玩具汽車中的物理知識(shí)點(diǎn)梳理和分析

王浩志

摘 要：玩具汽車雖小，蘊(yùn)含物理知識(shí)較多。本文對(duì)玩具汽車進(jìn)行了分類，分類標(biāo)準(zhǔn)為玩具汽車動(dòng)力的類型。然后根據(jù)不同類型玩具汽車的情況，聯(lián)系高中物理教科書，逐一找出其中蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)，涉及到力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等，不同的類型，知識(shí)點(diǎn)有差異。通過觀察、發(fā)現(xiàn)和整理知識(shí)點(diǎn)，能檢驗(yàn)和加深物理知識(shí)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，寓教于簡單常見的事物和現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：玩具汽車 物理知識(shí)點(diǎn) 梳理和分析

中圖分類號(hào)：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（b）-0067-02

每個(gè)孩子都會(huì)有很多玩具汽車，從小到大，從簡單到復(fù)雜，從小型到大型，從單一到系列，承載了孩子的成長之路。高中后，這些玩具汽車就進(jìn)了收納箱，基本被束之高閣。如果能在緊張的學(xué)習(xí)之余，找出當(dāng)年的玩具，結(jié)合自己學(xué)習(xí)的物理知識(shí)，在玩具中尋找物理知識(shí)點(diǎn)，能激發(fā)自己的學(xué)習(xí)興趣，也能鞏固自己的學(xué)習(xí)成果。本文從這個(gè)角度出發(fā)，就玩具汽車蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了分析和梳理。

1 玩具汽車的分類

不同的標(biāo)準(zhǔn)，可以把玩具汽車分為不同的類型。本文從動(dòng)力來源的角度出發(fā)，把玩具汽車分為：無動(dòng)力型、發(fā)條動(dòng)力型、齒輪發(fā)條動(dòng)力型、電力驅(qū)動(dòng)型、太陽能轉(zhuǎn)換電力驅(qū)動(dòng)型。根據(jù)電力驅(qū)動(dòng)型的驅(qū)動(dòng)開關(guān)設(shè)置又分為自身設(shè)置開關(guān)電力驅(qū)動(dòng)型和遙控開關(guān)電力驅(qū)動(dòng)型。這些不同型號(hào)的玩具汽車，蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)區(qū)別較大，有的單純涉及力學(xué)知識(shí)，有的則涉及力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等知識(shí)。知識(shí)點(diǎn)梳理以點(diǎn)帶面，偏重大的知識(shí)點(diǎn)輪廓，對(duì)個(gè)性化玩具涉及的小知識(shí)點(diǎn)不在總結(jié)之列。

2 不同類型玩具汽車的物理知識(shí)點(diǎn)

（1）無動(dòng)力型玩具汽車涉及的物理知識(shí)點(diǎn)。這類玩具汽車很常見，一般只單純涉及力學(xué)知識(shí)，主要是摩擦力。當(dāng)汽車在桌面上跑動(dòng)時(shí)，輪胎與桌面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，桌面相對(duì)于輪胎向前運(yùn)動(dòng)，就受到輪胎提供的向后的摩擦力，輪胎也受到等大反向的向前的反作用力，因此小車憑借桌面提供的摩擦力向前運(yùn)動(dòng)。輪胎和桌面的粗糙程度等決定著摩擦因數(shù)，輪胎胎面越粗糙摩擦因數(shù)越大，其他條件相同時(shí)則受到摩擦力越大。

（2）發(fā)條動(dòng)力型玩具汽車。此類玩具也非常常見，其中所蘊(yùn)含的原理主要是發(fā)條這種簡單的物理機(jī)械裝置。發(fā)條的工作原理主要是將能量輸入其中轉(zhuǎn)化為彈力勢能，在小車運(yùn)動(dòng)過程中彈力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能是小車獲得前進(jìn)的速度。在實(shí)際的生活中，轉(zhuǎn)動(dòng)小車外面的轉(zhuǎn)軸，用外力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸連動(dòng)齒輪最終使小車其中的發(fā)條也就是剛性彈片發(fā)生彈性形變從而具有彈性勢能，當(dāng)我們撤去外力時(shí)，發(fā)條恢復(fù)原本的形變，彈力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)是小車前進(jìn)。

（3）齒輪發(fā)條動(dòng)力型。就是我們平常所常見的將小車放在桌面壓住向后運(yùn)動(dòng)，松開手后小車向前跑的一類小車，它與發(fā)條動(dòng)力型汽車的原理基本相似，只是改變了“上發(fā)條”這一過程的方法。齒輪發(fā)條小車是通過輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行儲(chǔ)能的一種小車，發(fā)條發(fā)生彈性形變后的過程與發(fā)條小車相同。

（4）電力驅(qū)動(dòng)型的核心裝置為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)原理為電流的磁效應(yīng)。當(dāng)一導(dǎo)線通電后，其周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，若將其再放入一磁場中，則磁場之間將存在相互作用力，也就是我們所說的通電導(dǎo)線在磁場中受力。將導(dǎo)線放入磁場中，當(dāng)給導(dǎo)線通電時(shí)，導(dǎo)線就會(huì)收到力的作用，從而使導(dǎo)線轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)小車輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)。其中導(dǎo)線受力F=BILsinα，其中B為磁場強(qiáng)度，I為電力大小，L為導(dǎo)線長度，α為B與L的夾角。

圖1為最簡單的電動(dòng)機(jī)模型，左右兩邊是磁鐵提供磁場，中間是通電導(dǎo)線。用左手定則判斷通電導(dǎo)線受力方向，磁場方向向左，左邊導(dǎo)線電流往里則受力向上，右邊導(dǎo)線電流往外則受力向下，因此中間的環(huán)形導(dǎo)線在安培力的作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)起來。

（5）太陽能轉(zhuǎn)換電力驅(qū)動(dòng)型與普通電力驅(qū)動(dòng)型的差別則在于電能的來源不同，普通電力驅(qū)動(dòng)小車由化學(xué)電池提供電能，太陽能轉(zhuǎn)化電力驅(qū)動(dòng)型顧名思義是有太陽能轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池的原理則來源于光生伏特效應(yīng)，光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)簡稱光伏效應(yīng)，屬于內(nèi)光電效應(yīng)，而高中所學(xué)習(xí)的光電效應(yīng)則為外光電效應(yīng)，是指光子照在金屬上其能量可以被某一電子瞬間吸收動(dòng)能增加，當(dāng)其的動(dòng)能足以克服原子核對(duì)它引力所做的功時(shí)，就可以在極短的時(shí)間里逸出金屬表面形成光電子，從而形成光電子。由公式E=hv（h為普朗克常數(shù)，v為光子頻率） 可知，電子所具有的動(dòng)能只與v有關(guān)而與光強(qiáng)無關(guān)。因此每一種金屬在發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)都存在一個(gè)極限頻率，當(dāng)光的頻率大于極限頻率時(shí)，才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。此為外光電效應(yīng)，而內(nèi)光電效應(yīng)則發(fā)生在半導(dǎo)體中，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及導(dǎo)體，但如果給半導(dǎo)體中價(jià)帶的電子提供能量，將其躍遷到導(dǎo)帶中，從而在價(jià)帶中就產(chǎn)生了空穴，形成了一對(duì)可以導(dǎo)電的電子，這里的電子并未形成光電子逸出，但也顯然發(fā)生了由光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。

（6）玩具汽車上的其他物理知識(shí)點(diǎn)。 車輪上的摩擦力問題，有的玩具汽車因?yàn)橛秒娏?dòng)，動(dòng)力較強(qiáng)，但需要轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作設(shè)計(jì)，車輪會(huì)設(shè)計(jì)的比較粗糙，有意識(shí)增加摩擦力；車身上的反光漆原理，有的玩具廠商為了增加玩具汽車的觀賞性，有意識(shí)地為玩具汽車加裝反光漆，反光漆一般是把玻璃微小顆粒加入油漆中，當(dāng)光照射到玩具汽車時(shí)，微小的玻璃顆粒會(huì)有很好的反射作用，從而達(dá)到比較好的反光效果，有點(diǎn)類似于公路上的各類指示牌子。

3 玩具汽車涉及物理知識(shí)點(diǎn)的討論

經(jīng)過以上的論述，我們可以從玩具汽車中發(fā)現(xiàn)其中包含著不少的物理知識(shí)，主要包括力學(xué)摩擦力做功、動(dòng)勢能轉(zhuǎn)化、電磁學(xué)知識(shí)、光電效應(yīng)等。經(jīng)過一番研究學(xué)習(xí)，曾在課本上的知識(shí)原來就隱藏在我們的生活中，并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，與我們的生活息息相關(guān)。

這些物理知識(shí)不僅僅只是應(yīng)用在玩具汽車上，摩擦力是我們生活必不可少的組成，沒有摩擦力我們將寸步難行，其應(yīng)用也極為廣泛，傳送帶等等都依靠著摩擦力帶動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)。發(fā)條裝置這種簡單的機(jī)械裝置在機(jī)械手表等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。電流磁效應(yīng)與光伏效應(yīng)應(yīng)用更是廣泛。幾乎所有的電器都利用著電流磁效應(yīng)，如電視、手機(jī)、電磁爐等等以及磁懸浮列車也應(yīng)用了這一原理。光伏效應(yīng)則在通信、交通、海洋檢測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

小小的玩具汽車就蘊(yùn)含著這么多的物理原理，我們的日常生活更有許多物理知識(shí)等待我們探索。我們要把課堂上學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中學(xué)以致用。物理作為一門自然科學(xué)是其他自然學(xué)科的基礎(chǔ)，學(xué)好物理能讓我們更好地了解事物發(fā)展規(guī)律從而更好地了解世界。

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