压强。 （2）自行车的车座做的扁而平，来增大受力面积，以减小它对身体的压强。 3.摩擦方面 （1）自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车皮处均刻有一些花纹，增大接触面积粗糙程度，增大摩擦力。 （2）车轴处经常要滴一些润滑油，使摩擦面分离，来减小摩擦力。 （3）车轴处轴承内有滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，使转动方便。 （4）刹车时，需要捏紧刹车把，以增大刹车皮与车圈之间的压力，从而增大摩擦力。 （5）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。 4.能量转化方面 （1）当人骑自行车下坡时（停止蹬脚踏板），速度越来越快，是由于下坡时人和自行车的重力势能转化为人和自行车的动能。 （2）当人骑自行车上坡之前要紧蹬几下，目的是增大速度，来增大人和自行车的动能，这样上坡时动能转化为重力势能，能上的更高一些。 （3）自行车的车梯上挂有一个弹簧，在它弹起时，弹簧的弹性势能转化为动能，车梯自动弹起。 你还能想到自行车有哪些物理知识吗？ 声学方面--自行车的车铃 光学方面--自行车的反光镜 自行车架--三角形结构 三角形有助于提高自行车的稳定性 1.观察一辆自行车，看一看自行车上有哪些简单机械。想一想，这些机械有什么作用？ 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？为什么自行车轮胎有花纹？ 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？ 4. 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？ 观察 ①分析：轮胎是由橡胶做成的。 ②优点：首先，橡胶具有出色的耐磨性，这意味着轮胎的使用寿命会更长。其次，橡胶的弹性极佳，作为轮胎材料可以吸收大量振动能量，有助于自行车在行驶过程中保持平稳，减轻震动和颠簸感。 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）. 如图所示，中轴上的脚蹬和齿盘组成省力轮轴； 分析：由于脚蹬半径大于齿盘半径，所以作用在脚蹬上的动力F 就小于齿盘上的阻力，因此骑行比走路更省力。 人骑自行车比走路运动快的原因 ①自行车和走路都是靠摩擦力驱动的。但是骑车时受到的摩擦力更小。原因是车轮受到的滚动摩擦力比人鞋底受到的静摩擦力要小得多，根据P=Fv可知，在功率一定时，阻力越小，行驶的速度越大。 ②当我们在路上行走时，身体的重心是在上下发生着变化的。如图所示，人走路时，后脚蹬地重心升高，人要克服重力做功，前脚落地重心降低，重力势能转化为其他形式的能。而在我们骑自行车的时候，重心位置基本是保持不变的，没有额外的消耗。 自行车发展史 Lavf60.16.100 $$