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全国青少年科技创新大赛获奖作品选（二） （论文类） 物理学科论文 对自行车前后轮受摩擦力方向的研究 湖北省黄石市第七中学徐晶晶 辅导教师 徐艳红 （全国一等奖） 摘要： 在研究性学习课中，我在徐艳红老师指导下进行了对自行车前后轮受地面摩擦力方向的实验研究，经过反复的实验探索和思考，我总结出六种有趣有效的判断方法，并充分认识到摩擦力方向与相对运动方向或相对运动趋势方向相反。 自行车能前进靠的是地面的摩擦力。我们要了解自行车的运动原理，首先就要了解当我们骑自行车沿直线正常前进时，地面对车轮的摩擦力情况。用怎样的方法，能够判断出地面对车前后轮的摩擦力方向呢？在研究性学习课中，我们以此为课题进行了多次实验研究。以下是我们总结出的几种实验判断方法，非常有趣和有效。
一、打滑判断法 寒冷的冬天，让自行车行驶在冰面上，由于冰的表面很光滑，车难以向前运动，而只是在原地打滑，我们发现车倾倒之前，只有后轮在原地打滑，而前轮并不旋转打滑。可见，后轮是主动向后“蹭”地面，所以地面对后轮的摩擦力方向是向前；而前轮，除非当自行车向前运动时地面会“主动”去“蹭”前轮，才能使它转动，可以看出地面对前轮的摩擦力向后。
二、“沙中受阻”判断法 让一个同学骑自行车在操场上的跳远沙坑中行驶，由于沙较深（约15cm），车轮会陷入沙中使行车困难，当车停止向前运动以后，由于骑车人继续奋力蹬车，旋转的后轮使它底下的沙子不断向后甩出，可见后轮对地面的摩擦力方向是向后的，根据牛顿第三定律，当然地面对后轮的摩擦力方向是向前的。 我们还观察到，车受阻后，前轮并不转动，可见它的情况与后轮不一样：自行车行驶时，前轮受到地面给它的摩擦力方向是向后。
三、“胶布卷边”判断法 在车的前、后橡胶轮胎外侧（轮胎上能够反复接触到地面的部位）各牢牢贴上一块医用胶布，在自行车向前行驶一段路程后，我们检察胶布，发现后轮所贴胶布是先挨地的一端起了卷边，而前轮所贴胶布是后挨地的一端起了卷边。可以想到，因为地面对后轮具有方向向前的摩擦力，对前轮具有方向向后的摩擦力，所以才有这样的结果。
四、“杂技联想”判断法 杂技高手可以使前轮腾空，只靠后轮着地向前行驶，只要他一直踩踏板，车就会一直向前，甚至可以加速，可见地面对后轮的摩擦力是向前。但是如果换成后轮腾空、前轮着地行驶，即使他一直踩踏板，自行车也会慢慢地停下，可见地面对前轮的摩擦力是向后。 在这里要注意，因为踏板轴链条是与后轮轴连接的，所以有这两种不同情况。
五、车轮“长”毛设想法 如果将软毛的刷子有毛的一面朝下，在桌面上拖动，那么软毛伏倒的方向，就能表明毛刷受摩擦力的方向。设想自行车前、后轮表面“长”满一圈短短的绒毛，那么这些绒毛在地面摩擦力作用下会倒向哪个方向呢？可想而知，前轮上一圈毛倒伏方向与后轮上一圈毛倒伏方向相反，如图1所示。 实验结果是否与图1相符呢？（本文为叙述方便，将后轮的毛倒伏方向称为顺时针方向，前轮的毛倒伏方向称为逆时针方向。） 1.我们用万能胶将两小块毛皮都按顺时针的毛方向分别粘牢在自行车前、后轮上。经过骑一段路程后发现，后轮顺时针的毛依然服帖，而前轮上原来顺时针的毛显出不那么服帖。 2.我们用万能胶将两小块毛皮都按逆时针的毛方向分别粘牢在自行车前、后轮上。经过骑一段路程后发现，这次是前轮逆时针的毛依然服帖，而后轮上原来逆时针的毛显出不那么服帖。 两次实验结果印证了设想的图1的结果，说明了自行车前、后轮受到地面摩擦力方向分别是向后和向前。
六、“主动、从动轮”直接判断法 观察普通的自行车，后轮胎是主动轮（它与踏板轴的链条连接），是能“主动”旋转的轮子，是使得自行车前进的“动力之源”：而前轮是从动轮，是“被迫”旋转的，起辅助行驶和辅助平衡的作用。主动轮受地面摩擦力方向是与车运动方向相同（向前），从动轮受地面摩擦力方向是与车运动方向相反（向后）。 以上六种方法，是我们在开展研究性活动课中，通过自己观察实验得出来的。用类似的方法，我们还研究了汽车行驶时前、后轮受地面摩擦力的方向，人行走时前、后脚受地面摩擦力的方向等等，充分认识到摩擦力方向与相对运动或相对运动趋势方向相反。开展研究性学习，既有趣又有效，同学们开动脑筋，思维活跃，比坐在教室里光是听老师讲效果要好得多，我们的思维能力和创新能力得到很大的提高。 注：黄石七中徐晶晶已于2004年保送到武汉大学应用物理专业。
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