关键概念
物理学
工程学
齿轮
力学
引言
您是否知道齿轮无处不在？您可以在上弦玩具、自行车、旋转木马、汽车和卡车、起重机、钻机、风力涡轮机、模拟手表等等中找到它们！如果您仔细观察过一辆行驶中的自行车，您就会看到齿轮在工作。您是否对它们的用途感到好奇？在这个活动中，您将使用糖果制作齿轮，并探索为什么它们如此通用。
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背景
齿轮是一种特殊的轮子。它是一个圆盘，边缘周围有齿，称为轮齿。大多数时候，两个齿轮的轮齿相互啮合，使两个轮子一起转动。有时，轮齿与连接齿轮的链条啮合。您可能在自行车上见过这种装置。
齿轮使人类和电机的工作更轻松。在许多机器中，人类或电机使轴（穿过轮子或齿轮的杆）转动，而合适的齿轮可以使转动更有效率。
选择正确的齿轮组合是高效工作的关键。一些自行车允许您选择齿轮。根据选择，链条将连接不同尺寸的齿轮，为骑车者提供多种动力和效率选择。它允许骑车者用同一辆自行车征服陡峭的山坡或在下坡时快速行驶。良好地使用齿轮可以让骑车者根据他们骑行的条件调整自行车。
材料
至少两个不同尺寸的圆形塑料或纸板盖子。直径约为 5 厘米和 12 厘米的盖子效果很好。
剪刀或美工刀
至少 15 颗同类型的独立糖果，例如香料糖、玉米软糖或橡皮糖
一大张废纸
胶水（热熔胶枪效果很好）
至少两个圆形黄铜垫圈（用于将纸张连接在一起的带有两个弯曲叉脚的东西）
一块纸板，至少 20 厘米 x 30 厘米
永久性记号笔
牙签
纸
成人助手
一个直径约为 18 厘米的盖子（可选）
额外的黄铜垫圈（可选）
准备工作
从您最初的两个容器盖子中较大的一个（例如，12 厘米）开始制作您的第一个齿轮的圆盘。
找到盖子的中心。（慢慢找到中心，因为这对于使齿轮平稳转动非常重要。）
请成人用剪刀或美工刀小心地在盖子中心打一个小孔。将黄铜垫圈放入孔中，并测试圆盘是否可以围绕黄铜垫圈自由转动。如果不能，将孔稍微扩大一点并再次测试。
在盖子边缘周围排列偶数个糖果，每个糖果的底部都接触圆盘。糖果应该非常靠近，彼此之间的空间不超过几毫米。
移除每隔一个糖果。这将为糖果（齿轮的齿）留下空间，以便与另一个齿轮上的糖果啮合。
在盖子边缘上为每个糖果做一个点标记，以便您记住在哪里粘上它们。
将您的盖子平面朝下放在一张废纸上。将糖果粘在盖子上，使其侧面接触纸张（如果使用热熔胶枪，请成人帮忙）。这确保了粘上糖果后，它们形成一个平面。
让胶水干燥，同时您对最初两个盖子中较小的一个重复此过程。在开始活动之前，至少准备两个不同尺寸的盖子。您可以稍后制作更多。
在开始下一步之前，请确保胶水已干燥且糖果已稳定。
步骤
请成人帮忙在您的纸板中间附近打一个小孔。您将使用此孔将您准备的两个齿轮中最大的一个连接到纸板上。
将黄铜垫圈穿过较大齿轮上的孔，然后再穿过纸板上的孔。弯曲其叉脚，使圆盘固定在纸板上。测试圆盘是否可以围绕黄铜垫圈自由转动，并根据需要进行调整。
将较小的齿轮放在较大齿轮的左侧，使一个齿轮的齿啮合在较大齿轮的两个齿之间。让一个齿轮的齿靠近另一个齿轮的边缘，但不要完全接触（距离边缘仅几毫米）。
在纸板上标记该位置，并请成人帮忙在那里打一个孔。
用黄铜垫圈将较小的齿轮连接到纸板上。
您认为当您转动其中一个齿轮时会发生什么？
试一试！当您转动一个圆盘时会发生什么？转动另一个圆盘呢？
现在尝试转动另一个圆盘。您的预测正确吗？您能分辨出哪个圆盘转动得最快吗？
为了让您更容易看到圆盘的转动速度，请使用记号笔画一条线连接这两个齿轮的中心。
转动较小的齿轮，直到它完成一整圈。较大的齿轮移动了多远？它转动了超过、少于还是正好一整圈？您现在能分辨出哪个圆盘转动得更快吗？为什么会这样？
您注意到齿轮朝哪个方向转动了吗？它们都朝同一方向转动还是朝相反方向转动？为什么会这样？
拓展： 使用比您目前使用的两个盖子直径更大的容器盖子制作一个更大的齿轮。将其连接到您现有齿轮组的右侧，使齿轮啮合。您认为如果您转动这组齿轮中的一个齿轮会发生什么？您能分辨出哪个齿轮转动得最快，哪个齿轮转动得最慢吗？当您转动一个齿轮时，您能预测其他两个齿轮将朝哪个方向移动吗？
拓展： 制作更多不同尺寸和相同尺寸的齿轮，并尝试不同的组合。
拓展： 数一下一组相互啮合的齿轮上的齿数，并使用这些数字来找出当较大的齿轮与较小的齿轮啮合时，较大的齿轮旋转速度快多少。
拓展： 本活动中的齿轮都连接到一块扁平的纸板上。您能制作一个配置，其中一个齿轮与第二个齿轮成直角吗？
拓展： 轴是穿过齿轮中心的杆。您在本活动中制作的齿轮围绕其轴旋转。有时，齿轮固定在轴上，轴转动。您能制作一个系统，其中至少一个齿轮固定在轴上吗？如果您将不同尺寸的齿轮粘在同一根轴上会发生什么？这样的配置在什么时候会有帮助？
拓展：在您的家中和附近寻找带有齿轮的工具和机器。您能找出为什么在这个工具中使用齿轮吗？
观察和结果
您可能注意到，齿轮越小，旋转速度越快。这是因为较小的齿轮齿数较少。您是否也注意到，当齿轮啮合时，旋转方向与另一个齿轮相反？
较小的齿轮齿数较少，因此，与较大的齿轮相比，它们在完成一整圈旋转之前旋转通过的齿数更少。这使得它们能够更快地转动。以一个有十二个齿的齿轮连接到一个有六个齿的齿轮为例。有十二个齿的齿轮旋转速度只有一半，因为它有两倍的齿数。联锁机制保证了相同数量的齿通过它们啮合的点。当一个齿轮转过六个齿时，另一个齿轮也将转过六个齿。当有六个齿的齿轮转动一整圈时，第二个齿轮只移动了其十二个齿中的六个齿。它只转动了半圈，因此它的旋转速度只有一半。
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