课题研究案例——菜刀上的力学知识

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1、课题研究案例——菜刀上的力学知识1 一、活动的开展    当学生学过了有关“静力学”、“运动学”的内容后，布置了“菜刀上的力学知识”课题研究。活动分以下三个阶段进行：    第一阶段（准备和指导）：安排了一节课，介绍开展课题研究的意义、大致过程和注意事项，然后将课题布置给学生，同时展示四把常用的菜刀。    第二阶段（设计方案、开展研究）：让学生外出收集材料，观察各种刀具，进行猜想、设计，然后动手进行实验，开展研究，得出自己的结论。在此基础上，写出具有一定质量的研究报告。结果，经过半个多月的课外活动，学生均以课

2、题研究报告的形式上交了他们的研究成果。    第三阶段（评价、交流）：在教师阅读研究报告的基础上（从中发现学生使用的方法、研究的成果），组织学生进行交流。二、学生的研究    从研究的成果来看，多数学生根据菜刀的形状（静态的）进行力学分析，也有少数学生是对菜刀使用过程中的情况（动态的）进行力学分析的。综合学生的研究成果，对菜刀（学校展示的普通菜刀、剁骨刀、西瓜刀和锯齿形刀）的外形，学生通过观察比较，一般可以抓住以下几个特征，并用相关的力学知识加以解释。    i.  刀口的锋利程度（钝与锐），应用压力、受力面积

3、和压强之间的关系予以解释；    ii.  刀身的锲形程度，应用力的分解，以小力产生大分力予以解释；    iii.  刀柄的长短，应用力矩平衡予以解释，但在支点的确定上有多种意见（认为在刀的最前端、刀尖的中间某点、刀把上、手腕上）；    iv.  刀口的平整和锯齿形，应用摩擦、力的分解等解释；    v.  刀的扁平程度，应用切割物体时受力大小及功能不同予以解释。如切易分割的物体，只需刀口锋利，一般做的较扁平，而剁骨的刀，若如此，极易卷口，故一般都比较厚；    vi.  刀的质量大小，当菜刀接触物体后速度

4、的改变率一样的情况下，质量大的刀所受切割物体的作用力一定大，因此刀对切割物体的作用力也较大。    从以上分析中可以发现，学生几乎用到了学过的全部力学知识，像力的分解、力矩、牛顿第二定律、加速度定义、摩擦力等。    在研究的方法上，大部分学生应用观察法、比较法、分析法，也有部分学生使用了实验法。通过观察了解各种菜刀的形状、构造上的特点，寻找不同点；运用测量方法，测量刀身的长、刀背的宽、刀把的长等，并注意到减小实验误差；设计控制变量条件下的实际操作，用不同的刀分别切蔬菜、水果、冻肉、面包、排骨等，记录其省力或费

5、力的程度，比较优劣，并对实验结果进行初步的误差分析。（见附表）    通过这次活动，学生搜集信息、观察事物的能力和验证信息、实施实验的能力得到很大的提高。他们已从一般的认知技能开始向较高层次的“学科能力”转化。在对现象分析的过程中，大部分的学生使用定性分析的方法，也有少数学生使用了半定量的分析方法。如一位学生在介绍用剁骨刀斩骨头时，假设某人手持剁骨刀从高举至落下的时间是1秒，与骨头接触并停下来的时间是0.1秒，假设刀重为5牛，依据牛顿第二定律估算出刀对骨头的作用力是50牛（不计手对刀的作用力），并得出刀越重，在

6、空中加速时间越长，产生的力就越大。另一位同学在分析刀的锋利程度与切割效果的关系时，对一定长度的刀的刀口横截面积大小对于相同的力所产生的压强的影响做出一个简单的估算。    在课题研究的过程中，也有许多同学提出了一些新的见解，比如锯齿形刀口在切割时是因为它的齿，导致推拉时均能够使物体沿刀运动的方向受力；有一位学生从网上摘录了有关刀的锋利程度如何检测的方法，用到了电学的知识，等等。    在活动中，学生始终处于自觉主动的地位，大胆猜想，自主操作；有的学生运用了“理想方法”、“模型方法”；有些同学自愿组织“课题小组”

7、，团结协作；有的学生能从多种渠道上获取有用信息。    从研究报告以及调查中也发现，由于学生平时实际使用菜刀的机会不多（经常使用的仅占2%、几乎不用的占25%），因此，善于从长期使用过程中发现力学规律的成果极少。比如剁骨头时，刀口与骨头的接触点应该在刀的中后部某一点上；切丝形食物（如萝卜丝）时一般以刀尖为支点，以减少切割时刀身移动的距离，从而加快切割的速度，等等。然而，尽管学生没有发现这些，或者发现了，却不能解释，但只要能自己找些书来读，学习一点课本上没有的知识，逐步理解并正确分析这些现象，那就很了不起了。我们

8、开展这样的课题研究的目的之一就是让绝大多数学生都能参与，同时又给各种程度的学生的发展留出很大的空间。事实上，确实有许多现象及其解释是为人师者也感到为难的。    我们安排了1课时的课堂交流活动，由学生主持，让部分学生汇报他们在某一点上具有创新的或比较完整的研究成果，又安排学生进行菜刀切食物的实际操作比赛（根据食物类型和切割要求选刀并实际切割），最后由老师点评。三、成果的评价    在对