【教学案例】重力小车的设计与制作

本文设计与制作的重力小车是基于中学物理教材：人教版九年级物理第十四章《内能的应用》第3节《能量的转化和守恒》，本文结合STEM教育理念设计与制作的重力小车，在前人设计的基础上进行改进，改进后的小车既可以实现重力势能转换为动能又能实现重力势能转化电能，既是对实验内容的扩展 南宫体育，也是对跨学科实践项目开发的探索，对于引导学生将物理与技术，工程及数学进行整合，培养学生的综合素质有着重要的意义。

1.基于STEM教学理念的设计

1.1 重力小车结构设计及材料选择

本文以STEM教育理念为切入点，结合重力小车探究能量转换的规律来改进重力小车车身的整体结构，在材料选择方面，由于摩擦力与压力成正比，为减少摩擦力需要尽量减小车自身重量，故选用亚克力板 南宫体育，铝合金及玻璃纤维等轻质材料作为重力小车的主材料，底板作为小车车身的支撑，其材质和尺寸尤为重要，重力小车的三维图如图1所示，由车身部分，重力驱动部分，齿轮传动部分及电磁发电部分组成。

本车底板采用10mm的亚克力板，减轻车身的同时降低小车重心，小车采用三轮结构，一个轮子在前面，后面两个轮子，前轮的直径设计为20mm，主要起支撑作用 南宫体育，后轮的直径设计为130mm，后轮的直径做得比较大主要是使小车整体稳定，轮子厚度仅为4mm，比较薄，减轻小了小车的重量，考虑车身结构的安装及调整，车身基本上是由亚克力板材经激光切割而成，精确度高，重力驱动部分承接重物的立柱采用机械强度高的玻璃纤维材料，不易折断损坏，且成本低廉，重物支撑架放置于车轮上方，并在车身中央稍靠后的位置，防止配重下落过程中小车重心偏移而侧翻，传动部分的齿轮为铝合金材质，优点为密度低，强度高。

1.2 重力驱动部分

重力驱动部分由重物支架，重物和定滑轮组成，由细绳和定滑轮将重物和主动轮连接起来，通过配重下落将重力势能转化为驱动小车运动的能量，配重选用的是标准砝码 南宫体育，可下降最大高度为300mm，重物由高处自由落下，在下落的过程中小车的重力势能通过齿轮等传动装置转化为小车前进所需要的动能，从而驱使小车运动，此部分可通过重物下落直观展现出重力势能的变化。

1.3 齿轮传动部分

经过工程技术分析，由于二级传动比较大，齿轮传动部分选用了可以保证小车行进速度，距离及稳定性的二级齿轮传动，图2所示是齿轮传动部分的三维图形 南宫体育，此传动结构相比于其他传动方式，齿轮传动结构简单紧凑，传动稳定，且传动效率较高，齿轮选择使用了精确度较高的齿轮标准件，二级齿轮传动结构的传动比分别为100:20和110:20的二对啮合齿轮来传递动力。

齿轮传动部分传动简图如图3所示，主动轮与齿轮1同轴，齿轮1带动齿轮2，传动比为100:20，即主动轮转1圈，齿轮1转1圈，齿轮2转5圈；齿轮3与齿轮2同轴，齿轮3带动齿轮4，传动比为110:20，即齿轮2转1圈，齿轮3转1圈，齿轮4转5，5圈；齿轮4与小车右侧后轮同轴，主动轮转1圈，齿轮4转27，5圈，小车右侧后轮同样转27 南宫体育，5圈，小车左侧后轮跟随右侧后轮转动。在传动过程中，小车选择后轮单侧驱动，结构比双轮驱动更简单。此小车结构可以使其重物在下降高度有限的条件下运动得更远，有利于学生进行实验操作及观察。。

1.4 电磁发电部分

小车上加装了小型的发电机，电磁发电部分由车轮旋转带动发电机中的线圈或磁体发生转动 南宫体育，将由势能转换成动能继续转换为电能，由于小发电机外的齿轮太小，不能与车轮上的齿轮啮合，所以在小齿轮上套上大齿轮，使大齿轮可以与车轮上的齿轮啮合，重物通过定滑轮拉动大齿轮，大齿轮带动小齿轮，小齿轮直接连接发电机，小齿轮和发电机同轴转动，发电机内部的线圈切割磁感线，产生感应电流，可以使外接的小灯泡发光。

2.重力小车实验项目

重物通过定滑轮拉动与齿轮1同轴的主动轮（线轮），线轮直径48mm，绳子绕线轮一圈长度大约150mm，选线长为300mm，则可以绕线轮约2圈，大齿轮转动经过二级传动总传动比(100：20和110：20)为27，5：1，当重物从最高点下落，车轮可旋转55圈。后轮直径是130mm，理论上小车行驶的距离为22，45m。 南宫体育。

2.1 重力势能转化为动能

STEM教育理念以科学原理为依托，掌握各种学科基础是开展STEM教育的前提，在重物下落过程中重物的重力势能转换成小车的动能，其表达式为： 南宫体育。

M，m分别为小车和配重的质量，h为配重下落的高度，小车运动的初速度为0，v为小车运动的末速度。根据小车前进的距离和时间计算加速度和末速度，从而算出小车的动能。

使用质量为1kg的标准砝码，通过改变砝码下落的高度，测出重力小车在相对光滑的平面上行进的距离及运动时间，数据如表1所示。

由表1看出，小车的动能随着重物下落高度的增加而增大，此过程演示了重力势能转换为动能，在重物有限下落高度的前提下小车行进距离较远，更利于学生观测。但是由于存在摩檫力，只有一部分的重力势能转化为动能。

2.2 重力势能转化为电能

在重力势能能转换为电能的实验中，测量不同质量的重物从相同高度下落时灯泡两端的电压及电流，计算其电功率。电功率表达式为：

P为电功率，U为电压，I为电流。

选用2kg、2.5kg和3kg质量的砝码，使它们从相同的高度300mm下落，车轮转动带动发电机中的导体切割磁感线产生电磁感应，测量灯泡两端的电压及电流大小，并计算电功率，测量结果如表2所示。

由表2可看出，由于重力势能随砝码质量增加而增大，数据显示灯泡的电功率越来越大。在实验过程中可观察到灯泡亮度为缓慢变亮。