论文资料：指甲钳的设计原理分析及在物理教学中的意义.doc

指甲钳的设计原理分析及在物理教学中的意义江宁区汤山初级中学 陈清和简单机械是物理知识应用的一个重要方面，它存在于我们生活的各个方面，一件简单的生活小工具中可能包含有丰富的物理原理，它的发明体现了设计者对物理原理独具匠心的运用。指甲钳就是很常见的一种生活小工具，设计者经过精心设计使得它结构简单、外形美观、携带方便、易于使用。现就指甲钳的设计思想、原理及在物理教学中的的应用做一些简单的分析。一、 指甲钳的设计思想分析指甲钳的设计主要是从它的实用性和装饰性等方面考虑的。在实用性方面，指甲钳作为人们常备的一种生活小工具，要便于携带，使用方便、省力。首先，为符合人体工学要求，便于控制将指甲剪切成圆滑的弧形边缘，设计者就将指甲钳的刀囗设计成弧形。其次，为便于携带，指甲钳一般都设计的比较轻巧灵便，可以变形、收折，可以拴在钥匙扣上随身携带。然后是采用杠杆的组合来达到使用省力的目的。在装饰性方面，指甲钳不仅作为生活工具使用，更成为了人们随身携带一种的小饰品。为此设计者在指甲钳的形状、外观设计中，更加注重它的艺术性，将外形设计成各种不同的造型（如小动物的形状、卡通形状、物口形状等）；在外观上，利用仿雕刻、烤漆、加贴等方式添加各种装饰图案，有些更是赋予装饰图案一定的纪念意义，作为重大事件或旅游纪念品。二、指甲钳中物理知识的应用分析指甲钳虽小，但要达到人们的设计目的和需求，在设计中就需要考虑应用科学的原理，选用适合的材料和结构。1321为达到使用方便、省力的目的，设计者普遍采用的是利用三根杠杆的组合的机械结构（如图），其中两根刀口相对、互相对称的杠杆1和2用于剪切指甲，另用一根省力的杠杆3使人们用较小的动力就能为剪切杠杆1和2提供较大的压力，从而轻松、方便地剪切指甲。通过对常见的指甲钳的测量，我们发现杠杆1、2的动力臂略小于阻力臂，约为l1=（5/69/10）l2，而杠杆3的动力臂则比阻力臂大得多，约为l1 =（610）l2，这样根据杠杆的原理可以知道杠杆3对1、2产生的压力将达到人对杠杆3施加的动力的59倍。2对指甲钳的材质需要较高的要求。首先，剪切指甲的杠杆1、2的刀口的硬度要高，要不易变形、卷口或缺口；其次，杠杆1、2要具有良好的弹性形变，在杠杆3对杠杆1、2的压力撤消后要能迅速恢复原状；最后是提供动力的杠杆3要有较高的硬度，不能变形。3此外在指甲钳的设计中还要用到一些其它的物理原理。如为了能够更容易的剪切指甲，要用到“在压力一定时，通过减小剪切刀口的受力面积来达到增大压强”的原理，所以指甲钳的剪切刀口不能卷口。又如，人们剪完后的指甲一般都有较锋利的边缘，为了能消除这种锋利的边缘可能给人们带来的不利，一般都在硬度很高的指甲钳上设计有一粗糙的表面（像锉刀一样的表面），利用这粗糙的表面与指甲的摩擦来将指甲的边缘磨得比较圆滑，不致划伤皮肤或钩坏衣物。三、指甲钳的设计给我们的教学启迪1我们在初中物理教学中，可以将措甲钳作为一个典型的实例来让学生分析其动力臂和阻力臂的大小，从而知道其使用时为什么能够省力；让学生分析其是怎样增大对指甲的压强的，使用时要对施力的手指压强小，又该采用怎样的物理原理（指甲钳与施力手指的接触面要尽量的大一些，这样可以使手指受到的压强可以小一些，使时会舒服些）；让学生讨论：指甲钳上有什么地方用到了增大摩擦，又是通过什么方法来增大摩擦的。通过对指甲钳并结合其它许许多多实例的分析，使学生认识到物理学知识源于生活，生活中的各种工具的结构及其使用方法中都包涵着丰富的物理原理，培养学生自觉观察生活、将物理学习与生产生活密切联系的学习品质。2结合每年都开展的中学生科小发明和创造等活动，让学生通过对指甲钳的设计思想的认识，了解在发明创造和创新的过程中首先要知道人们需求的是什么？要满足这种需求需要用到那些学科的知识，又要用这些学科的一些什么具体的原理？能引导学生对一些具体的实物进行分析，了解其功能，结构和使用过程中双是运用了什么原理来实现这些功能的？在各种原理的使用上是否合理，是否可以通过改进使其功能更好的发挥（能否更加省力、使用方便、提高效率、节约能量、更加安全等）？能否利用其它的原理和方法来实现这些功能？从而激发学生的创新和创造灵感，培养学生的创新和创造精神。总之，物理等科学知识源于生