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全国青少年科技创新大赛获奖作品选

[作者:Admin   来源:本站原创    时间:2008-11-17 10:26:03   阅读:6201次] [字体: ]

 

全国青少年科技创新大赛获奖作品选(二)
(论文类)
物理学科论文
 
对自行车前后轮受摩擦力方向的研究
湖北省黄石市第七中学徐晶晶     辅导教师 徐艳红
(全国一等奖)
摘要:
在研究性学习课中,我在徐艳红老师指导下进行了对自行车前后轮受地面摩擦力方向的实验研究,经过反复的实验探索和思考,我总结出六种有趣有效的判断方法,并充分认识到摩擦力方向与相对运动方向或相对运动趋势方向相反。
   自行车能前进靠的是地面的摩擦力。我们要了解自行车的运动原理,首先就要了解当我们骑自行车沿直线正常前进时,地面对车轮的摩擦力情况。用怎样的方法,能够判断出地面对车前后轮的摩擦力方向呢?在研究性学习课中,我们以此为课题进行了多次实验研究。以下是我们总结出的几种实验判断方法,非常有趣和有效。
    一、打滑判断法
    寒冷的冬天,让自行车行驶在冰面上,由于冰的表面很光滑,车难以向前运动,而只是在原地打滑,我们发现车倾倒之前,只有后轮在原地打滑,而前轮并不旋转打滑。可见,后轮是主动向后“蹭”地面,所以地面对后轮的摩擦力方向是向前;而前轮,除非当自行车向前运动时地面会“主动”去“蹭”前轮,才能使它转动,可以看出地面对前轮的摩擦力向后。
   二、“沙中受阻”判断法
    让一个同学骑自行车在操场上的跳远沙坑中行驶,由于沙较深(15cm),车轮会陷入沙中使行车困难,当车停止向前运动以后,由于骑车人继续奋力蹬车,旋转的后轮使它底下的沙子不断向后甩出,可见后轮对地面的摩擦力方向是向后的,根据牛顿第三定律,当然地面对后轮的摩擦力方向是向前的。
    我们还观察到,车受阻后,前轮并不转动,可见它的情况与后轮不一样:自行车行驶时,前轮受到地面给它的摩擦力方向是向后。
    三、“胶布卷边”判断法
在车的前、后橡胶轮胎外侧(轮胎上能够反复接触到地面的部位)各牢牢贴上一块医用胶布,在自行车向前行驶一段路程后,我们检察胶布,发现后轮所贴胶布是先挨地的一端起了卷边,而前轮所贴胶布是后挨地的一端起了卷边。可以想到,因为地面对后轮具有方向向前的摩擦力,对前轮具有方向向后的摩擦力,所以才有这样的结果。
四、“杂技联想”判断法
杂技高手可以使前轮腾空,只靠后轮着地向前行驶,只要他一直踩踏板,车就会一直向前,甚至可以加速,可见地面对后轮的摩擦力是向前。但是如果换成后轮腾空、前轮着地行驶,即使他一直踩踏板,自行车也会慢慢地停下,可见地面对前轮的摩擦力是向后。
在这里要注意,因为踏板轴链条是与后轮轴连接的,所以有这两种不同情况。
    五、车轮“长”毛设想法
如果将软毛的刷子有毛的一面朝下,在桌面上拖动,那么软毛伏倒的方向,就能表明毛刷受摩擦力的方向。设想自行车前、后轮表面“长”满一圈短短的绒毛,那么这些绒毛在地面摩擦力作用下会倒向哪个方向呢?可想而知,前轮上一圈毛倒伏方向与后轮上一圈毛倒伏方向相反,如图1所示。
 
实验结果是否与图1相符呢?(本文为叙述方便,将后轮的毛倒伏方向称为时针方向,前轮的毛倒伏方向称为逆时针方向。)
1.我们用万能胶将两小块毛皮都按顺时针的毛方向分别粘牢在自行车前、后轮上。经过骑一段路程后发现,后轮顺时针的毛依然服帖,而前轮上原来顺时针的毛显出不那么服帖。
2.我们用万能胶将两小块毛皮都按逆时针的毛方向分别粘牢在自行车前、后轮上。经过骑一段路程后发现,这次是前轮逆时针的毛依然服帖,而后轮上原来逆时针的毛显出不那么服帖。
两次实验结果印证了设想的图1的结果,说明了自行车前、后轮受到地面摩擦力方向分别是向后和向前。
六、“主动、从动轮”直接判断法
观察普通的自行车,后轮胎是主动轮(它与踏板轴的链条连接),是能“主动”旋转的轮子,是使得自行车前进的“动力之源”:而前轮是从动轮,是“被迫”旋转的,起辅助行驶和辅助平衡的作用。主动轮受地面摩擦力方向是与车运动方向相同(向前),从动轮受地面摩擦力方向是与车运动方向相反(向后)
以上六种方法,是我们在开展研究性活动课中,通过自己观察实验得出来的。用类似的方法,我们还研究了汽车行驶时前、后轮受地面摩擦力的方向,人行走时前、后脚受地面摩擦力的方向等等,充分认识到摩擦力方向与相对运动或相对运动趋势方向相反。开展研究性学习,既有趣又有效,同学们开动脑筋,思维活跃,比坐在教室里光是听老师讲效果要好得多,我们的思维能力和创新能力得到很大的提高。
注:千亿娱乐徐晶晶已于2004年保送到武汉大学应用物理专业。
 
数学学科论文
保安巡更路线软件流程设计
(全国一等奖、图略)
 北京大学附属中学 于 颢 陈明卿    指导教师:张思明
 
摘要:保安巡更是新兴的小区保安措施之一,为了提高其效率、增加安全性,我们应用数学的概率分布思想,将实际的小区建立成抽象的数学模型设计了一种巡更路线的生成方式。
这种路线具有随机性,是先前的巡逻模式所不具有的。进一步工作将完成用小区的数据预测其巡更方案的测方法。
一、问题的提出
智能化管理是一种目前在国际上较为流行的住宅管理模式。和以往的人工管理相比,智能化管理运用先进的硬件技术,具有高效率、严谨的管理模式和更贴近住户需求的优点。
保安巡更是智能化管理的内容之一。巡更是一种巡逻方法,由计算机中控系统对保安、电子探头、红外感应装置进行工作分配,使得小区安全系统具有更好的统一性,对意外事件的反应迅速,能够及时发现和解决问题。
二、问题的研究与解决
保安巡更与以前的巡更方式相比,最大的进步之处在于巡更路线具有不确定的随机性。随机生成方式可以避免路线被人摸清的情况发生。然而,其相应的也容易导致访问的不全面与访问频率的不稳定。因此,理想的随机生成路线能够满足随机性、覆盖的全面性与访问频率的稳定性。这需要一个能够符合这三点要求的路线生成流程。
路线的随机生成方法要求中控系统流程应当以概率模型为基础。在程序生成路线的过程中,保安将作为一个被指定移动的点;而小区的模型较为复杂。计算机善于处理大量的数据,但对于图形等形象化对象的处理几乎是无能为力的。小区路线是一个二维空间内的不规则网状图形,若要将它转化到程序中,首先应将其转化成一维图形,再通过某种方式对该一维图形赋值,将其转化成数组,成为计算机可以处理的对象。
我们定义了安全点作为二维路线转化成一维的途径。安全点模型是将小区道路转化成若干点的组成的点集(如图),只要定义出这些点中相邻点的关联与相邻点的距离,那么安全点模型就完全等价于原来的小区道路。这里需要注意的是,安全点虽然不是纯直线上的点集,但由于点之间已经没有位置关系,因此它仍然属于一维点集的范畴。
保安在巡更当中需要管理泊车、查楼等许多不同类型的工作,同时他们的视线还受到小区内建筑物等物体的遮挡。对于不同的安全点,它们的巡更侧重点不同;对于同一个安全点,它在不同时间内的各种属性也不同。因此,随机过程当中每一个安全点被随机到的机会应该是不均等的。为了准确描述各个安全点的重要性,我们定义了安全点权重的概念,并拟和出一个关于权重与安全点各项属性数值的函数。这样,路线生成流程的核心思想就是对安全点随机。中控系统每随机一个安全点,该点就成为保安下一步的目的地。保安到达该目的地后,系统便重复这一过程。
在此基础上,整个的流程还有一些改进。比如如何具体落实到保安刷卡、安全点如何避免重复被随机到、巡更时间如何计算等等。这些问题可以通过在原来的流程中选定安全点作为刷卡机、定义安全点重复值属性、设定保安行走时间的方法解决。
由此,我们初步得到了一套贴近程序化要求、便于推广的保安巡更路线的生成流程(如图)。无论哪一个实行保安巡更制度的住宅小区,都可以通过这套流程生成保安巡更路线,而小区的物业管理人员只需要提供有关该小区的安全点的各项属性与保安人数即可。在房地产领域以外,例如监狱看守、高档别墅的安全保障系统、自然保护区防偷猎的侦察、野外搜救等许多领域,定点随机的思想也是值得借鉴甚至可以被采纳的。
三、讨论
作为一个初步的流程,要能够做成一套程序应用到任何一个智能化小区,它还存在一些尚待解决的问题。首先,住宅小区当中的中控系统为了保障小区内部网络安全,所采用的是特殊的、一般的计算机黑客不了解的硬件系统。而不同的小区所采用的硬件系统可能也不同。这样就很难做成一个适用于所有小区的通用程序。
其次,这套流程当中安全点位置的选定还是通过人来完成的。如果由计算机来完成,即完全让机器自动将二维图形转化成一维图形,程序是非常难实现的;即使能够实现这个问题,那么将二维图形输入到计算机中又成为一道新的难题。如果安全点的选定仍由人来做,那么作为程序的推广将会因为这一个步骤没能实现机器化而大打折扣。因此,要做成计算机程序推广存在局限性。所以,推广的重点是使这套流程应用到不同小区中控系统的不同程序结构当中。
由于作为小区保安巡更路线生成程序推广有所局限,我们试想提出一个新问题:对于给定的一个小区,是否能够通过一套程序自动提供该小区所需的保安人数、保安组数和巡更的时间安排。这个问题与随机路线的问题由许多相同之处,然而它却不存在被黑客侵入的安全问题,并且涉及到小区物业管理的经济与安全两方面的意义。
当然,经济与安全二者互相矛盾。要达到非常安全的程度,小区可以像监狱那样布置很多保安,与此同时物业管理每个月在保安身上的支出也是相当可观的;要想省钱,保安当然越少越好,而这样安全就得不到保障了。如果能找到一个安全系数比上费用支出的最大值,将是我们期望的最好结果。在此基础上,回到原来的安全点模型,对于每一个安全点的各项属性和小区的住宅楼、车库等建筑的巡更需要进行全面的定量分析,通过程序计算出保安人数和组数以及时间安排是有可能实现的。
 
 
简介两篇
关于中学生厌学情绪的调查报告
1、论文题目:关于中学生厌学情绪的调查报告
2、论文种类:社会科学
3、获奖情况:全国青少年科技创新大赛二等奖
4、论文内容简介:
近年来,我国屡次发生中小学生因课业负担过重、心理压力过大而导致的骇人听闻的事件。这些事件的发生引起了全社会的关注,引发了对我国教育制度、考试制度、评价机制等问题的广泛关注。同时,“中学生心理健康教育”也成为一项紧迫的研究课题,日益为人们所关注。本次调查主要是针对中学生学习过程中厌学情绪发生的原因、表现及解除的方法,在137位中学生中进行的。
从调查的结果可以看出,有82.5%的同学曾发生过厌学情绪,有31%的同学正处于厌学情绪的困扰中。数据从各个角度反映出中学生中“厌学情绪”的确是普遍存在的现象,具有一定的影响力。
调查结果显示,厌学情绪产生的原因有以下几种:1、父母逼迫、不堪重负;2、遭遇失败,丧失信心;    3、周围不良社会环境的影响;4、身体疲惫不堪;5、课外兴趣干扰等。
不同的年龄阶段,身心成长呈现出不同的特点,学生生活中产生的困难也不尽相同,高中学学习压力大,而初中生则困惑于人际交往。
对自己承受困难挫折及厌学情绪的能力有的同学持肯定态度,而有的同学则不能确定,因此,自己评估自己得出的结论就需打一个问号了。
通过调查,有77.4%的同学认为自己的厌学情绪需要调整,他们选择了旅游、诉说、散步、听音乐、睡觉甚至痛哭一场等多种方式来解除它。
通过此次调查谈话,有更多的同学对厌学情绪有了更深入的认识。他们表示在今后的学习生活中,应当逐步学会自我心理调节,建立积极向上的心理素质。
5、全国评审专家组对论文的评语:
选题很好,问卷设计涉及的影响因素比较周全,发表一百余份,回收率较高,统计分析结果说明一定总是对解决中学生厌学问题有一定参考价值。
 
上海市人口紧急疏散问题
1.论文题目:上海市人口紧急疏散问题
2.论文种类:科学方法
3.获奖情况:全国青少年创新大赛二等奖
4.论文内容简介:
随着我国改革开放的深入进行,民防事业越来越受到社会各界的重视。上海市嘉定区曾经进行了防空警报的演习,人们对自然灾害和战争的忧患意识得到了普遍增强。
我们利用所学的应用数学知识,通过数学建模的方法,对影响疏散过程的一些因素(如车流量、车型等)做出分析和规划,建立了一些数学模型。
上海是一个国际化大都市,拥有1600万常住人口,是中国经济、金融、贸易中心,因此一个完善的疏散计划显得非常重要,我们建立了以主干道车流量模型、普通公路流量模型和自行车散模型,以此讨论上海市居民的疏散方案。利用这三个模型我们做了以下工作:A规划出汽车在高架路上撤离时的路线,及各段道路上的车流量。B规划出从内环线各匝道口进入主干道的车辆总数。C讨论了将某些道路改为单向道所起到的作用。D讨论了普通公路所起的作用。E计算出自行车撤离时一定距离所需要的大致时间,并对各区居民利用自行车进行撤离提出几条建议。
另外,我们还建立了两个辅助模型:控制车辆型号的比值和临时避难所模型。利用控制车辆型号的比值,我们讨论了不同型号的影响。利用临时避难所的模型,我们对无法及时疏散的居民做出安排,并计算了临时避难所的数量。
最后,我们根据已建立的模型给出几个撤离方案,并从车辆、道路、建筑功能等方面提出几条建议。
5、全国评审专家组对论文的评语:
针对上海市如何在灾难到达之前进行紧急人员撤离问题,作者利用所学的数学知识,设计了一个具有实际可行的撤离方案,使总撤离时间尽量短,撤离人数尽量多。该项目具有较强的创新意识,使用方法得当,结果正确。

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