自行车在高中物理学习中的应用研究

总结，了解到自行车构造原理，用途用法，找出了物理课在弹力、摩擦力、牛顿运动定律、圆周运动、电磁感应、弹性势能及其转化、光学全反射、简单机械等内容学习或者复习时切入自行车实物的时机，特别是高三一轮复习用一节课对自行车作专题研究，通过对自行车研究展开物理复习，不仅丰富了物理素材，而且大大提高了复习效率。

1 问题提出的背景

自行车是我们日常生活中一种常用交通工具，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。自发明以来，就成为人类的代步工具，深受人们的喜爱。在动力车日益发达的今天，骑自行车不仅可以锻炼身体，还能为节能环保做贡献。

当今的中学生把自行车当成交通工具应用于上下学很普遍，透彻研究自行车理所当然。中学物理学习过程中有多处以自行车为研究载体的物理问题。把自行车当成教具来帮助学生物理学习行之有效，通过对实物自行车研究，一定能够提高学生物理学习效率。

2 研究目标

（1）通过对自行车的结构原理的认识，在搞清自行车结构的基础上，了解自行车性能。

（2）通过研究，熟悉自行车涉及到哪些物理知识的应用。

（3）通过研究，搞清楚自行车作为教学用具在物理学习什么内容，什么时间搬进物理课堂比较合适。

3 研究方法

研究方法有两种，分别为实验法、文献法。

4 自行车的结构

认识自行车结构，了解自行车性能，让自行车更好地服务生活。

自行车的车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件中，其基本部件缺一不可。其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统，驱动系统，制动系统。自行车结构图如图1所示。

（1）导向系统：由车身、前叉、前轴、前轮等部件组成。乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

（2）驱动（传动或行走）系统：由蹬脚、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮等部件进行传动，从而带动自行车不断前进。

（3）制动系统：它由车闸部件组成，乘车者可以随时操纵车闸，使自行车减速，停驶，确保行车安全。

此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。具体构成如下（以山地自行车为例）：①前轮；②辐条；③花鼓；④前叉；⑤前刹；⑥钢索；⑦刹车及变速把手；⑧车把；⑨竖杆；⑩车架；B11前变速；B12车座杆；B13车座；B14后刹；B15货架；B16飞轮；B17反光镜；B18后轮；B19后变速；B20脚撑；B21气门；B22后轮；B23链条；B24轮盘；B25脚踏；B26曲柄。

5 自行车涉及到哪些物理知识

一辆普通的自行车，在其中涉及到很多物理知识，涉及摩擦、压强、能量的转化等力学、热学及光学、声学及电磁学等。

6 用自行车作教具深化物理知识的学习

自行车用作物理课堂教具可以有很多地方，诸如弹力、摩擦力；匀速或匀变速直线运动；圆周运动；牛顿运动定律；电磁感应等。因此在这些知识的学习时把自行车搬进教室，有利于相关知识的学习理解。如果在高三物理复习过程中，把自行车搬进教室，就可以对自行车进行一次全方位的研究学习，既能够帮助学生全面系统理解多个物理考点，又能帮助学生熟悉自行车构造，性能，工作原理，从而更好地使用自行车。

6.1 自行车用于运动学的学习

6.1.1 有关自行车的惯性、运动速度与速率、路程与位移、加速度问题

以一辆普通自行车载一成年人在水平公路正常骑行时为例进行研究。

（1）自行车的速度约为3～5 m/s。

（2）当人骑自行车前进时，停止蹬自行车后，自行车仍然前进，是由于它具有惯性。当人骑自行车前进时，若紧急刹车，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。快速行驶的自行车，如果突然把前轮刹住，后轮为什么会跳起来呢？这是因为前轮受到阻力而突然停止运动，但车上的人和后轮没有受到阻力，根据惯性定律，人和后轮要保持继续向前的运动状态，所以后轮会跳起来。切记下坡或高速行驶时，不能单独用自行车的前闸刹车，否则会出现翻车事故。

（3）测量路程、位移：在测量跑道的长度时，可运用自行车。如普通车轮的直径为0.71 m或0.66 m。那么转过一圈长度为直径乘圆周率π，即约223 m或2.07 m，然后，让车沿着跑道滚动，记下滚过的圈数n，则跑道长为n×2.23 m或n×2.07 m。

6.1.2 追击问题研究

如在研究直线运动两车间距问题时用到下列物理题目：一辆汽车在十字路口等待绿灯，当绿灯亮时汽车以a=3 m/s2的加速度开始行驶，恰在这时一人骑自行车以v0=6 m/s的速度匀速驶来，从后边超过汽车，试问：①汽车从路口开动后，在追上自行车之前经过多长时间两车相距最远？最远距离是多大？②当汽车与自行车距离最近时汽车的速度是多大？

6.2 自行车用于动力学内容的学习

6.2.1 研究摩擦力

定义：两个互相接触的物体，当他们要发生或已经发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。

物体之间产生摩擦力必须要具备以下3个条件：①物体间相互接触、挤压；②接触面不光滑；③物体间有相对运动趋势或相对运动。

自行车涉及摩擦力的部位及其增减措施。

（1）自行车轮胎、车把套、脚踏板以及刹车块处均刻有一些花纹，以增大接触面的粗糙程度，增大摩擦力，如图2所示。

（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）自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处均有滚珠（轴承），变滑动摩擦为滚动摩擦，来减小摩擦，如图3所示。

（4）刹车时，用力捏紧车闸，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。

在自行车前进过程中，前后轮都受到地面的摩擦力作用，若人在对踏板施加力的作用，则自行车前后轮受力，如图4所示。

简析：后轮相对地面有向后运动的趋势，则它受到地面向前作用的摩擦力f1，前轮相对于地面有向前运动趋势受到地面摩擦力f2。

当下坡时，人不蹬车踏板，车自由滑行，其受力如图5所示，前后轮都相对于地面向前运动，则前后轮都受到地面向后的滑动摩擦力，分别为f3、f4。

6.2.2 研究动力传动——简单机械

（1）自行车刹车手闸是一个省力杠杆，车后坐的载物夹也是杠杆。①中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径）。②自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径）。③后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴（齿轮半径小于后轮半径）。

在运动过程中大齿轮盘，小齿轮盘及后轮之间还满足圆周运动规律，大小齿轮之间用链条相连，则大小齿轮盘沿线速度大小相同，v1=v2，而小齿轮和后轮之间通过轮轴相连，他们的角速度ω2=ω3，由v=Rω，设后轮沿速度为v3，则：

（2）自行车上坡走S形路线，相当于增加了斜面的长，可以省力，使上坡更容易。

6.2.3 研究能量转化

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自行车的车支架上挂有一个弹簧，在它弹起时，弹簧的弹性势能转化为动能，车支架自动弹起。④自行车在不平的路面骑行时，车坐下被压缩的弹簧产生弹力，弹簧的弹性势能转化为动能，弹簧起到减震作用。

现在流行的自行车中不少在车架上安弹簧，其作用在于缓冲外界压力的作用。

车的座垫下安有许多根弹簧，利用它的缓冲作用以减小震动。因而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。因为在自行车坐椅下安弹簧，是应用力学中的动量定理Ft=Mvt-Mvo在初末速度一定情况下，动量改变量相同，使用了弹簧，则力的作用时间t变长，力F变小，人感觉就舒服。

自行车的脚撑上也利用了弹簧，弹簧发生弹性形变时会产生弹力使其恢复原状，这就起到了固定的作用。

自行车内胎充满了气体，当路面不平给车胎带来冲击的时候，充气内胎的压缩和恢复有很好的缓冲作用，减小了颠簸，既保护了自行车，减小前进的阻力，也使人感到舒适。

用打气筒给车胎打气，过一会儿，筒壁会热起来，这是因为压缩筒内气体和克服活塞与筒壁的摩擦做功，使筒壁内能增加，温度升高，所以筒壁会发热。

6.2.4 研究圆周运动

自行车上有多个轮轴的应用，链条传动，同轴转动。

（1）中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴（脚蹬半径大于花盘齿轮半径）。

（2）自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴（手把转动的半径大于前叉轴的半径）。

（3）后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴（齿轮半径小于后轮半径）。

6.3 自行车用于研究电磁感应

6.3.1 自行车带动小型发电机发电

法拉第电磁感应原理告诉我们：导体在磁场中切割磁感线可以得到感应电动势，从而获得感应电流，感应电动势的大小和通过导体回路的磁通量的变化率成正比。发动机通过外部能量来带动转子切割磁感线获得电流。利用这一原理自行车运动中通过某一部分来带动发动机发电，再把所发的电通过蓄电池存起来，在需要的时候可以给车灯、手机等供电或充电。

6.3.2 比如通过与轮胎的摩擦来带动发动机发电

将发电机固定在自行车的轮胎边沿，在轮胎的转动下通过摩擦带动发动机的转子部分使发电机工作发电，先将发出的电通过蓄电池储存起来备用，如图6所示。

当然也可以利用其他部位的运动带动发电机转动获得电能，如圆周运动的钢丝、链条、轮轴等带动发电机均可以将浪费的机械能转化为方便利用的电能。

6.4 自行车用于学生研究性学习

在新课程学习过程中，物理研究性学习课就可以把自行车作为研究对象进行研究，可以对一个侧面进行研究，如《自行车上的力学知识》，《自行车上的摩擦》，《自行车上的能量转化》，《自行车上的轮轴》；也可以是全方位原研究，如《自行车上的物理知识》，《自行车与物理的关系》等。

6.5 用于光的反射的学习

（1）人能够从任意方向看到自行车，是因为自行车车体表面反射自然光。

（2）自行车尾部的反光镜，也叫尾灯，不论光线从哪一个方向射入，反光镜都能沿原来的方向把反它射回去。一般镜面当然也能反射光线，但光线必须遵守反射定律，所以不能以入射的方向反射回去（除非垂直射入的光线）。即使光线不以自行车的反光镜之中心轴入射，也能沿原来的方向反射回去，这种镜被称为回射镜。眼睛是看不见完全回射镜的回射光线的，因为眼睛不可能正好位于光源上。但大多数的反光镜都制成略有些偏差，使回射光束比入射光束宽。一种简单的回射镜是由3块互相垂直的平面镜组成的三垂面反射镜。它可以使从任意方向入射的光线，先后经过三块平面镜的反射后，沿着原来入射的方向反射回去，如图7所示。许多自行车后的红色反光镜，就是应用物理中全反射原理采用由许多个塑料材料压制成三垂面反射镜构成的。

6.6 用于声学知识的学习

自行车上也有声学知识。车龙头上的车铃，这里有声音的产生与传播、音色、音调等知识。此外自行车也会“空车辘辘”，不同的自行车的车速声音也会不同。

7 结论与分析

通过研究认识到，自行车在高中物理学习过程中可用作教具的地方非常广泛，涉及到物理力学、电磁学、光学、声学、热学。因此，把自行车搬进课堂用作教具，有利于物理知识的学习与消化，从而也能够落实新课程目标“物理即生活”。

收稿日期：2015-07-22

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