Question

【題目】依據(jù)文中內(nèi)容，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

變速自行車的奧秘

變速自行車可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的“檔位”來(lái)應(yīng)對(duì)不同的路面情況——需要爬坡時(shí)，可以降低檔位，此時(shí)會(huì)感覺(jué)自己騎起來(lái)“更輕松”；到了下坡時(shí)，可以提升檔位，此時(shí)會(huì)感覺(jué)自己“騎得更快”。這之中的奧秘在哪里呢，讓我們一起來(lái)探究吧！

如圖所示是變速自行車的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，它與普通自行車的區(qū)別在于，它的后齒輪由多個(gè)半徑不同的齒輪共同組成(普通自行車的后齒輪只有一個(gè))。選擇不同的檔位時(shí)，自行車的鏈條會(huì)調(diào)整到相應(yīng)檔位的后齒輪上——選擇低檔位時(shí)，鏈條調(diào)整到半徑較大的齒輪上；選擇高檔位時(shí)，鏈條調(diào)整到半徑較小的齒輪上。

自行車的前齒輪和腳踏板構(gòu)成一個(gè)輪軸型的杠桿結(jié)構(gòu)，動(dòng)力是人給腳踏板的蹬力，阻力是鏈條對(duì)前齒輪的拉力，動(dòng)力臂是腳踏板到軸心的長(zhǎng)度，阻力臂是前齒輪半徑，此時(shí)動(dòng)力臂大于阻力臂，因此是一個(gè)省力杠桿。自行車的后齒輪和后車輪構(gòu)成另一個(gè)輪軸型的杠桿結(jié)構(gòu)，動(dòng)力是鏈條對(duì)后齒輪的拉力，阻力是地面給后齒輪的摩擦力，動(dòng)力臂是后齒輪半徑，阻力臂是后車輪半徑，此時(shí)動(dòng)力臂小于阻力臂，是一個(gè)費(fèi)力杠桿。

騎自行車時(shí)，人踩腳踏板一圈，前齒輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度為前齒輪的周長(zhǎng)。與此同時(shí)，鏈條帶動(dòng)后齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于后齒輪的半徑小于前齒輪，為了保證鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度相同，后齒輪必須轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)大于前齒輪。后齒輪的半徑越小，它轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)就越多。后齒輪同時(shí)帶動(dòng)后車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，它們轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)保持一致。因此，后齒輪越小，腳踩一圈，后車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)越多，即自行車前進(jìn)的距離越長(zhǎng)。

在爬坡時(shí)，自行車受到的摩擦阻力較大，因此需要把后齒輪的半徑(動(dòng)力臂)調(diào)整得大一些，以達(dá)到相對(duì)省力的效果。在下坡時(shí)，自行車受到的摩擦阻力較小，此時(shí)為了讓自行車更快前進(jìn)，可以將后齒輪的半徑調(diào)小。

(1)自行車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，前齒輪和腳踏板組成一個(gè)___________________杠桿，后齒輪和后車輪組成一個(gè)___________________杠桿(選填“省力”、“費(fèi)力”、“等臂”)；

(2)騎自行車時(shí)，人腳應(yīng)該向什么方向用力才能最省力呢？請(qǐng)?jiān)趫D中畫出最省力時(shí)，人腳對(duì)腳踏板的力F(作用點(diǎn)畫在腳踏板中心)，以及這個(gè)力對(duì)應(yīng)的力臂L___________________；(提示：腳可以向各個(gè)方向用力踩腳踏板，腳踏板可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)適應(yīng)腳的用力方向。)

(3)爬坡時(shí)，應(yīng)將鏈條調(diào)整至半徑較________________(選填“大”或“小”)的后齒輪上，從而達(dá)到相對(duì)省力的目的；

(4)前齒輪和后齒輪在共同工作時(shí)，其特征是________________；

A．相同時(shí)間轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)相同

B．相同時(shí)間帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度相同

C．相同時(shí)間轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)和帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度均相同

D．相同時(shí)間轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)和帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度均不相同

(5)自行車在水平道路上行駛時(shí)，后車輪所受的摩擦阻力約為20N，一輛自行車后車輪的半徑約為40cm，若它此時(shí)鏈條掛在中間檔位的后齒輪上，其半徑為5cm，由于前齒輪與后齒輪由鏈條連接，所以前、后齒輪受到的鏈條的拉力相同，若前齒輪的半徑為10cm，腳踏板到軸心的長(zhǎng)度為25cm，則自行車勻速行駛時(shí)，人蹬車的力至少應(yīng)為________________N。

Answer 1

【答案】省力 費(fèi)力 大 B 64

【解析】

(1)[1]自行車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，前齒輪和腳踏板組成一個(gè)省力杠桿。

[2]后齒輪和后車輪組成一個(gè)費(fèi)力杠桿。

(2)[3]最省力時(shí)，人腳對(duì)腳踏板的力F應(yīng)該與連桿垂直，動(dòng)力臂為腳踏板中心到前齒輪圓心的距離，作圖如圖所示

。

(3)[4]爬坡時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)增大動(dòng)力臂，應(yīng)將鏈條調(diào)整至半徑較大的后齒輪上，從而達(dá)到相對(duì)省力的目的。

(4)[5]前齒輪和后齒輪在共同工作時(shí)，屬于鏈條傳動(dòng)，其特征是相同時(shí)間帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)度相同。

故選B。

(5)[6]后齒輪和后車輪組成的杠桿中，由杠桿平衡條件可知

即

解得

前、后齒輪受到的鏈條的拉力相同，即

前齒輪和腳踏板組成的杠桿中，由杠桿平衡條件可知

即

解得

則自行車勻速行駛時(shí)，人蹬車的力至少應(yīng)為64N。