PDF《奇妙的机械》

奇妙的机械 手册 机器是使人们工作更加轻松的工具.

在物理学中,无论何时你用力移动物体 就是做功. 滑板、汽车、自行车、铁锨、船只、门、电灯开关和楼梯都是机器. 简单机械就是最简单的工具. 简单机械有六 种:斜面、楔子、螺丝、杠杆、轮子与轮轴以 及滑轮. 杠杆 轮轴 滑轮 斜面 螺丝 楔子 简单机械通过如下方式让工作更加容易: 改变力的方向. 当你升起旗杆上的旗子时,你往下拉缠绕在滑轮上的绳子就可以把旗子升起来. 改变力的距离. 假设你需要把一个重箱子搬到大楼的第二层. 通过斜面(如一组楼梯)搬运比直线抬升更 加容易. 但是如果你沿着楼梯搬运箱子,通过的距离会比垂直抬升的距离长. 改变力的强度. 开瓶器就是一个杠杆. 你可以施加一个微弱的力向上拉动开瓶器经过一段较长距离,它便 会对瓶盖产生短暂但强劲的力量. 简单机械能使工作变得轻松,但是它们不会减少所做的功. 虽然它们能够改变力,但是它们不能增加力. 总是存在力与距离的权衡. 如果距离增加了,那么力的强度就会减少. 如果力的强度增加了,那么力经过 的距离会缩短. 简单机械需要能量或电力做功. 在很多情况下,你通过用力推或者拉提供施加力所需要的能量,但是能量 也可以从汽油或电力获取. 所有这些都是输入力. 机器的反应或效果就是输出. 输入和输出的能量总值 总是守恒的. 自行车也是一个机器,它能使你轻松抵达目的地(而且还更有趣!),但它不会减少抵达目的地所需的功. 你还是要用脚蹬或用手推,有时候你还要用力推. 但是,机器和人配合,就可以穿越城镇,或者制造船只 和建起摩天大楼! 在你使用该应用程序前 做一次寻宝游戏. 在你的家里能找到什么简单机械? 在你的教室呢? 在你家附近呢? 在一个复杂的机器 里面呢? 列一个清单. 记录每一天你用到多少个简单机械. 在应用程序中 我们鼓励开放式玩耍和探索. 摆弄每种机器都会带来有助于学习的惊喜与奖励. 您和您 的孩子可使用杠杆来摧毁一座城堡,用斜面来弹奏音乐,用滑轮来装饰天空,用螺丝来 抬升鱼缸,借助轮子与轮轴骑行穿越障碍训练场,用楔子打破一座冰山. 留心观察每一种简单机械. 识别各种简单机械,知晓其用途,并懂得如何使用它们. 尝试识别可以帮助你完成工作 的各种机器的部件. 推一推,拉一拉,每种机器都玩一下. 通过点击或拖动每种机器来施加输入力. 观察机器对输入力做出什么反应. 对每种机器都做些改变. 改变每种简单机械:移动杠杆的支点、增加一个滑轮、改变斜面的长度或高度、选用不 同螺纹的螺丝,试用其它规格的轮子和楔子. 注意对机器的每项改动会怎样影响它对输 入力的反应. 移动滑块来查看每种机器是怎样工作的. 在每种机器上施加输入力, 箭头会跟踪你的操作以及机器的反应或输出. 箭头会指示出你施加给机器的输入力. 它填满的部分越大,表示你施加的力越大. 问题讨论 各种简单机械都有什么部件? 每种简单机械可以帮你做什么工作? 如果不使用简单机械, 当你试图做同样的工作时, 会发生什么情况? 你曾使用过这种机器吗? 你能对这种机器做什么改变? 这会如何影响你正在做的工作? 杠杆是围绕一个固定支点旋转的杆. 跷跷板、手推车、和 镊子都是杠杆. L它是如何工作的? 杠杆可以用来抬起、弹射和平衡物体. 一共有三种不同类型的杠杆, 每一种都能以不 同的方式助力你的工作: 第一类杠杆的中间区域有一个支点,这个支点在你施加的输入力和输出力之间. 它能 改变你施加力的强度、距离和方向. 你可按下杠杆的一端,把支点另一侧的负载举 起. 跷跷板就是这样工作的. 开瓶器也属于第一类杠杆:你可以轻轻地推动杠杆长臂 以便在短距离内有力地提起物体. 或者,也可以在杠杆短臂上施加强劲的推力以使杠 杆的另一端长距离移动. 杠杆 负载 输出 第一类杠杆 支点 输入 在第二类杠杆上,输出力或需要移动的负载位于中间区域,处于你施加的输入力和支点 之间. 第二类杠杆能改变你施加力的强度和距离(这与第一类杠杆不同.在第一类杠 杆中,你施加力的方向是不改变的). 想一想独轮手推车的工作原理:当你经过较远 的距离以较小的力拉起杠杆的一端时,位于中间较重的负载会只会很容易地向上移动较 短的距离,与此同时,支点位于杠杆的另一端. 在第三类杠杠中,你施加的输入力作用于杠杠中部,而负载(或输出力)在一端,支点 则在另一端. 它能改变你所施加力的距离和强度. 当你在较短的距离内对镊子的中间 部位施加力时,只需较小的力度,它们就能使位于支点另一端的物体移动较长的距离. 或者换句话说:这种杠杆更为精致. 这就是为什么镊子更适合我们笨拙的双手无法完 成的任务的原因. 力和距离之间如何权衡? 你可以轻轻按动杠杆长臂在短距离内提起重物. 如果要将一个物体移动较远,你必须 在杠杆短臂上施加强大的输入力. 一些杠杆会产生与输入力相反的输出力,也有一些杠杆会产生与输入力方向相同的输 出力. 第二类杠杆 第三类杠杆 负载 负载 输入 输出 输出 输入 在应用程序中 按下杠杆. 球会出现什么情况? 当你把这个杠杆的一端按下或施加输入力时,另一端将会向上移动. 你能更轻松地提起 物体-或在这种情况下,在重力的帮助下往下压――将物体发射进城堡内. 这是哪一类杠杆? 因为支点位于输入力和输出力中间, 所以这是第一类杠杆. 移动支点并且按下杠杆. 当施加的输入力接近或者远离支点时, 会出现什么情况? 当输入力距离支点较近时,你必须在较短的距离内施加较大的力,但你可以移动杠杆另 一端的负载经过较长的距离. 这是弹射器的工作原理. 如果将支点移至远离输入力并且靠近输出力的位置后,你可以在较长的距离内施加较小 的力,这样输出力的强度就会变大. 这是开瓶器或撬棍的工作原理. 请注意在这两个例子中, 杠杆可以改变力的距离和强度, 但不会增加你行动的能量. 进一步学习 问题讨论 请你在家里找出一个杠杆并使用它. 支点在哪里? 你在哪里施加输入力,而输出力又在 哪里呢? 它是什么类型的杠杆呢? 杠杆应用在很多的体育运动中. 你能想到体育运动员使用的杠杆有哪些吗? 试验 你需要: 一个结实的尺子(或者其它长的、结实的平坦物体) 一支钢笔或铅笔 一摞书 做一个杠杆 让您的孩子用双手将一摞书举高两英寸. 问他(她)只用两个手指能否把书举起来. 将尺子的大约两英寸插到那摞书下. 在靠近那摞书的位置、而不是书的下面,与尺子垂直、在尺子下插上一支铅笔. 保持铅笔的位置,让您的孩子用两只手、然后用两根手指、最后用一根手指向下按压 尺子. 在您的孩子利用尺子和铅笔做杠杆时,需要几只手或几根手指才能举起那摞书? 与直接将那摞书举起相比,利用尺子做杠杆举起那摞书感到比较容易还是比较难呢? 轮子与轮轴是一个轮子在轮轴上旋转. 轮轴是固定轮子的圆 柱体. 在自行车上,轮轴将轮子固定在自行车架上. 如果 没有轮轴的话,轮子最终会滚离. 它是如何工作的? 轮子与轮轴能通过改变力的强度和距离,帮你移动负载或你自己(或二者!) 你可在较 短距离对一个轮轴施加强大的输入力,从而在较长距离移动轮子. 你也可以在一个较长 距离对一个轮子施加较弱的输入力,并以强大的输出力移动一个轮轴. 轮轴也能改变力的方向. 在你坐在自行车上蹬着脚蹬做旋转运动时,自行车向前做直线 运动. 轮子与轮轴也能帮助以较小的摩擦力移动物体,从而使劳动更加容易. 轮子比平的物体 与地面接触面小,这能消除拖动中的摩擦力. 力和距离之间如何权衡? 不同尺寸的轮子可用于不同的情况. 如果受到同等的输入力,较小的轮子将产生更大的 输出力,但行走的距离较短;