简单动力机械套装

清扫机

探索锥齿轮、齿轮增速、滑轮、安全系统、距离和摩擦的科学概念。

45-90分钟
中级
年级 6-8
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1. 联系

5-10分钟

路上到处是垃圾和树叶,看起来很糟糕,如果有人不小滑倒的话可能会很危险!现在,杰克和吉尔担负起清扫的工作,但他们不喜欢打扫这项差事,他们更喜欢玩小车。

小狗佐格尽力去帮忙,但它并不擅长这项工作。

突然他们想到一个主意,将扫帚和小车结合使用,但是他们并不确定具体怎么做。

你如何将推小车与清扫道路结合起来呢?
让我们一起找出答案吧!

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2. 建构

20-25分钟

制作测试场地
在平滑的桌面或地面上放置好你制作的纸墙或垃圾箱。

将碎纸屑均匀地撒在 10 cm 宽、60 cm 长的场地上。该场地充当垃圾遍地的道路。

在路两侧留出足够的空间让纸屑飞起。

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搭建清扫机
(所有 1A 和 1B 图纸的第 8 页,第 11 步)。

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测试看看清扫机能否顺畅行进。
在桌子上轻推清扫机。旋转器应能自由旋转而不会碰到车子框架,清扫机的刷子应展开,旋转时不应碰到桌子。

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3. 反思

20-25分钟

清扫的效果如何?

沿着脏乱的道路推动清扫机。你将多少碎屑清扫到了旁边?四分之一?一半?

这种设计有什么问题?
根据残留量估计扫到一边的垃圾量。

这台清扫机清扫速度并不快,实际上并不能捡起垃圾。

你知道吗?
所有齿形状规则的齿轮,比如大齿轮,都称作正齿轮。

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清扫机的传动比是什么?
向前推动清扫机,使车轮转动一圈。清扫机头转动多少次?你能解释吗?

清扫机头转动一次。传动比为 1:1。所有相互啮合的锥齿轮和正齿轮均尺寸相同。因此,速度上没有变化。

提示:
锥齿轮有何作用?锥齿轮可以将运动的方向旋转 90°。它可以在拐角 处传出动能!

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我们如何让清扫机清扫得更快呢?
尝试使用不同的传动齿轮组合(第 12 步,第 13 步)。

第 12 步可以明显减慢清扫机头的速度,第 13 步可以使其速度加快 5 倍。注意驱动 8 齿齿轮的 40 齿齿轮!

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杰克和吉尔希望尽快清扫完道路,这样就不会有人被树叶滑倒摔伤了。要帮助他们,可以尝试在清扫机头上加一些刷子(第 14 步)。

三个刷子不均衡,效果还不如两个。四个刷子比较平衡,相比之下更好。

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危险!
推动清扫机并按住清扫机头。发生了什么情况?是什么问题造成的?

车轮可能会锁定,齿轮脱离。任何物品卡在清扫机中,都可能会造成机器超载或者破坏齿轮。

4. 拓展

25-30分钟

更安全的清扫机
重新搭建模型,改为用滑轮皮带驱动。试用不同的滑轮系统。预测并测试其旋转的速度以及清扫的效果。

清扫机头通常旋转得更快。驱动滑轮越大,旋转速度越快。推动车子更为费劲,因为轴摩擦力更大。

再次推动清扫机并按住清扫机头。此时会出现什
么情况?有何利弊?

传动带滑移。

优点:
如果有东西卡住,清扫机会停止。这对于操作员来说也更为安全。

缺点:
需要更大力来推动。

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垃圾收集器
你能否想出一种既能清理又能收集道路垃圾的方法?

教师支持

学生们将会探究下列概念:
技术
• 使用机构 – 锥齿轮、增速传动装置和滑轮
• 改进前测试
• 安全系统

科学
• 测量距离
• 摩擦力
• 科学调查

9686 简单动力机械组合 (建议每两名学生一套)
大纸板箱或矮的纸墙,用于防止垃圾飞散,理想尺寸为 60 x 40 cm
垃圾:可以用碎纸屑、乐高® 连接销、碎叶子等充当垃圾

科学
科学探究
确定要解决的问题
设计和开展研究
运用工具对数据进行收集和解释
加深对力与运动的理解
运动、位置、方向
齿轮和传动比(机械优势)
齿轮增速和减速
摩擦力
平衡力和不平衡力
加深对能量的理解

技术
理解属性设计
培养应用设计流程的能力
设计解决方案和产品
评估产品
运输
使用证据推理

工程
确定目标、输入、流程、输出和反馈
加深对工程设计的理解
测试和评估

数学
进行合理估计
将 2D 模型转换为 3D 模型
视觉辨别
分选和归类
收集和处理数据

批判性思维和逻辑性思维
合作与运用团队合作
逻辑、推理和证明

学生材料

学生学习单

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