用所学的物理知识分析自行车的力学问题

高一研究性学习班级：小组：组内编号：姓名：教师评价：研究性学习课题：自行车中的力学编制：张乐顺冯建会审核：包科领导：学习目标：1．让学生对自行车进行观察，描述其结构，说明应用了哪些物理学知识，要求能运用所学知识，比较系统的写出调查报告。

2．自主学习、合作探究，培养学生的观察能力，表达能力以及辨析能力。

3．通过成果展示激发学生的积极性，并让学生体验到成功的快乐。

教学准备：自行车一辆一. 质疑探究——我质疑，我收获！探究点一：认识自行车的各个结构名称并分析自行车中需要增大的摩擦力问题1：认真观察自行车的各部分结构，试说出各部件的名称。

并讨论各部分的功能。

（各小组展示自己的结果，交流完善。

）问题2：观察自行车的车轮，能发现什么特点？将车轮做成这样是为了什么？在看看自行车把手是不是也能得到相同结论？问题3：观察自行车的刹车部分，用力抓紧刹车自行车很快就能停下来，结合滑动摩擦力的大小取决于哪些量分析一下。

总结：探究点二：分析自行车中需要减小的摩擦力问题1：为什么自行车的车轮是圆形的？结合滚动摩擦和滑动摩擦的知识分析一下。

问题2：观察自行车的车链子上有什么物质？这是为了干什么？问题3：再仔细观察自行车的前后轮中间轴承部分，你能发现什么？能解释原理吗？总结：探究点三：骑自行车时的小技巧问题1：骑自行车拐弯时你的身体会不自觉的发现哪些变化？思考一下这是为什么？问题2：骑自行车上坡时，怎么样更省力？能不能从力的分解角度分析一下？总结：二、拓展提升通过分析自行车你是不是对自行车有了更进一步的认识？请结合自己的感想谈一谈如何才能更好的保养我们的自行车？如何能够更好的利用我们的自行车？。

自行车转弯中的力学问题作者：丁丹华邱国民来源：《物理教学探讨》2018年第07期摘要：学生对人教版高中物理教材中的火车转弯问题感到困惑，在此以自行车转弯为例，深入探究自行车转弯中的力学问题：车在转弯时向心力的来源、车身为何要向内侧倾斜、安全倾斜的最大速度、最大角度，从惯性、力矩平衡、二力杆三个方面进行理论说明。

得出探究结果：车手和自行车在转弯时，在惯性系中是处于非平衡态的，而在转动非惯性系中，它是处于平衡态的，只不过我们需要引入一个假想的惯性离心力。

关键词：自行车转弯；向心力；力矩平衡；惯性；二力杆中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-0062-3生活中的圆周运动随处可见，人教版高中物理教材《生活中的圆周运动》一节中，关于火车转弯时的向心力，讨论了两种情况：一种是如果外轨和内轨一样高，需要什么力提供向心力；一种是外轨比内轨高，需要什么力提供向心力。

并着重研究了火车转弯时的速度，在理想速度情形下，什么力提供向心力？非理想速度的情景下，又是什么力提供向心力？本文中，笔者以车手和自行车为研究对象，探究在两种弯道下自行车做圆周运动向心力的来源。

在日常生活中，留心观察，发现在水平弯道内车手和自行车拐弯时身体都会向内侧倾斜，为什么要向内侧倾斜呢？倾斜多少角度才安全呢？安全行驶的最大速度又是多少呢？现与大家一起探讨。

1 外高内低斜面式弯道转弯时的向心力来源2 平面上转弯时向心力来源分析观点 1 向心力由地面摩擦力提供观点2 向心力由重力的一个分力提供以自行车为例，在转弯时，其向心力由重力的分力提供，以运动员和自行车为整体进行受力分析，将重力沿X和Y方向分解，重力沿Y方向的分力平衡掉支持力和摩擦力的合力，重力沿X方向的分力提供向心力，如图3所示，由牛顿第二定律可列：3 平面上转弯时身体为什么要向内侧倾斜3.1 反证法说明——惯性假设车手和自行车在平面上做匀速直线运动，转弯时，自行车的车轮与地面接触，受到的地面施加的静摩擦力指向圆心，将做圆周运动。

自行车机械原理自行车机械原理是指自行车运动中所涉及的各种力学原理和运动机制。

自行车的基本原理是通过人力推动脚踏板使车轮转动，进而推动整车前进。

首先，自行车的运动依赖于两个重要的力学原理：转动力矩和平衡力。

当骑车者用一只脚施加力量在脚踏板上时，通过齿轮传动原理，力矩将传输到后轮上，使其转动。

通过不断地交替使用两只脚踩踏，可以保持连续的动力输出。

同时，为了保持平衡，骑车者需要控制自行车的重心和身体的姿势，使之保持在自行车的中央位置。

其次，自行车还采用了链条传动机制。

自行车的后轮上有一个齿轮，与前轮上的链条齿轮通过链条相连接。

当骑车者踩踏时，脚踏板的转动通过齿轮传递到后轮上，使之转动。

这种链条传动机制可以有效地将骑车者的力量转化为车轮的转动力量，实现动力传递。

此外，自行车还有一套复杂的刹车系统。

在刹车系统中，一对刹车手柄通过钢丝和杆件连接到车轮上的刹车片或刹车鼓。

当骑车者拉动刹车手柄时，钢丝会收缩，使刹车片或刹车鼓与车轮接触摩擦，从而减缓或停止自行车的前进。

这个刹车系统能够根据骑车者的需要提供可靠的刹车效果，增加骑车的安全性。

最后，自行车还采用了转向结构。

通过前轮的转向结构，骑车者可以控制自行车的方向。

在转向过程中，前轮会产生一个向左或向右的转动力矩，从而改变车身的方向。

骑车者通过转动转向把手或者倾斜自行车的身体姿势，可以调整前轮的方向，实现自行车的转向。

综上所述，自行车的机械原理包括转动力矩和平衡力、链条传动、刹车系统和转向结构等。

这些原理的运用使得自行车能够高效、灵活地行驶，并为骑车者提供舒适、安全的骑行体验。

自行车上的物理知识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，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，以减小压强．(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．自行车上的物理知识【字体：大中小】2010-07-12 15:39:32 来源：中国天气网1.测量中的运用在测量跑到的长度时，可运用自行车。

《自行车中的力学原理》教师课题总结苏享銧自行车是人们出行非常常用的一种交通工具，并且自行车运动是人们所喜爱的一种体育运动。

它里面含有大量的物理知识，特别是物理力学知识。

自行车的车架，车把，车轮，车座，轮轴，齿轮，材料，以及行驶过程所产生的摩擦力等等都含有大量的物理知识。

而这些知识一部分学生已经学过，还有一些学生还没在物理课本中学过，具有探究性，也可以弥补课堂教学中的不足。

此课题具有问题性、开放性、社会性、实践性及综合性的特点。

在这个课题下，学生有许多事情可干：如分析轻便车，载重车，男车，女车有何不同；分析自行车的基本构造和使用过程的力学知识；分析自行车速度与车轮直径的关系；分析内胎充气与气门芯的作用；分析变速车车速的原理；观察车闸（普通闸，钳形闸，触闸，抱闸，涨闸，脚闸）的工作情况；提出对刹车皮闸盘，闸盒，车圈磨损的改进意见，提出对外胎磨损的改进意见等；测量自行车的平均速度与功率等等，是一个很不错的题材。

首先自行车取材方便，很多学生都会骑，都很熟悉。

其实，从初二到高二，学生已经学习了不少了物理知识，但很多同学并不会把这些知识进行灵活地理解，应用。

想通过这次研究性学习，能激活他们学习中的知识储存，尝试把物理中所学的知识多角度，多层面地思考，研究自行车中的问题。

同时通过活动让他们能发现问题，并想办法解决问题。

能很好的培养他们的观察能力，理解能力，并在此基础上进行创新。

提供给学生一个自主学习的平台，让他们在学习中发现物理知识原来这么有用，激发他们学习物理的兴趣。

学校为此进行了有序地安排，具体时间如下：组的代码为重要，刚开始他们不知道要怎么分配任务，从哪里入手，于是我分别列了20个小题目，让他们分头去收集资料。

从学生的这次研究性活动中可以看出学生的分工越明确，目的性越强，时效性越强，小组成员均能在规定时间内完成小组长分配的任务，并作好记录。

令我感动的是这次参加研究性学习的这七个同学态度都非常认真，他们牺牲自己的课余时间，利用中午，傍晚，晚自习下课后，周末进行上网查阅、上图书馆查阅书籍、走访调查、实地研究、亲身实践并取得良好效果。

自行车涉及的力学原理浅析作者：王大中郭洪存来源：《中国科技纵横》2018年第03期摘要：自行车具有结构简单，方便实用的特点，并且骑自行车既环保，又能锻炼身体，有益于身心健康。

自行车主要是依靠传动装置的运动进行工作，其传动装置由主动和被动齿轮、链条以及变速器等组成，分析自行车的传动过程有利于我们了解自行车的工作原理，此外，自行车本身在设计的过程中同样应用了摩擦力、阻力等一些常见的力学知识，本文主要对自行车中存在的简单力学原理进行分析。

关键词：自行车；力学；机械结构中图分类号：G634.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0187-021 引言自行车的历史可以追溯到上个世纪，距今的历史已百余年，现已发展成为人们日常生活中常用的交通工具。

历史上最早的自行车是由一名叫做西夫拉克的法国人发明的，但那时候的自行车还与现在所说的自行车有很大的不同，它并未出现传动系统，使用者只能依靠两只脚不断的蹬地来保证自行车的不断前进，当时的自行车速度也并不理想，最多只能达到20公里/时。

随着发展，苏格兰人在最开始的自行车上进行改进，引入传动系统，使得自行车的行驶速度得到大幅度提高，在清朝末期，传教士将自行车引入中国[1]。

近年来，环保绿色越来越成为引导人们健康出行的重要理念，而且骑自行车也有起到健身的功效，因此越来越受到人们的追捧，再加上共享单车的快速发展，自行车已经成为人们生活中重要的组成部分，甚至会成为部分人出行的首选，据估计，我国现约有六亿辆自行车。

而自行车看似结构简单，但在其整个工作的过程中还有很多物理知识，而本文中主要讨论自行车中力学的内容。

2 自行车的组成市面上的自行车虽然千差万别，但主要的组成部分却是大同小异，为了研究方便，本文调查了一种常见的自行车的组成结构，如图1所示。

3 自行车中的力学原理3.1 自行车传动自行车主要是依靠传动装置的运动进行，自行车的传动装置主要有由主动和被动齿轮、链条以及变速器组成。

“自行车与力学知识”研究学习报告班级：高一18班课题：自行车与力学知识研究组长：袁骏一小组成员：杨俐叶、石斐然指导老师：李庆林一、研究背景：随着经济的发展及交通工具的日益繁多，和各种因素的影响，自行车逐渐淡忘出人们的视野，我们小组经过调查研究，总结出自行车机械构造及其力学知识，和日常生活中有关自行车的运用，让人们可以更加充分的利用自行车的力学知识为人民服务。

二、研究目的意义：对自行车的解剖以探索其中的物理知识；通过研究性学习，我们自己发现问题自己解决问题，丰富我们的思维方法。

研究开拓自己的见识，增强团结互助的意识。

三、研究过程及方法：1、通过网络查询、查阅书籍、向他人请教、实地研究、小组讨论等方法，得到所需内容。

2、过程A．通过小组讨论，明确分工B．小组实地观察、记录、归纳C．各小组将其结果汇集，小组讨论、删选D．整合结果，撰写论文四、理论知识：探究自行车上的力学知识，自行车上的省力杠杆、费力杠杆以及对省力费距离、费力省距离、惯性、压强、热膨胀、摩擦等力学知识的分析和自行车在生活中运用的简单概述。

五、关键词：自行车力学知识部件运动六、步骤内容：（一）简述自行车的构造及其作用：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。

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。

1、导向系统：由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。

人们可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。

2、驱动系统：由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。

人的脚的作用力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动。

3、制动系统：它由车闸组成，人们可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停止。

A.车把：是省力杠杆，用很小的力可以转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和平衡；B.踏脚：用到了杠杆原理，以飞轮的轮轴为支点，用较长的铁杆来转动链条上的飞轮，可以省力；C.前闸、后闸：是一个杠杆具有省力的作用；D.后轮：作用在轮轴上的变形杠杆，但费力；E.龙头（把手）：通过轮轴可以轻松的控制方向；F.踏脚板与齿轮：作用在轮轴上驱动自行车行走，可以省力；G.刹车闸：车把上的刹把是省力杠杆，人们可以用很小的力作用在车把上就可以使车停止；H.大车轮与小车轴：作用在轮轴上可以加快行驶的速度；I.大齿轮与小齿轮：通过轮轴提高车轮转速；J.车闸把与连杆:是一个省力杠杆，可增大对刹车皮的拉力；K.中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴但脚蹬半径大于花盘齿轮半径；L.自行车手把与前叉轴：组成省力轮轴但手把转动的半径必须大于前叉轴的半径；M.后轴上的齿轮和后轮：组成费力轮轴但齿轮半径必须小于后轮半径。

自行车上的物理知识自行车是我们日常生活中一种普遍的交通工具，它结构简单，方便实用，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、摩擦知识（一）自行车的启动和行驶：摩擦力制动。

当自行车启动或行驶时，在链条驱动下，后轮逆时针转动，轮胎与地面接触处相对于地面有向后运动的趋势，故地面对后轮施加向前的摩擦力，该摩擦力是自行车向前运动的动力。

在此力的作用下，自行车整体具有向前运动的趋势，自行车的前轮胎于地面接触处具有向前运动的趋势，则地面对前轮产生向后的摩擦力，在该摩擦力的作用下，前轮便沿着后轮相同的方向转动起来，自行车向前运动，因此，人们也将后轮称为主动轮，前轮称为从动轮。

当下雨或下雪天，地面摩擦力变小，自行车很容易摔倒，即平常说的打滑，其道理就在于此。

（二）刹车：摩檫力驻停。

刹车时，闸皮与车圈间的摩擦力，会阻碍车轮的转动。

手的用力越大，闸皮对车圈的压力越大。

产生的摩擦力也就越大，车轮就转动的越慢。

如果完全刹死，这时车轮与地面之间的摩擦就变为滑动摩擦力（原来为滚动摩擦，方向向前），方向向后，阻碍了自行车的运动，因此就停下来了。

（三）钢珠：减小摩檫力。

在自行车的前轴、中轴、后轴、车把转动处，脚蹬处等地方，都安有钢珠。

人们骑自行车总是希望轻松、灵活、省力。

而用滚动代替滑动就可以大大减小摩擦力，因此要在自行车转动的地方安装钢珠，我们可以经常加润滑油，使接触面彼此离开，这样就可以使摩擦力变得更小。

（四）外胎花纹：摩檫力防滑。

摩擦力的大小跟两个因素有关：压力的大小，接触面的粗糙程度。

接触面粗糙程度一定时，压力越大，摩擦力越大；压力一定时，接触面越粗糙，摩擦力越大。

自行车外胎有凸凹不平的花纹，这是通过增大自行车与地面间的粗糙程度，来增大摩擦力的，其目的是为了防止自行车打滑。

二、杠杆知识（一）控制前轮转向的杠杆：自行车的车把，是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡。

自行车涉及了许多物理知识，现归纳如下：声的现象：自行车车铃的把手经过手的拨动，带动了齿轮，齿轮使带有弹簧锤的轴旋转起来，弹簧锤敲打铃盖，车铃就叮铃响。

拨动自行车的车铃能发声，是因为振动的物体能发声，用手按住铃盖，铃声振动停止。

光的现象：自行车的尾灯的反射面由很多红色的立方体直角组，可以把照在尾灯上的光向各个方向反射，使车后各个方向上的人均能看到红色的光，以防止交通事故的发生。

摩擦的现象：1．车的前轴、中轴、后轴上装有滚动轴承及润滑油，车轮是圆形的，是为了减少摩擦。

2．车外胎、把手塑料套和脚踏板上都刻有花纹，车的把手上有凹槽，是为了增大接触面的粗糙程度来增大摩擦。

3．若车铃不响，是因为轴与齿轮之间的咬合部分太涩了，加几滴油润滑，减小摩擦。

4．车把的塑料套紧套在车把套上，是为了增大与车把套的压力来增大摩擦。

5．刹车时，应用力捏车闸，是为了增大压力来增大摩擦。

6．旋紧自行车各种紧固螺丝，是为了增大压力来增大摩擦。

7．自行车的前轮为从动轮，摩擦力的方向向后，与运动的方向相反。

后轮为主动轮，摩擦力的方向向前，与车运动的方向相同。

紧急刹车时，轮子与地面的摩擦属于滑动摩擦。

压强的现象：1．自行车的坐垫呈马鞍型，它能够增大坐垫与人体的接触面积，以减小臀部的压强。

2．脚蹬板很宽，也是为了增大与脚的接触面积，以减小脚部的压强。

3．用橡胶制成的车胎并且打足气，是为了通过减轻压力来减小对地面的压强，同时通过弹力的作用可起缓冲作用。

4．给车胎打气时，越打越费力，车胎越硬，是因为越打里面的气体越多，里面的压强越大。

杠杆的现象：1．控制前轮转向的杠杆──车把：是省力杠杆，人们用很小的力就能转动自行车前轮来控制自行车运动方向和平衡。

2．控制刹车闸的杠杆──车把上的闸把：是省力杠杆，人们用很小的力就能使车闸以比较大的压力压到车轮的钢圈上。

3．支持人重和货重的杠杆──三角杠、货架、前叉、后三角杠：用以形成车重和承重。

4．中轴上的脚蹬和花盘齿轮：组成省力轮轴，因为脚蹬半径大于花盘齿轮的半径。