玩中悟理课程——小玩意-大智慧.doc

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1、啄木鸟是一种有趣的玩具，一只小啄木鸟模型通过弹簧联结在套筒上，将套筒置于金属直杆的顶端，放手后啄木鸟开始有节奏地摆动身体，一边啄木一边间歇地时滑时停地向下滑动。可是你知道吗？在它的趣味现象背后隐藏了大量的物理学知识。探究“啄木鸟”中蕴藏的物理知识啄木鸟的运动及工作原理啄木鸟的结构（见右图）与运动形式比较简单：一只小啄木鸟模型通过弹簧联结在套筒上，并将套筒置于带有底座的金属直杆的顶端。当放手后啄木鸟开始有节奏地摆动身体，一边啄木一边间歇地时滑时停地向下滑动。人在爬杆的顶端，若放松握杆的双手和夹杆的双腿，人就会沿杆滑下，为什么它一边下降还一边点头啄木？为了研究玩具啄木鸟产生如此奇妙运动的原因

2、，首先我们可以自制了一个类似的简化玩具：探究过程实验器材：玩具啄木鸟、直径为3毫米的铁丝、底座、小金属片（铝或铁片，厚0.5毫米，长宽分别为20和30毫米）、手摇钻、3毫米钻头及塑料衣夹等。实验步骤：在小金属片的一侧钻一个略大于3毫米的孔，再把晒衣夹夹住金属片离孔稍远的一侧，把它们套在竖直杆上（如图所示），进行以下实验：  （1）用手拿着夹子，分别使金属片保持水平和倾斜状态，并同时使它向下运动，体验一下轴孔摩擦力的情况。（2）调整夹子离开轴孔的距离，使夹子金属片系统能较好地从杆上一边振动，一边下滑，仔细观察运动的情况。并思考产生这种运动变化的原因。物理学原理分析：为了便于分析啄木鸟运动的

3、特点和原因，我们作出如右下图所示的模型.设金属片的厚度为h,轴径为d,金属片与夹子系统的重心在O点，它离开轴右侧O'点的距离为l，系统所受重力为G，系统静止在杆上时，杆对轴孔两侧的压力和摩擦力分别为N1、N2和f1、f2。由力的平衡和绕O'点的转动平衡条件可得到下列方程：－N1＋N2＝0,  F1＋f2－G＝0，N1h－f1d－Gl＝0。而夹板不滑动的条件为 f1＜uN1，f2＜uN2，整理上述各式可得    h/2l＋d＜u。   从此可知，在满足上式的条件下，系统与杆不产生滑动，但由于夹片系统等效为一种簧片振子，在我们分析的位置上，簧片已产生形变，振子O将向上运动，当夹片处于水平位置

4、时，孔与轴不再被“卡”住，轴与孔壁间的压力N1、N2减小，不满足f1＜uN1和f2＜uN2的条件，于是产生滑动，同时由于N1减小，N1h－(f1d＋Gl)＜0，夹片系统将顺时针转动，以致孔壁左侧下缘和右侧上缘与竖轴接触，压力N1和N2大到一定程度时uN1＋uN2＞G，夹片就再次“卡”住。随着振子向下再向上运动，夹片再次打滑,边向下，边转动，又再次“卡”住，如此循环，就出现了啄木鸟式的运动。想一想：1.在这些过程中有哪些能量发生转化?那又是如何的转化？2.为什么说“啄木鸟”中含有“大智慧”（请相互讨论归纳啄木鸟在运动过程中涉及到哪些物理知识？）课堂讨论总而言之：啄木鸟的运动时，当套筒倾斜，

5、端部与直杆接触，啄木鸟玩具且接触处的摩擦力足以平衡套筒和啄木鸟的重量时，啄木鸟即作短暂地停留。而当接触处的摩擦力小于重力时，约束即被解除，啄木鸟向下滑动，直到套筒再次倾斜，端部与直杆再次接触时为止。在此过程中，啄木鸟作周期性摆动，使套筒的姿态，以及套筒与直杆接触处的压力随之改变。与压力成正比的摩擦力亦随之改变.摩擦力的周期性变化正是套筒与直杆之间发生粘着一滑动一再粘着现象的根本原因。啄木鸟原理在生活中应用有一种挂重物的随意钩，它的结构如右图所示，钩子上挂上了重物后能够自由地停留在任何位置，它靠的是横杆对钩轴产生的摩擦力，这种结构的原理与啄木鸟是类似的。阅读材料一：从随意钩到爬杆器什么是随

6、意钩？在北方农村，要生火取暖，会把炉子或火盆放在“炕”上，把水壶吊在炉子上加热。而吊住水壶的，就是我要讨论的“随意钩”。它大部分是由竹筒和竹竿做成，在竹筒上放有一根竹竿，下端有一个钩子，水壶就挂在钩子上加热。当然，你也可以挂别的东西加热。不同的东西的尺寸不一样，钩子到炉子的距离也相应不同，所以钩子的位置也需要经常变化。而随意钩的妙处就在于钩子能够“随意”停留于任何位置，可以方便地改变钩子的高度。那么，随意钩下面吊着重物，又如何保证它停留在任意高度，而不因为载重而下滑呢？下面对随意钩“随意”停泊的原理作一番简析。右边是一个简化变形了的随意钩，(其中A是竖直套筒，用以保持竿B竖直，竿B下端挂

7、有钩子，C是水平横竿，一端通过绳子与A相连，另一端中套有竿B).这个模型和我们通常所见到的不大一样，但它反应了随意钩的本质：通过横竿C产生摩擦力与竖竿B的自重及负荷平衡，使B静止在任意高度。我们也可以画出受力图，对这套装置进行受力分析。摩擦力作用在图中的D区域中，所以我们对该区域进行受力分析。如图，由于载荷的作用，B竿有向下滑动的趋势，使得C竿发生倾斜形变。并在上下两接触点处作用有压力和。竖直方向无相对位移的条件：由上两方程得出，即