鄭國(guó)利

研究背景

高中《物理》（必修2）第5章第7節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”，涉及汽車(chē)、火車(chē)在水平面、傾斜面轉(zhuǎn)彎等圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，并要求運(yùn)用牛頓定律進(jìn)行定性和定量分析?，F(xiàn)行教材是讓學(xué)生觀看汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)轉(zhuǎn)彎的圖片或視頻，然后加以理論分析和討論。在教學(xué)中，需要幫助學(xué)生理解哪些力提供了汽車(chē)或火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力；探究汽車(chē)或火車(chē)在不同傾角的路面上或不同轉(zhuǎn)彎半徑的路面上轉(zhuǎn)彎時(shí)，以多大速率運(yùn)動(dòng)才能使得對(duì)輪子的磨損最小，或如何防止出軌等問(wèn)題。但當(dāng)前缺乏能較好地展示出此類(lèi)現(xiàn)象的演示教具。為此，我設(shè)計(jì)制作了“探究最佳轉(zhuǎn)彎速率演示器”。

設(shè)計(jì)方法

本項(xiàng)目所述汽車(chē)和火車(chē)均采用汽車(chē)輪子模型和火車(chē)輪子模型代替，以減小汽車(chē)或火車(chē)體積，更好地在課堂中演示汽車(chē)或火車(chē)轉(zhuǎn)彎原理。

演示器的動(dòng)力部分選用減速電機(jī)，可遙控式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸中心孔內(nèi)插有1根豎直支撐桿，并用1條短滑軌夾住電機(jī)的轉(zhuǎn)軸。短滑軌上另套裝有1個(gè)半圓弧形支撐架，支撐架上固定1條長(zhǎng)直旋轉(zhuǎn)桿。長(zhǎng)直旋轉(zhuǎn)桿的一端安裝無(wú)線力傳感器和平衡錘，另一端伸長(zhǎng)出去并安裝1個(gè)平臺(tái)。該平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)半徑可以任意調(diào)節(jié)，平臺(tái)上安裝有火車(chē)的軌道模型，在兩軌道模型之間設(shè)置為汽車(chē)的公路模型（路面的摩擦系數(shù)可以改變），實(shí)現(xiàn)演示汽車(chē)與火車(chē)轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象時(shí)共用同一場(chǎng)地。在軌道模型內(nèi)側(cè)和外側(cè)安裝有聲光報(bào)警器，可探測(cè)汽車(chē)或火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)是否脫軌。在平臺(tái)外側(cè)插上懸空支架時(shí)，可使汽車(chē)或火車(chē)懸空，利用無(wú)線力傳感器可探究它們的最佳轉(zhuǎn)彎速率。整個(gè)支撐架和與之固定的旋轉(zhuǎn)桿可一起繞豎直支撐桿的頂點(diǎn)在豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎場(chǎng)地與水平面傾角的功能。

科學(xué)原理和方法

根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)，當(dāng)汽車(chē)或火車(chē)以安全速率轉(zhuǎn)彎時(shí)，車(chē)輪底面與路面間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；當(dāng)汽車(chē)或火車(chē)轉(zhuǎn)彎速率過(guò)小或過(guò)大時(shí)，它們將作近心運(yùn)動(dòng)或離心運(yùn)動(dòng)，即發(fā)生出軌現(xiàn)象。

主要材料

減速電機(jī)1臺(tái)，電機(jī)電源及轉(zhuǎn)速顯示器1套，無(wú)線力傳感器1套，帶短滑軌的半圓弧形支撐架1只，不銹鋼直桿1根，組裝有聲光報(bào)警器的平臺(tái)1個(gè)（汽車(chē)、火車(chē)共用），汽車(chē)輪子模型和火車(chē)輪子模型各1只，細(xì)鋼絲1根，懸空支架1只，平衡重錘1組，水平儀1只（見(jiàn)圖1）。

教具主要功能

演示或探究在某一傾角的路面上，機(jī)車(chē)以不同的半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全速率范圍。

演示或探究以某一半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)車(chē)在不同傾角的路面上的安全速率范圍。

探究機(jī)車(chē)以某一半徑轉(zhuǎn)彎時(shí)，或者在某一傾角的路面上轉(zhuǎn)彎時(shí)的最佳轉(zhuǎn)彎速率。

使用方法

本教具（圖2）可進(jìn)行以下演示。

觀察汽車(chē)或火車(chē)脫軌現(xiàn)象

將電機(jī)底座調(diào)節(jié)水平后，轉(zhuǎn)動(dòng)半圓弧形支撐，轉(zhuǎn)彎場(chǎng)地的路面成某一傾角，滑動(dòng)平臺(tái)，選擇好轉(zhuǎn)彎半徑，打開(kāi)聲光報(bào)警器開(kāi)關(guān)。開(kāi)啟電機(jī)的遙控電源，利用遙控器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速和聲光報(bào)警器是否報(bào)警。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，汽車(chē)輪子或火車(chē)輪子模型可能對(duì)內(nèi)軌產(chǎn)生壓力，這時(shí)內(nèi)側(cè)的聲光報(bào)警器報(bào)警；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，對(duì)汽車(chē)輪子或火車(chē)輪子會(huì)對(duì)外軌產(chǎn)生壓力，這時(shí)外側(cè)的聲光報(bào)警器報(bào)警。

探究最佳轉(zhuǎn)彎速率

把汽車(chē)或火車(chē)輪子模型懸空，并旋緊鎖定螺絲，使之固定在細(xì)鋼絲上。打開(kāi)無(wú)線力傳感器發(fā)射模塊開(kāi)關(guān)，將無(wú)線接收模塊及數(shù)據(jù)采集器與電腦連接好，并打開(kāi)配套軟件。以下操作方式與上述觀察汽車(chē)或火車(chē)脫軌現(xiàn)象相似，無(wú)線力傳感器能精確地探知汽車(chē)輪子或火車(chē)輪子在不同傾角的路面或轉(zhuǎn)彎半徑下產(chǎn)生近心運(yùn)動(dòng)或離心運(yùn)動(dòng)的受力情況。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)無(wú)線力傳感器受到的力為0時(shí)，從轉(zhuǎn)速表讀出的轉(zhuǎn)速就近似等于該情況下的最佳轉(zhuǎn)彎速率。圖3為描繪出的受力與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系圖。

創(chuàng)新點(diǎn)

利用汽車(chē)輪子和火車(chē)輪子模型代替汽車(chē)和火車(chē)整體。

利用聲光報(bào)警電路感知車(chē)輪的出軌現(xiàn)象。

利用無(wú)線力傳感器探究車(chē)輪對(duì)內(nèi)軌或外軌產(chǎn)生的壓力。

進(jìn)一步完善的設(shè)想

若能采用轉(zhuǎn)速變化更細(xì)微的調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，可增加實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性并提高測(cè)量的精確度。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類(lèi)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該裝置用于物理教學(xué)中展示汽車(chē)或火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全速率范圍，并能探測(cè)出不同路面上的最佳轉(zhuǎn)彎速率。該項(xiàng)目選題新穎、原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)合理，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新。作品實(shí)用性強(qiáng)、效果顯著，具有示范推廣價(jià)值?！?/p>