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孩子問「汽車沒人推為什麽能在路上跑那麽快呢?」如何通俗易懂地給孩子解釋汽車原理?

2022-05-20親子
嬰兒推車是媽媽用力推,嬰兒車才向前走,是媽媽給了嬰兒車前進的動力。
馬車、驢車、牛車是大力氣的馬兒(驢子、牛)使勁向前拉,車才能加速前進,是牲畜們給了車前進動力。
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所以我們知道汽車要跑得快,同樣需要動力。那麽到底是哪位大力士在推汽車或者在拉汽車,才讓汽車跑得這麽快呢?

今天帶小朋友從簡易版汽車發展史中看看 各個時代下的汽車動力 ,汽車發展史不僅是汽車發展,更是人類工業的發展。(如果題主家小朋友喜歡汽車,我在文末推薦紀錄片和書籍。)

一、穿越回一百多年前看汽車誕生與演變(簡易版)。

1.人或者牲畜驅動

小朋友你知道沒有汽車的時候,人們是怎麽出行嗎?

如果看過歷史劇,我們一定會對馬車有印象。對的,200多年前沒有汽車之前都是借助人力或者牲畜的力氣拉車或者推車, 是人或者牲畜給車提供向前跑的力,也可以說是人或者牲畜驅動車輛前進。

2.關於汽車動力,中外前輩都在不斷創新、多種嘗試

不朽名畫【蒙娜麗莎】作者達芬奇,一天在創作的時候聽著教堂的鐘聲,產生遐想:

鐘為什麽能敲響?裏面有發條作為動力。
對!用發條可以試試這種自動行駛的車。
央視【百年汽車】,U媽截圖,達芬奇設計的以發條為動力行駛的車。

於是他在紙上畫下以 【發條】和【彈簧】 作為動力行駛的車。如果家裏有上發條的鐘表、玩具,可以讓孩子親手感受一下【發條】這種動力。

無獨有偶,中國祖先也在不斷探索各種動力駕駛,比如諸葛亮的木牛流馬。我們根據2016年,一位木匠 ,造出的三國時期諸葛亮 發明的「木牛流馬」來觀察。

50多歲木匠達喜全制造的木牛流馬,網圖侵刪

這是一個完全由 杠桿 驅動上坡 的木馬。

小朋友看到了嗎?早期中外探索者,都和你一樣有類似的疑慮: 到底怎麽才能讓汽車在路上跑得快,且不用借助人力或者牲畜?

3.瓦特和蒸汽機階段——蒸汽汽車(2個小實驗)

到了1712年,英國人杜文·紐科門(五金商人)發明了 不依靠人和動物來做功 而是靠機械做功的蒸汽機,被稱為紐科門蒸汽機。

汽車發展紀念郵票

1774年11月,瓦特與博爾頓合作制造了真正意義的蒸汽機, 人類社會自此拉開了永無休止的汽車發展史。

1769年,法國人N·J·居紐制造了世界上第一輛蒸汽驅動的三輪汽車。

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這輛汽車被命名為「卡布奧雷」,車架上放置著一個像梨一樣的大鍋爐,前進時靠前輪控制方向。每前進12~15min需停車向鍋內加煤,非常麻煩 。由於車輛的控制系統和作業系統還不完善,所以,駛上大街後東碰西撞,熱水四濺,被政府下令禁止行。

我們以此為代表來研究蒸汽汽車為什麽為跑起來?

蒸汽汽車為什麽能向前行駛呢?它的動力是什麽?(2個小實驗直觀解釋)

關於蒸汽機的動力來源,我們上學時做了一個實驗:水吸熱沸騰後氣化,產生水蒸氣,試管(蒸汽汽車的氣缸)氣壓增大, 會將塞子沖出

(因為這個實驗在家做有點危險,為了孩子能看明白,我在網上找了個實驗影片給大家展示。)

蒸汽機動力小實驗 https://www.zhihu.com/video/1516386088440168448

如上面的小實驗,當蒸汽機內水沸騰時,汽缸內的空氣急劇膨脹,會推動汽缸內的活塞,這裏就產生裏蒸汽汽車的動力來源。

概括來說蒸汽機的動力是能量轉化。(這裏運用了能量的轉化,由水的化學能轉化為空氣的內能,又由空氣的內能轉化為活塞的機械能。孩子不需要知道專業術語,只需要透過這個小實驗知道蒸汽汽車的動力即可)。

透過第一個小實驗,我們知道了蒸汽機汽車的動力來源。下面這個小實驗我們一起看看有了動力之後,活塞是如何帶動輪軸,連結汽車車輪,讓汽車動起來的?

演示蒸汽機能量轉化全過程 https://www.zhihu.com/video/1516392722575814656

我們一起看這個影片,右端是正在燃燒的水,為整個運動提供動力。有了這個動力來源,活塞帶動了連在後面的輪軸,在與它連線的杠桿左右兩邊就是汽車的車輪,這樣變使得汽車動起來了。

如果孩子比較小,只看影片,看現象即可。

(以上兩個實驗是我一個物理老師朋友釋出在PYQ,上課時給孩子們展示的,經授權後我釋出在這裏。因未找到源頭,所以侵刪。)

蒸汽機汽車有過156的年歷史,在這 156 年裏 , 蒸汽機汽車技術有大的進步 , 同時數以千計的車輛投入商業執行。 蒸汽機汽車興盛在內燃機誕生前一百 年,在內燃機成熟之後光榮退休。

4. 卡爾·平治第一輛現代汽車

1866年,德國工程師尼古拉斯·奧托成功地試制出動力史上有劃時代意義的立式四衝程內燃機。1876年,又試制出第一台實用的活塞式四衝程煤氣內燃機。
1885年德國平治把汽油內燃機裝上了三輪車,這些自行推進的車輛,被視為汽車和摩托車的初始。

1886年1月29日世界上公認第一輛汽車誕生。德國卡爾·木茨和戈特利布·戴姆樂獲得世界上第一輛汽車的專利權,這一天就被人們稱為汽車誕生日。

卡爾·奔馳就是現今德國大名鼎鼎的「奔馳」汽車公司的第一代祖宗。

現代汽車在我們的生活中隨處可見, 那麽現代汽車的動力來自哪裏?那個能拽動汽車的大怪獸到底是誰?

它就是引擎內燃機!

內燃引擎機,一般藏在車頭裏,它有很多零件,但是有部份零件是看不見的。

簡易演示內燃機引擎4個動作,網圖侵刪

它們組裝在一起做4個動作:

1)進氣,汽油、柴油等燃料和空氣進入氣缸;
2)壓縮,燃料和空氣的混合氣體進行壓縮;
3)點火,點燃燃料產生動力(柴油不需要點火,壓縮到一定程度,自己會燃燒);
引擎內燃機第3個動作,點火。網圖侵刪
4)排氣,排出氣缸裏的廢氣。

這四個動作就叫做【四衝程】,它源源不斷的產生動力,傳到車輪上,汽車就可以跑起來了。

四衝程可能沒那麽好理解,所以現在我們再借助小朋友的繪本看一下。

樂樂趣【揭秘汽車】,U媽實拍

汽缸,像個飲料罐,它是引擎內部供燃料燃燒的容器。

火花塞,是電流流經火花塞時,就會產生火花,火花會點燃氣缸裏的燃料。

閥門,閥門開啟,排出廢氣,讓燃料和空氣進入氣缸。

曲軸,活塞上下運動時轉動曲軸,曲軸是與汽車車輪相連的,會牽動車輪轉動。

第一個吸氣沖程時,活塞向下運動,進氣閥門開啟,燃料和空氣進入氣缸。

吸氣沖程,【揭秘汽車】U媽實拍

壓縮沖程,是活塞返回,將燃料和空氣的混合物送到氣缸頂部,同時將其壓縮。

壓縮沖程【揭秘汽車】U媽實拍

動力沖程,是火花塞點燃燃料,燃料使得活塞向下運動。這一過程為引擎提供動力。

動力沖程,【揭秘汽車】U媽實拍

排氣沖程,活塞重新向上運動,排氣閥門開啟,使廢氣排出。接著重開始第一步的吸氣沖程,迴圈往復。

排氣沖程,【揭秘汽車】U媽實拍

四衝程無限迴圈往復,產生動力,汽車就高速跑起來了。

當然方便的話,帶孩子在汽修廠去看看真實的引擎是最直觀的學習方法。

以上是各個時代工業發展下汽車的動力,也是汽車在不用人推的情況下可以快速跑起來的原因。

二、世界上最快的高速汽車們

小朋友,你知道世界上最快的汽車有多快嗎?

【超音速尋血獵犬號】是世界上速度最快的汽車之一!摘得了「陸上速度記錄獎」!它裝有火箭引擎與噴射引擎,工程師們希望它的時速能達到1600千米。

我們再看看這些現在或曾經陸上速度的保持者。

【藍色火焰號】1970年,時速1002千米。

藍色火焰號,網圖侵刪

【超音速推進號】1997年,時速1228千米。

【速度惡魔號】2013年,速度最快的活塞引擎汽車,時速681千米。

【文圖瑞七葉樹子彈號】2016年,速度最快的電動汽車,時速549千米。

三、寫在最後——相關紀錄片和書籍推薦

小朋友如果你對汽車感興趣,推薦你看看這部關於汽車發展的紀錄片——【汽車百年】。

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這是第一部由中國導演陳怡制作的汽車歷史紀錄片,是中國第一部以百年汽車發展史為線索,反映人類為理想而不斷進取的大型高畫質電視專題片。 [1]

一共有12集,每集大約40分鐘。該影片追尋著汽車的發展足跡、展現了由技術驅動帶來的巨大社會變革,不僅是中國第一部百年汽車完整發展史,更是一部全面的人類社會前進演化史。

我之前在B站看的,現在應該還可以免費看。

【汽車百年】B站截圖

@知乎親子

希望我的回答能為小朋友答疑解惑。

好奇心是孩子的天性,孩子的每一個問題都值得被認真對待。

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參考

  1. ^https://baike.baidu.com/item/汽車百年/6042744?fr=aladdin