课题名称

菜刀上的物理知识 

开题时间

 2012.5.1

拟结题时间

2012.5.25 

课题组长

 叶世德

指导教师

吕姗 

课题成员

方楷凡，宁新奋，洪世敏，邢日兴，林日鹏，王惠，韩赞超 

主导课程

物理 

相关课程

物理上的受力分析 

研究背景

 一提起刀这个字，真是无人不知无人不晓。刀，家家户户都有，而且是必不可少，几乎每天都用它来切，割，砍，削食物

研究意义

 想通过研究发现其中问题解决以后更好的使用刀具

研究内容范围

 家庭里经常使用的各种刀具。菜刀，水果刀，砍刀，裁纸刀

方法和措施

 做实验和问卷调查

研究所需条件

 实验用到的家具平常人家里有道，课题所用的受力分析也比较简单

计划访问的专家

校内：物理老师
校外：卖刀具人员

预期的成果

   菜刀与我们的生活密切相关，我们可以使用菜刀来完成我们自己不能完成的事情。了解菜刀并掌握菜刀的使用是生活实践能力的一种体现，同时就菜刀本身而言，无论是菜刀的材料还是菜刀自身的结构特征或是菜刀的使用过程无不与力学知识有关。在生活中，经常出现用普通菜刀剁骨头的现象，不但费时，费力，还会极易卷刀口或造成其它不必要的伤害，或用普通菜刀切冷冻肉，困难很大。以菜刀为题材，研究其中的力学道理，充分地体现了物理与生活实际的联系，对提高我们的理论联系实际的能力以及实践分析能力都大有裨益．

 一、菜刀中的力学知识主要涉及以下内容：

1．力的合成与分解

力的合成与分解满足平行四边形定则：作用在物体上的一个力往往产生几个效果，如：放在水平面上的物体受到一个斜向上的拉 力F，这个力与水平方向成θ角，如图所示，这个力产生两个效果：水平向前拉物体，同时竖直向上提物体，因此力F可以分解为水平方向的分力F₁和沿竖直方向的分力F₂，力F₁和力F₂的大小为F₁＝Fcosθ，F₂＝Fsinθ.

2,压强问题

任何物体能够承受的压强都有一个限度，超过这个限度物体就会被压坏或陷入其中。因此要使菜刀切入物体就必须使菜刀对物体的压强大于物体表面所能承受的最大压强。由公式P=F/S得：在用力较小的情况下，可以通过减小刀口与物体的接触面积来增大菜刀对物体的压强。从而在设计时要求刀口薄、刀刃锋利。

3．力矩的平衡

一个有固定转动轴的物体，在力的作用下，如果物体保持静止，我们称这个物体处于转动平衡状态；我们把力F和力臂L的乘积叫做力对转动轴的力矩M，当物体处于转动平衡时，作用在物体上的合力距等于零，即M_合＝0.

4动能定理

 物体所受合力的冲量等于物体的动量变化，这个结论叫做动量定理，用公式表示为      F_合t＝mv_末一mv_初或F_合t=p_末一p_初

从动量定理中可以得出，F_合＝(p_末一p_初)/t，在动量的变化一定的条件下，作用时间越短，产生的作用力越大．

二、分析菜刀形体中的力学知识：

(1)刀刃

刀刃的截面是三角形且刀尖非常的锐利，即三角形的顶角θ很小，当我们使用菜刀切削食物，给刀刃施加作用力F时，首先，这个力作用在食物上，对食物产生很大的压强，从而把食物割开；同时这个力会产生两个效果，这就是使刀刃的两个侧面推压食物，把物体切开，应用力的合成和分解的知识可知：

垂直侧面的两个作用效果可以用f₁和f₂表示，为作用  力F的分力．若刀刃的截面是等腰三角形，根据力的平行四边形定则可知，f₁＝f₂= F，如图所示，因此，θ越小，刀刃越锋利，菜刀越容易切削物体，但刀刃的强度和刚性会相对减弱．我们磨刀的目的就是减小刀刃的顶角

（2）刀身

不同的菜刀，刀身的形状有很大的不同，常用的菜刀，刀身呈长方形，厚度一般为1mm左右．剁肉用的肉刀（肉斧），刀身呈圆弧形，且非常厚实，如图所示；水果刀，整体较小，刀身长而窄，质地较轻。

 这些刀的形状是由它们的用途决定的．对于肉刀，因为要切肉，同时，还要剁肉骨头，所以需要质量较大的刀，当菜刀以一定的速度去切肉或剁肉骨头时，质量大的菜刀就会对食物产生较大的作用力，从而达到切削食物的目的．而对于水果刀，切割的是水果，相对较脆，切削时不需要很大的作用力，所以质地较轻的水果刀惯性小、容易操作．

如果用刀剁骨头，当刀的前端接触骨头时，手会感到刀把向下震，反之则向上震，有那么一个位置，刀上的这一点剁到物体上时，手感十分轻松．这是因为绕轴转动的任何物体都存在一个“打击中心”，当力的作用线通过“打击中心”时，转动轴所受的“打击”作用力为零．屠夫经常用来剁肉的肉斧的刀身是圆形的，这是为了在剁肉骨头时，不管刀的哪一个部位与肉骨头接触，都能保证，肉骨头对刀的作用力基本上通过以刀柄为转动轴的“打击中心”，这样就可以减小剁肉时刀对手的作用．

刀的质量大小对刀具的使用有很大的影响，当菜刀在接触物体后速度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越大．

刀的扁平程度，应用切割物体时的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，一般做得较为扁平，而剁骨头的刀若如此，则极易卷口，故一般都比较厚．

菜刀由刀把和刀身组成，刀身的质量越大，刀的惯性越大．刀的质量主要取决于刀刃的质量，刀刃一般用弹簧钢制成，涉及力学中的密度、硬度等物理知识；刀把的长短涉及力学中的力矩知识．

刀刃的形状呈锲形，可利用力的合成与分解加以阐述，用很小的力，就能产生很大的作用效果．

如：剁骨刀在使用过程中所体现的力学知识．

将刀提起一定高度，需要对刀做功，刀越重，被举得越高，刀获得的重力势能就越多，我们消耗的体力和能量就越多，人就越容易疲劳。

三，菜刀使用过程中的力学问题

   为了能很快剁开骨头，我们并不是让刀自由下落，在刀具下落的同时，给刀施加一个作用力，对刀做功，这样当刀与骨头接触时就能获得很大的速度．根据功能关系，我们对刀作功越多，刀获得动能就越多，刀口与骨头的作用时间越短，根据动量定理可知，刀口与骨头之间产生的作用力越大，效果就越明显．有时可以根据不同的情况使用不同的方式。比如压入式使用方式，冲击式使用方式，拉动式使用方式等。

 四、菜刀在维修上的力学原理。

菜刀用久后，将变得较钝，实质是刀口变厚而与物体的接触面积变大，在同样用力的情况下造成刀对物体的压强变小，超不过物体表面所能承受的最大压强而不能使刀切入。同样刀口变厚，也使刀口两侧面之间的夹角α变大，切菜时菜刀给两边的侧压力变小，也不易将物体的纤维压断；况且刀刃变厚后，相当于多根锯条重叠在一起，即使不断拉动菜刀，也难以将物体切开。

磨刀的目的是为了让刀口变薄，既减小刀口的接触面积而增大刀口对物体的压强，又减小了两侧面之间的夹角，而增大菜刀对菜两边的侧压力，同时也是为了把多余的重叠的锯条磨掉，以便在拉动菜刀时能够快捷地割开物体。

        总之，菜刀上涉及的力学问题很多。人们日常生活中涉及的力学问题乃至物理问题更多。因此我们在学习物理时既要重视理论知识，又要重视联系生活，将书本知识应用于实践，这样才能开阔自己的视野、扩大知识面、提高自身素质和能力。这对我们不论是生活还是学习都是有利的。所以，我们要多观察生活，观察身边的事物。

课题活动安排

活动时间

活动内容

活动方式

5.3~5.4 

初步认识研究性学习，理解研究性学习的研究方法，接触讨论问题 

探论 

5.5~5.6 

选定组成根据自己所选的课题进行小组分工 

探论  

5.7~5.8 

 学习相关的物理知识理论

查阅 

5.8~5.9 

在小组组长组织下进行分类处理 

探论  

 5.10~5.11

进行记录工作 

探论  

 5.11~5.12

指导老师及时向各族了解获得的信息资料 

探论  

 5.13~5.14

 实验结束后，如实向同学们讨论活动不足之处

查阅 

5.15~5.16 

 将列成的活动内容，写成简单的结论

探论  

 5.17~5.18

把成果制成手抄报或调查报告 

探论  

 5.19~5.20

像刀具店老板询问各类刀具的情况 

调查  

 5.22~5.24

写出心得，向小组讨论，总结最总写出论文 

 探论 

课题小组分工

姓名

主要负责事项

  叶世德

总指挥，总设计 

 方楷凡

实验记录 

宁新奋

打表，访问 

洪世敏 

购买各种刀具 

邢日兴 

整理数据 

林日鹏 

 负责咨询导师专家，进行组织监督

 王惠

 负责查阅资料

韩赞超

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