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创意机械设计 | 冰雪运动之花样滑冰

物理 小学低年级 小学高年级 初中 科普课程 乐高玩机械

教学目标

配合冬奥项目中的花样滑冰运动,使用机械结构模拟运动员在赛场上的动作讲解了物理知识——角速度与线速度。
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建议时长

40分钟
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科技学堂

花样滑冰项目介绍 2分钟

        花样滑冰是技巧与艺术性相结合的一个冰上运动项目。在音乐伴奏下,在冰面上滑出各种图案、表演各种技巧和舞蹈动作,裁判员根据动作评分,决定名次。国际滑冰联盟规定的比赛项目有单人花样滑冰、双人花样滑冰和冰上舞蹈 3个项目。


花样滑冰的特点 5分钟

        在我们观赏花样滑冰的时候,除了运动员在冰上滑行,滑出各种美丽的曲线以外,还会看到运动员们在冰上快速的旋转,或是跳跃起来后在空中进行旋转,非常的美丽。

花样滑冰1.png

        还有一种情况相信大家也都非常熟悉,最开始花样滑冰运动员身体收拢,一条腿神展开远离身体开始旋转,这时运动员旋转的速度是比较慢的,而随着运动员将腿靠近身体,运动员的转速越来越快。

花样滑冰2.png

        那么本次课程我们就使用齿轮间的相互运动来模拟一下花样滑冰运动员们的风采。

齿轮的原理 5分钟

        齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件,是能互相啮合的有齿的机械零件,齿轮同样分为很多种类,最为常见的就是我们的普通齿轮,形状为一个圆形,圆的边上有小齿可以相互配合,还会有扇形齿轮、偏心齿轮、异性齿轮等等很多的种类。

        如果想要两个齿轮完美啮合,顺畅转动达到运动的传导功能,则需要两个齿轮的齿厚、齿高、齿距等等很多个参数都相互配合才可以,比较复杂。

花样滑冰3.png

        我们本次课程主要探究的是齿轮间的齿轮配合问题,主要针对的是角速度与线速度之间的转换。


1.角速度

        一个以弧度为单位的圆(一个圆周为2π,即:360度=2π),在单位时间内所走的弧度即为角速度。公式为:ω=Ч/t(Ч为所走过弧度,t为时间)ω的单位为:弧度每秒 。角速度往往可以决定出一个物体的旋转速度。


2.线速度

        物体上任一点对定轴作圆周运动时的速度称为"线速度"(linear velocity)。它的一般定义是质点(或物体上各点)作曲线运动(包括圆周运动)时所具有的即时速度。它的方向沿运动轨道的切线方向,故又称切向速度。它是描述作曲线运动的质点运动快慢和方向的物理量。物体上各点作曲线运动时所具有的即时速度,其方向沿运动轨道的切线方向。

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3.齿轮中的线速度与角速度

        齿轮是用来传递运动的,而两个齿轮间相互配合可以达到一些加速或减速的过程,这是因为齿轮间传递运动依靠的其实就是线速度与角速度的之间的传递,下面的齿轮组中,红色的为主动轮,给整个齿轮组提供动力,蓝色为被动轮,主要用来进行动力的输出。

两个相互啮合的齿轮之间,他们的线速度是一样的。

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        而两个同轴的的齿轮,他们的角速度是一样的。

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模型拼装 20分钟

        接下来我们根据给出的图纸对模型进行拼搭,并测试我们的花样滑冰模型。

花样滑冰7.png

探究性学习 8分钟

①如何使得齿轮线速度、角速度的加速和减速?

②调节不同的齿轮配比,达到改变两个花样滑冰运动员的转速。

可提供的解决方案:

1.齿轮角速度的加速与减速

        如果是一个大齿轮与一个小齿轮啮合,如下图所示,左侧的齿轮主动转动带动右侧的齿轮,在线速度一致的情况下,就可以让小齿轮的角速度加快达到加速的效果。

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        反之,如果是小齿轮和大齿轮啮合,如下图所示,同样是左侧齿轮主动转动,在线速度一致的情况下,就可以让大齿轮的角速度减慢达到减速的效果。

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2.齿轮线速度的加速与减速

        其实线速度的加减速很简单,只需要在角速度的加减速上给蓝色的被动轮加上一个同轴的大小不同的齿轮就可以达到效果。

        下面是一个线速度加速的齿轮配合,使用大齿轮带动一个小齿轮,首先达到角速度加速的效果,再通过同轴的角速度一致原理,使得蓝色的大齿轮获得比红色大齿轮快的多的角速度,达到线速度加速效果。

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        反之亦然。

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        可以让两名同学作为一组,将配件结合在一起去进行试验。

使用器材