1、第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文0 第三届全国中学生数理化学科能力竞赛物理应用论文山地车挡泥板挡泥效果的应用论文山西省太原市成成中学高一年级 1003 班 吕 嘉 玮 第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文1 指导老师：牛 晨山地车挡泥板挡泥效果的应用论文山西省太原市成成中学高一年级 1003 班 吕嘉玮 指导老师：牛 晨摘 要： 现在，山地 车在人们的日常生活中已经非常普遍，但是，一到下雨天，大家就会深受山地车后轮溅起的泥点困扰。为了解决这一问题，人们通过各种方式来增加挡泥板的长度，以此来减少落在身后的泥点，但是，挡泥板究竟多长为宜呢？本文旨在尽可能不改变大家日常骑行习惯和较低成本
2、的前提之下，利用抛体运 动 圆周运动、虹吸等物理知 识，运用控制变量法等物理实验方法进行实验并采集、分析所得数据，从而对现有的挡泥板进行合理的调整，使其尽可能满足人们 的需求。关键词：抛体运动 圆周运动 控制变量法 虹吸 挡泥板1 前言自行车是一种非常受欢迎的交通工具，特别是在如今低碳生活的生活方式之下，自行车的作用便显得格外重要。其中，山地车受到大多数青年人的追崇，但是，下雨天溅到背后的泥点让大家对山地车“又爱又恨” ，我也是这群人当中的一个。在学习了抛体运动 与圆周运动 之后，由普通自行车的后轮结构，我想到能否通过对现有的挡泥板进行改造，使其能够阻挡大部分在雨天由后轮甩出的泥点。在请教了物
3、理老师之后，我决定研究这一课题，来对现有的挡泥板进行改造。为了简化物理研究模型，在本实验中主要对影响实验效果明显的因素进行探究，并依照现有的知识，采集、计算并分析采集的数据来得到结论，本文的文章结构阐述如下：通过采集数据，对挡泥板的长度与泥点的落点之间的关系进行分析；最后得出结论。探究流程大致如下：确定研究对象与研究目的第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文2 准备实验材料与记录数据的准备控制变量，探究挡泥板的长度与泥点的落点之间的关系通过实验，对数据进行分析，缩小长度范围 运用数学方法并结合理论运动公式来得出较精确结论 误差分析得出结论2 主体挡泥板是山地车在雨天必不可少的设备，自行车的挡
4、泥板在一定程度上可以极大地减少落在身后的泥点，但是挡泥板究竟多长为宜呢？我为此进行了实际的探究实验。在实验中，我选用了捷安特2011 ATX 770-D 的自行车 ，该车轮胎采用正新 MAVERICK 26X1.9 TPI 60 城市山地车轮胎，车辆尺寸为 2617M，轮胎半径34cm，实验时车座高度为 90cm，座位与挡泥板的竖直高度差为第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文3 21cm,挡泥板距轮胎顶点的竖直高度为 11cm。车轮的线速度约为15km/h（约为 4.16667m/s） 。（图 1）图 1 中，F 点是泥点的甩出点，当车轮转动时，泥点会在各 F点沿切线方向飞出，如果安有挡泥
5、板，泥点就会被阻挡而不会溅落到人的后背。通过分析我们可以知道挡泥板长度越长，其挡泥效果越好，但是，挡泥板却不可以无限制的延长，其一，挡泥板过长会影响其美观，会增加风阻和山地车的重量，且一旦受损发生变形，极有可能会与车轮发生摩擦而影响山地车行进，其二，更重要的是积淀在挡泥板上的泥会随速度和时间增加愈来愈多，最后会和车轮产生摩擦第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文4 而阻碍自行车的行进，所以挡泥板应当尽可能的短，但过短势必会影响其挡泥效果。故挡泥板的长度应尽量控制在一个合理的范围之内。根据物理必修二所学的知识，我们可以知道，泥点在甩离车轮时，会在该点的切线方向上，以车轮的速度为初速度做斜抛运动
6、或竖直上抛运动。为了确保试验在理论之下进行，首先应当使车轮在竖直方向内转动，其次，车轮表面应当源源不断的有泥水注入，并且应尽可能控制车轮的线速度一定。为了满足以上目的，我用支架将自行车的后轮抬起，使其能够在竖直面内匀速转动，并利用虹吸原理，将蓄好的水供应到车胎表面，从而使实验能够较真实的模拟雨天的骑乘环境。接下来，进行多次实验后得到以下数据（在实验中发现：当挡泥板的长度小于 35 厘米时，挡泥板几乎没有任何效果，故表中只列出了 3570cm 时的统计数据）：(表 2）物理实验数据采集挡泥板长度 l/cm 35 40 45 50 55 60 65 70最高落点距挡泥板的高度 M/cm72 42
7、35 33 27 18 12 0第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文5 （表 3）（图 4）通过分析，我们可以得知最高落点距挡泥板的高度 M 随挡泥板长度的增加而逐渐减小。忽略实验误差之后，可以发现随着挡泥板长度的减少，落点高度的增速越来越大，因此应将挡泥板长度控制第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文6 在一个较长的范围之内：5665cm 之间。此时，由后轮甩出的泥点都被控制在距挡泥板 1221cm 的高度之间，对人的影响较小，且长度不会过长。此外，为了得到更加精确的结果，我采用数学方法对结果进行求解。为了便于研究，现忽略全部空气阻力。根据实验数据拟合出图 3 所示的多项式图像，建立挡
8、泥板长度与最高落点距挡泥板高度函数关系，又根据斜抛运动的位移公式cos0vx tvx)cos(0和速度公式 合并解得 gtyin 21ingty所以,y ，可得220costaxvx 2x63.18079.436. llM由题可知：M21cm 即 21cm63.18079.42ll根据函数关系式，先用 Excel 求出挡泥板长度为 5660cm 时最高落点距挡泥板的高度，如下表所示，可以缩小范围挡泥板的长度范围到 5661cm.进而缩小范围到 56.561cm。挡泥板长度为5665cm挡泥板长度 l/cm 56 57 58 59 60最高落点距挡泥板的高度M/cm 21.2372 19.736
9、1 18.2822 16.8755 15.516挡泥板长度 l/cm 61 62 63 64 65最高落点距挡泥板的高度M/cm 14.2037 12.9386 11.7207 10.55 9.4265（表 5）第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文7 挡泥板长度为56.561cm挡泥板长度 l/cm 56.5 57 57.5 58 58.5最高落点距挡泥板的高度M/cm 20.4807 19.7361 19.0032 18.2822 17.5729挡泥板长度 l/cm 59 59.5 60 60.5 61最高落点距挡泥板的高度M/cm 16.8755 16.1898 15.516 14.8
10、539 14.2037（表 6）综合上表及实验数据，得出以下结论：挡泥板长度为 5761cm较为适宜，此时能够阻挡大部分泥点，并且挡泥板长度不会过长。 3 误差分析在实际实验中，往往会有很多因素影响实验进行或干扰实验的结果，因此在得出结论时，应当充分考虑误差对实验的影响并排除错误数据，从而得到一个正确而又完备的实验结论。在本次实验中，对实验结果影响较大的因素主要有空气阻力以及水自身的质量。在实际中，泥点会相对于地面做相对的快速运动，根据空气阻力的公式 可知，空气阻力是与速度的平方成正比的， 因此，21SvCF此时的空气阻力是不可忽略的。因为泥点的实际运动方向与人的运动方向是一致的，既向前运动，
11、所以其空气阻力应当向后。鉴于本次实验得到的数据是由实际出发得到的，因此空气阻力对挡泥板由实验得到的长度范围不会有影响，而对经计算所求结果会有一定的影响。所以，应将长度适当加长，即控制在 0.600.64m 的范围之内。第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文8 在这次实验中，我采用自来水来代替雨天的路面积水，因此泥点的质量变化微乎其微，并且，根据抛体运动公式和动能定理公式可以得出落点的的距离与其质量无关，所以，可以忽略泥点质量对实验结论的影响。4 实验结论综上所述，在实际生产生活中，挡泥板的合理长度应为 0.60m到 0.64m 之间，此时，挡泥板的工作效果最佳。参考文献：抛体运动：百度百科 http:/ http:/ 捷安特自行车中国官网 Giant Bicycles China | China 中国http:/ 普通高中课程实验教科书物理必修 2，人民教育出版社 2010 年 4 月3版 百度知道：http:/ 件：实验装置和实验照片第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文9 第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文10 第三届全国数理化学科能力竞赛物理应用论文11
