探究最佳轉(zhuǎn)彎速率演示器

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、火車在水平面、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、火車、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或火車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力；探究汽車或火車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)目所述汽車和火車均采用汽車輪子模型和火車輪子模型代替，以減小汽車或火車體積，更好地在課堂中演示汽車或火車轉(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)上安裝有火車的軌道模型，在兩軌道模型之間設(shè)置為汽車的公路模型（路面的摩擦系數(shù)可以改變），實(shí)現(xiàn)演示汽車與火車轉(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)汽車或火車轉(zhuǎn)彎時(shí)是否脫軌。在平臺(tái)外側(cè)插上懸空支架時(shí)，可使汽車或火車懸空，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)汽車或火車以安全速率轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪底面與路面間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；當(dāng)汽車或火車轉(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、火車共用），汽車輪子模型和火車輪子模型各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)車在不同傾角的路面上的安全速率范圍。

探究機(jī)車以某一半徑轉(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。

觀察汽車或火車脫軌現(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)，汽車輪子或火車輪子模型可能對(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)汽車輪子或火車輪子會(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

把汽車或火車輪子模型懸空，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或火車脫軌現(xiàn)象相似，無(wú)線力傳感器能精確地探知汽車輪子或火車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)

利用汽車輪子和火車輪子模型代替汽車和火車整體。

利用聲光報(bào)警電路感知車輪的出軌現(xiàn)象。

利用無(wú)線力傳感器探究車輪對(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)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該裝置用于物理教學(xué)中展示汽車或火車轉(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>