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物理研究学习

自行车上的力学问题

小组成员：

邵燚樊李孟弢李轶劼屠洋洋董生超王家栋等

指导老师：

竺江锋

研究性学习课题开题报告

课题名称

自行车上的力学问题

课题负责人

指导教师

竺江锋

课题组

主要成员

邵燚樊李孟弢李轶劼屠洋洋董生超王家栋

课

题

背

景

目

的

意

义

的

简

要

说

明

我们课题小组带着《水果保鲜研究》课题来找指导老师，开始我们是想通过调查资料、直接调查、实验来进行课题研究。

指导老师指出两点：

1、保鲜技术在校园内进行实验比较困难。

2、资料在图书馆内很难找到，难度很大，建议小组搞些校园内能做的课题，课题可操作性应强些，不能过大过难。

我们仔细一分析，也觉得原课题路茫茫，兴趣就少了一大半。

因此，我们将课题改为《自行车上的力学问题》。

这个课题的优点是可操作性强，可以培养实验动手能力，也能把课本的知识运用于实验中。

主导课程

物理

相关课程

通用

计划访问

专家

校内:

__2位,如___物理教师通用教师_______________等;

校外:

__2__位,如____2位修车师傅_______________等.

活动所需

资料

图书资料:

校图书馆,文化站

实验设备:

电脑,多媒体

交通工具:

公交车,自行车

其他:

电脑设备

预期成果（论文、调研报告、制作模型、实验报告等）

表达形式（文字、图片、实物、音像资料等）

课题活动安排

2010、1、21

准备：

学习《研究性学习课程》实施方案，由指导教师介绍有关综合研究性学习的基本特点和做法。

2010、1、28

选题：

确立总课题及子课题名称为自行车上的力学问题，简要说明本课题研究的背景和意义，并初步框定课题活动方案和安排。

2010、3、14

开题：

根据个人的兴趣、爱好和特长，在指导教师的协调下成立研究小组，适当地分工，明确各自的职责。

2010、3、26

实施：

从学校图书馆或网上查询有关自行车力学的资料，并通过实践等收集掌握必要资料。

2010、4、10

通过实践掌握必要资料后，小组讨论，集体发言，整理。

2010、4、20

交流：

由各研究小组提供查询、调查、访问的资料，交流小组研究所得，形成共同或者不同的见解。

采访修车师傅、物理老师通用老师等。

2010、5、01

结题：

总课题负责人汇总各小组的研究结论，会同各小组负责人共同完成最后研究成果，形成报告。

2010、5、03

评价：

所有课题组成员书面小结，进行自我评价；总课题实施过程和研究结论送学校参加评比。

课题活动情况记录表

第___一___次

课题名称

自行车的的基本构造

全体成员

活动时间

3月26号

活动地点

学校

参加活

动成员

指导老师：

竺江锋

学生：

邵燚樊李孟弢李轶劼屠洋洋董生超王家栋。

活

动

内

容

目的

（解决什么问题）

分析自行车的的基本构造及使用过程中的有关的力学知识

形式

（小组讨论、访问专家、实验、查阅资料、调查、实地测量等）

我们课题小组成员去了学校车棚对学校自行车进行了研究观察

过

程

我们课题小组成员去了学校车棚对学校自行车进行了研究观察

观察了自行车的结构

结果

（得到什么结论、解决了哪些问题、是否完成了预定的目标和计划、出现了什么新问题等）

知道了自行车的结构①车体部分：

包括车架、前叉、车把、鞍座和前叉合件等，是自行车的主体。

　　②传动部分：

包括脚蹬、曲柄、链轮、链条、中轴和飞轮等，由人力踩动脚蹬，通过以上传动件带动车轮旋转，驱车前行。

　　③行动部分：

即前后车轮、包括前后轴部件、辐条、轮辋（车圈）、轮胎等。

　　④安全装置：

包括制动器（车闸）、车灯、车铃、反射装置等。

记录员

李孟弢李轶劼

课题活动情况记录表

第___二___次

课题名称

自行车摩擦力及功率测量

全体成员

活动时间

3月26号

活动地点

学校操场

参加活

动成员

指导老师：

竺江锋

学生：

邵燚樊李孟弢李轶劼屠洋洋董生超王家栋

活

动

内

容

目的

（解决什么问题）

了解骑车的摩擦力及功率的大小

形式

（小组讨论、访问专家、实验、查阅资料、调查、实地测量等）

群体成员到操场上进行实验测试了解骑车的摩擦力及功率的大小

过

程

我们准备了器材：

5个弹簧秤、2个滑轮、自行车，（说明：

多个弹簧秤和滑轮是打算在单个弹簧秤不足时用的）地点选在操场。

进行了实验

结果

（得到什么结论、解决了哪些问题、是否完成了预定的目标和计划、出现了什么新问题等）

1）自行车空车摩擦力约为4N；自行车坐人摩擦约为22N

（2）橡胶轮与地面的滑动摩擦系数约为0．7～0．8（3）自制大量程弹簧秤、最大量秤90N（4）测定人的骑车功率为0．1KW－0．2KW（5）初步体会到研究性课题应如何进行，并对研究性学习浓厚的兴趣。

记录员

董生超王家栋

访谈表

课题名称

自行车上的力学问题

访问者（学生）

董生超、屠杨杨、李孟弢等

访问日期

4月20日

被访问者

姓名

竺江锋

工作单位

浙江华维外国语学校

职务（职称）

中学高级教师

专业（专长）

物理教学

访问地点

办公室

访问方式（电话、书信、面对面、其他）

面对面访谈

访问主题

自行车上的力学问题

访问

记录

竺江锋向我们说明了一些实验的注意事项以及对我们的探究的评价

结论

（专家意见、

建议）

通过交谈我们知道了我们的实验方法存在缺陷需要改进

访问时间

共___20__分钟（或小时）

专家签名:

___竺江锋_______________

课题研究成果报告（即结题报告）

课题

题目

自行车上的力学问题

完成

时间

____2009______年__5____月____3__日

（一）书面材料

课

题

成

果

引言设

计的预

期结果

收到预期的效果,既调查了社会现象,又使学生锻炼了许多能力.

课题实际取

得的结果

（详细论述取

得的主要成果，

支撑主要成果

的依据以及这

些依据的来源，

如通过查阅有

关著作文献、

实验、社会调

查、访问专家

等）

整修研究过程中协调合作，根据课题研究目设计了相关的实验内容，并综合运用物理学科知识加以分析。

因研究实验处于动态中，所以每周都能认真制定课题活动内容，对实验调查动态进行及时调整，在研究程序上步步通向目标，达到了“做中学、做中求”的最佳结果。

在活动中，充分发挥了小组成员提出问题、探索问题的积极性、自觉性及团队精神。

参考书目

及资料

《自行车的发展史》《自行车的结构概况》

附录材料

（要求提交

原始记录）

包括：

活动记录表__5____份访谈表___4___份

实验记录___10___份调查表__54____份

测量数据记录__3____份

自行车力学知识探究

自行车——这一令人熟知的大众化的交通工具，即使在科技、文化、政治、经济发达的今天，它依然倍受老百姓青睐，它的飞速发展历程证明了科学在改变着这个世界。

它身上的每一部分也都凝聚了科学的闪光点，人类对它做出的任何一点更新，也都毫不置疑地折射出了科学前进的步伐。

第一辆自行车的发明是早在1791年的法国，法国人西夫拉克独出心裁，将儿童的木马上安装两个水轮，这辆木制的自行车结构比较简单，既没有驱动装置，也没有转向装置，骑车人靠双脚用力蹬地前行，改变方向时也只能下车搬动车子。

即使这样，当西夫拉克骑着这辆自行车到公园兜风时，在场的人也都颇为惊异和赞叹。

不久法国人大量进行仿制，巴黎街头涌出了成百上千的“自行车”。

在1817年时，德国人将水轮改成可转动方向的轮。

又在1839，英国人麦克米伦发明蹬踏式脚蹬驱动自行车。

骑车时两脚不用踏地，提高了行驶速度。

1869年又诞生了雷诺型自行车，车架改由钢管制作，车辆也改为钢圈和辐条并采用实心轮胎，使自行车更加轻便。

到1874年，英国人在轮上装上了链条，就形成了今日自行车的基本形状。

直到1887年，英国人劳森成功地完成了链条驱动自行车的设计；同年，英国人邓鲁普研制出了充气轮胎，从此，自行车就走上了向商业化发展的轨道，开始批量生产并进入市场，自行车从原始状态的简单、笨重发展到今天品种、类型多元化、结构简单化、质量轻便化，虽经历了相当长的历史过程，但是它映证出了科学改变着这个世界，并对人们生活产生了巨大影响。

（注http∥:

.）

下面让我们进行分析：

一、操作系统

俗话说：

“蛇无头不行”，自行车转向装置就像人的大脑一样。

它控制着车的转向。

“T”字形结构既美观，又有实用价值。

它是一个简单的省力杠杆。

由动力臂╳动力=阻力臂╳阻力（F1l1=F2l2）可知，当动力臂大于阻力臂而阻力一定的情况下，F1即动力减小，就可轻松地转动方向。

安在手握部分下面的刹车柄，由钢丝与前、后的刹车皮相连接。

通过人手捏刹车柄，使刹车皮紧紧在车轮胎内的钢圈上，由f摩=μN压，N压增大，与此同时，采用具有很大的动摩擦因素的橡胶皮制成的刹车皮与钢圈接触，从而使摩擦力迅速增大，使轮胎由地面的滚动变为滑动，由于滑动摩擦力远大于滚动摩擦力。

这就实现了使飞速运转的车轮及时停下来的目的。

但是由于牛顿第一定律（惯性定律）：

“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

”由于车子开始具有一定速度，在刹车后仍要保持这种运动状态向前运动一段距离，从而车子不能迅速停下来，而初始速度越大，刹车后运动距离越远。

这便是在高速公路上车速不宜太快的原因。

二、传动系统

自行车中的传动系统就相当于人体遍及全身的血管一样，它是使人体生物通过，产生的机械能能能传到后轮使车轮滚动。

它包括前链盘、后链盘、链条、“弯拐”（踏板与前链盘连接部分）。

安装在“弯拐”上的橡胶踏板增大了脚底有效接触面积。

这样，当人以相当的力踩踏板时，由P=F/S，面积S较大，踏板与脚底的压强P减少，当人用力蹬踏板时不至于脚底产生疼痛感，由省力杠杆做成的“弯拐”与前链盘穿连：

前、后链盘又由一条长链连接前链盘大于后链盘半径，若线速度（即链盘转动速度）一定，半径r增大，周期（人踩动“弯拐”一周所用时间）T增大，即是说踩动弯拐使前链盘运转一圈所用时间远大于后链盘运转一周所用时间。

换句话说，当踩动“弯拐”一圈，后链盘带动的轮子要运动若干圈，这样就在相同的时间内增加了后轮运转的圈数，加快了车实际行驶速度。

但这样相反，若要让踩动省力，而实际车速就减小。

这与能量之间的转化以及能量守恒定律是相联系的。

消耗的生物能大多转化为了车的动能。

生物能消耗越多，车的动能越大。

后轮运转实质在于：

在链条传动下的后链盘（飞）带动后轮转动，飞与后轮具有相同的角速度，而后轮半径远大于链盘半径，由线速度增大，提高了车速。

后轮转动时与地面具有相对运动趋势。

产生向前的摩擦力，由牛顿第二定律F=ma，从而使自行车产生向前的加速度，从而驱动自行车前轮，达到使车前行的目的。

三、承载系统

（自行车要实现它的实际运用价值就与承载系统息息相关），它由坐垫、货架、与承受整个车身重量及人或物的重量的前、后轮构成。

安装有弹簧、泡沫、皮料的坐垫有着它特殊的作用。

在自行车运行到凹凸不平的路面时，人随着车的起伏上下震动，弹簧的弹力增加了人与坐垫的接触时间，由冲量公式I=F·t，而F=I一定，即震动中冲量一定，t增大，则人臀部与坐垫的接触力F变小，即起到缓冲作用，使人更加安稳地坐在车上。

反之若没有这些弹簧，人坐在上面就会觉得震动得厉害一些，这也正是坐在车后的货架上的人会比坐在车前坐垫上的人震动剧烈原因。

车胎是接触部分。

它承受了（车胎由内、外胎构成，外胎胎由钢丝支撑着的钢圈，外胎上凹凸不平的橡胶块，这些橡胶块有助于增加车与地面的摩擦力，使车在雨天不易滑倒）。

包裹在外胎里的由极富弹性的橡胶皮做成的内胎。

充入了大量的空气，它才是支撑车身的主力。

除此之外，空气还有它的另外的作用。

（当充入车胎内气体不充足时，胎内压强小于外界压强，由P=F/S，F一定，而压强P减小，车胎与地面接触面积S增大）。

从而使原来极圆的滚动变为与地面滑动，摩擦力增加，影响到车的行驶速度，反之，当胎内气体充足时，骑车时就可达到轻而快的效果。

钢制结构有着承受巨大压力的作用，紧扣在钢圈中的钢丝，不仅使钢圈乃至整个车轮稳固，它还有分散受力的作用，避免因巨大外力导致车轮扭曲变形。

钢丝另一端紧固在轴中，而轴中又安有一些圆滑的滚珠，它使在轴带动下的车轮转动更加迅速。

四、连接系统

从车身整个系统外形看，它与原始的直杆形相比，三角形具有稳定性，使龙头与车身牢固地连接，即使受到猛烈撞击车身也不会因扭曲而断裂。

随着现代科学技术的迅猛发展，更多大胆而富有意义的设备将被运用到自行车上，如将含有纳米材料金属用于自行车的制作工艺上，不仅可它更耐磨，而且也可大大减轻车身重量。

由此而生产出的轻便、折叠、减震、耐磨自行车已屡见不鲜。

在此前提下而出现的高速自行车已面世，它的结构同传统的自行车截然不同，它的外部用轻质的塑料风罩将车身一部分或者完全包起来，使车具有流线外型，根据科学试验如果将整个车身罩在流线形外罩里，可以使车阻力减少一半，也就是说使一般人骑车标准时速达16~32km，高速自行车第二项改进是车座，现在一般自行车坐位在脚蹬上方，骑车人在向下踏动脚踏板时，所加的力一般不超过自身重量，但是骑赛车时，把腰弯下，用脚向下蹬踏，就能用上更大的力气，根据这一原理把高速自行车的车座装在与脚踏板等高平面上，让人像躺着一样脚蹬。

这样，在脚蹬上不用格外的力，也能把时速提高到40km，高速自行车还像儿童脚踏车那样，做成三个轮子或四个轮子使车稳定性更好，现在正在研制中的高速自行车不仅使车具有一定特点，而且在车的结构上也下了功夫，如采用整体式车架、蜂窝结构的碳纤维车身使强度提高了5倍，而车重只有原来的1/4，美国一位科学家设计出一系列叫维克多的超高速自行车，可乘坐2人，最高时速达到令人难以想象的程度——150km，轮胎内填充弹性良好的发泡材料，缓冲车座向上倾斜，外形光滑而是流线形，雨点也不会留在防风罩上。

人们骑这种车，不用消耗能源，舒适、安全几乎可与一般小轿车媲美。

但是，在诸多的设备都提高了车速同时，自行车的安全性能就只靠用手、眼控制却稍显不足，我们设想可在自行车前装上一种红外线遥感器。

如果自行车在无法刹车或来不及刹车时，红外线能够及早提醒你前面有车辆，让你先作出反应，或者直接通过自动刹车装置来自动刹车，从而避免交通事故的发生，也可在车上安装一些降温器具，如微型风扇、冰箱，达到降温的目的，还可以在自行车上装反光镜、指示灯，挡风板等一些有利于人们的人性化设置，如果条件允许，也可在车上安装GPRS全球卫星定位系统，不论你身在何地，都不必担心迷路，走遍世界都不怕。

随着现代环境的日益恶化空气质量的降低，我设想如果在自行车尾部安装上一个空气净化装置。

让自行车随时都可进行空气净化，走到哪里，哪里空气就新鲜。

以上设计虽颇人性化，但要配置这些设备，其成本价及其卖价一定不扉，还需做出一些改进使其既物美又价廉。

自行车从形式到实质的变化，实现了从量变到质变的过程，给人们的生活带来了很多方便，我们相信即使在未来各种先进交通工具化发展下，自行车具有的历史地位仍将得到提高，套一句广告词：

“科学引领时尚，竞争带来革命”。

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