选修课教案-生活中的物理.doc

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高一物理生活中的物理

2011-2012学年第二学期选修课教案

生活中的物理

（共36课时）

陈磊

第一讲过山车中的物理知识（2课时）

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。

第二讲自行车中的物理知识（3课时）

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．

一、力学知识

1．摩擦方面

（1）自行车车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹，增大接触面粗糙程度．增大摩擦力．

（2）车轴处经常上一些润滑油，以减小接触面粗糙程度，来减小摩擦力．

（3）所有车轴处均有滚珠，变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，转动方便．

（4）刹车时，需要纂紧刹车把，以增大刹车块与车圈之间的压力，从而增大摩擦力，

（5）紧蹬自行车前进时，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．

2．压强方面

（1）一般情况下，充足气的自行车轮胎着地面积大约为S=2×10Cm×5cm=100×cm2，当一普通的成年人骑自行车前进时，自行车对地面的压力大约为F=（500N+150N）=650N，可以计算出自行车对地面的压强为6.5×104Pa．

（2）在车轴拧螺母处要加一个垫圈，来增大受力面积，减小压强．

（3）自行车的脚踏板做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对脚的压强，

（4）自行车的内胎要充够足量的气体，在气体的体积、温度一定时，气体的质量越大，压强越大．

（5）自行车的车座做得扁而平，来增大受力面积，以减小它对身体的压强．

3．轮轴方面

（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，如图3所示．

（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．杠杆方面：

自行车的刹车把相当于一个省力杠杆．

5．惯性方面

（1）当人骑自行车前进时，停止蹬自行车后，自行车仍然向前走，是由于它有惯性．

（2）当人骑自行车前进时，若遇到紧急情况，一般情况下要先捏紧后刹车，然后再捏紧前刹车，或者前后一起捏紧，这样做是为了防止人由于惯性而向前飞出去．

6．能量转化方面

（1）当人骑自行车下坡时，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，能上得更高一些．

（3）如图4所示，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．

7．声学方面

（1）自行车的金属车钤发声是由于铃盖在不停的振动，而汽笛发声是由于汽笛内的气体不断的振动而引起的．

8．齿轮传动方面

（1）线速度和角速度的关系，如图5所示，设齿轮边缘的线速度为v，齿轮的半径为R，齿轮转动的角速度为ω，则有v=ωR．

二、热学知识

在夏天自行车轮胎内的气体不能充得太足，是为了防止自行车爆胎，因为对于质量、体积一定的气体，当温度越高，压强越大，当压强达到一定程度时，若超过了轮胎的承受能力，就会发生爆胎的情况．

三、光学知识

在日常生活中，自行车的后面都装有一个反光镜，它的设计很巧妙，组成如图6所示，它是由三个相互垂直的平面镜组成一个立体直角，用其内表面作为反射面，这叫角反射器．当有光线从任意角度射向尾灯时，它都能把光“反向射回”，当光线射向反光镜时，会使后面的人很容易看到．在夜间，当汽车灯光照到它前方的自行车尾灯上，无论入射方向如何，反射光都能反射到汽车上，其光强远大于一般的漫反射光，就如发光的红灯，足以让汽车的司机观察到．

四、电学方面

在有些自行车上装有小型的发电装置，它利用摩擦转动，就像我们在实验室中看到的手摇发电机一样，发出的电能供给车灯工作，起到一定的照明作用．

第三讲江河大堤与水库大坝（2课时）

一般江河大堤和水库大坝的横截面如图1甲、乙所示．

图1

比较上面两图，不难发现，它们的共同之处都是上窄下宽，不同的是江河堤的迎水面坡度缓，背水面坡度陡，而水库坝则恰恰相反，挡水面坡度陡，背水面坡度缓．

一、为什么江河大提与水库大坝都修成上窄下宽

无论是江河大堤，还是水库大坝都修成上窄下宽，其目的主要是为了“三防”．

1．　防水压

根据液体内部压强公式ｐ＝ρｇｈ可知，堤坝内的水越靠近堤坝底，水深ｈ越大，水产生的压强也越大．堤坝下宽能承受较大的水压，确保堤坝的安全．

2．　防渗漏

　堤坝下部受水的压强越大，水越容易渗进坝体．把下部修得宽些，就可以延长堤坝内水的渗透路径，增大渗透阻力，从而提高堤坝的防渗透性能．

　　3．防滑动

　　堤坝内水的压力总有将大堤向外水平推动和将大坝推向下游的运动趋势，堤坝基底需要有与之抗衡的静摩擦力，才能保持堤坝平衡．将堤坝下部修宽既可增大坝体的重力，也可增大迎水面（挡水面）上水对坝体竖直向下的压力，因此，可以增强坝体与坝基间的最大静摩擦力，达到防止堤坝滑动的目的．

　　二、为什么江河大堤和水库大坝两边的坡度陡缓状况修得恰恰相反

　　对于两岸拦水的大堤来说，奔腾的江河水的冲击力方向朝下游，水对堤坝的作用力主要是压力，如图2甲、乙所示，水的压力垂直于堤面，根据力的分解知识有，Ｆｘ＝Ｆｓｉｎθ，Ｆｙ＝Ｆｃｏｓθ，因此，对于同样大小的水的压力Ｆ，坡度平缓的堤面所受横向水平压力较小，即Ｆｘ＜Ｆｘ′；所受竖直向下的压力较