探究最佳轉彎速率演示器

鄭國利

研究背景

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

設計方法

本項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彎原理。

演示器的動力部分選用減速電機，可遙控式調節(jié)電機轉速。在減速電機的轉軸中心孔內插有1根豎直支撐桿，并用1條短滑軌夾住電機的轉軸。短滑軌上另套裝有1個半圓弧形支撐架，支撐架上固定1條長直旋轉桿。長直旋轉桿的一端安裝無線力傳感器和平衡錘，另一端伸長出去并安裝1個平臺。該平臺的旋轉半徑可以任意調節(jié)，平臺上安裝有火車的軌道模型，在兩軌道模型之間設置為汽車的公路模型（路面的摩擦系數(shù)可以改變），實現(xiàn)演示汽車與火車轉彎現(xiàn)象時共用同一場地。在軌道模型內側和外側安裝有聲光報警器，可探測汽車或火車轉彎時是否脫軌。在平臺外側插上懸空支架時，可使汽車或火車懸空，利用無線力傳感器可探究它們的最佳轉彎速率。整個支撐架和與之固定的旋轉桿可一起繞豎直支撐桿的頂點在豎直平面轉動，從而實現(xiàn)調節(jié)轉彎場地與水平面傾角的功能。

科學原理和方法

根據(jù)圓周運動知識，當汽車或火車以安全速率轉彎時，車輪底面與路面間無相對滑動；當汽車或火車轉彎速率過小或過大時，它們將作近心運動或離心運動，即發(fā)生出軌現(xiàn)象。

主要材料

減速電機1臺，電機電源及轉速顯示器1套，無線力傳感器1套，帶短滑軌的半圓弧形支撐架1只，不銹鋼直桿1根，組裝有聲光報警器的平臺1個（汽車、火車共用），汽車輪子模型和火車輪子模型各1只，細鋼絲1根，懸空支架1只，平衡重錘1組，水平儀1只（見圖1）。

教具主要功能

演示或探究在某一傾角的路面上，機車以不同的半徑轉彎時的安全速率范圍。

演示或探究以某一半徑轉彎時，機車在不同傾角的路面上的安全速率范圍。

探究機車以某一半徑轉彎時，或者在某一傾角的路面上轉彎時的最佳轉彎速率。

使用方法

本教具（圖2）可進行以下演示。

觀察汽車或火車脫軌現(xiàn)象

將電機底座調節(jié)水平后，轉動半圓弧形支撐，轉彎場地的路面成某一傾角，滑動平臺，選擇好轉彎半徑，打開聲光報警器開關。開啟電機的遙控電源，利用遙控器調節(jié)電機轉速，觀察電機轉速和聲光報警器是否報警。當電機轉速較小時，汽車輪子或火車輪子模型可能對內軌產生壓力，這時內側的聲光報警器報警；當電機轉速超過某一數(shù)值時，對汽車輪子或火車輪子會對外軌產生壓力，這時外側的聲光報警器報警。

探究最佳轉彎速率

把汽車或火車輪子模型懸空，并旋緊鎖定螺絲，使之固定在細鋼絲上。打開無線力傳感器發(fā)射模塊開關，將無線接收模塊及數(shù)據(jù)采集器與電腦連接好，并打開配套軟件。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彎半徑下產生近心運動或離心運動的受力情況。調節(jié)電機轉速，當無線力傳感器受到的力為0時，從轉速表讀出的轉速就近似等于該情況下的最佳轉彎速率。圖3為描繪出的受力與轉速變化關系圖。

創(chuàng)新點

利用汽車輪子和火車輪子模型代替汽車和火車整體。

利用聲光報警電路感知車輪的出軌現(xiàn)象。

利用無線力傳感器探究車輪對內軌或外軌產生的壓力。

進一步完善的設想

若能采用轉速變化更細微的調速電機提供動力，可增加實驗的穩(wěn)定性并提高測量的精確度。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該裝置用于物理教學中展示汽車或火車轉彎時的安全速率范圍，并能探測出不同路面上的最佳轉彎速率。該項目選題新穎、原理科學、概念清晰、構思巧妙、設計合理，對傳統(tǒng)方法有突破，具有實質性創(chuàng)新。作品實用性強、效果顯著，具有示范推廣價值?！?/p>