游樂場(chǎng)中的物理

1、4/17/202214/17/20222大家都坐過過山車和跳樓機(jī)吧！那種奇大家都坐過過山車和跳樓機(jī)吧！那種奇妙的感覺真是讓人激動(dòng)又害怕?？墒?，妙的感覺真是讓人激動(dòng)又害怕?？墒牵阌袥]有想過，游樂場(chǎng)中許多的游戲都你有沒有想過，游樂場(chǎng)中許多的游戲都蘊(yùn)含著物理知識(shí)。今天，就讓我們一起蘊(yùn)含著物理知識(shí)。今天，就讓我們一起去探求一下吧！去探求一下吧！4/17/20223大家都坐過物理，有時(shí)真的挺無趣。話不多說，先給大家看一些世界各地“有趣”的游樂場(chǎng)游戲！4/17/20224最刺激娛樂項(xiàng)目：最刺激娛樂項(xiàng)目：西班牙的西班牙的“觀音坐蓮觀音坐蓮” 4/17/20225最刺激娛樂項(xiàng)目：最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)公園的美

2、國(guó)公園的“人肉螺旋漿人肉螺旋漿” 4/17/20226最刺激娛樂項(xiàng)目：最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)大峽谷的美國(guó)大峽谷的“死亡電單車死亡電單車” 4/17/20227最刺激娛樂項(xiàng)目：加拿大公園的最刺激娛樂項(xiàng)目：加拿大公園的“雲(yún)霄飛車雲(yún)霄飛車”4/17/20228這樣的雲(yún)霄飛車不知是要飛去哪里這樣的雲(yún)霄飛車不知是要飛去哪里4/17/20229這樣的遊戲你敢玩嗎這樣的遊戲你敢玩嗎? ?4/17/2022104/17/202211最刺激娛樂項(xiàng)目：高空遊樂園最刺激娛樂項(xiàng)目：高空遊樂園4/17/202212最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)迪士尼公園的最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)迪士尼公園的“升空電梯升空電梯” 4/17/202213

3、最刺激娛樂項(xiàng)目：最刺激娛樂項(xiàng)目：KBKB的的“火山地獄艇火山地獄艇”4/17/202214最刺激娛樂項(xiàng)目：最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)最著名的美國(guó)最著名的“死亡跑道死亡跑道”4/17/202215最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)的最刺激娛樂項(xiàng)目：美國(guó)的“瀑布飛船瀑布飛船”4/17/202216這種過山車你敢坐麼？這種過山車你敢坐麼？4/17/2022174/17/2022184/17/2022194/17/2022204/17/2022214/17/2022221 1 美國(guó)皇家峽谷懸索橋蹦極，美國(guó)皇家峽谷懸索橋蹦極，321321米米4/17/2022232 2 中國(guó)澳門旅遊塔蹦極，中國(guó)澳門旅遊塔蹦極，233233

4、米米4/17/2022244/17/202225一一.跳樓機(jī)跳樓機(jī)二.過山車三三.蹦極蹦極4/17/2022264/17/202227我們?cè)谔鴺菣C(jī)中自由下落時(shí)，會(huì)感受到一種失重狀態(tài)，就好像航天員在穿梭機(jī)中漂浮著一樣。為甚么物體在引力下自由下落時(shí)會(huì)失去重力？這又與太空中的失重狀態(tài)有什么相似的地方呢？ 4/17/202228首先想一想為什么我們平日會(huì)感受到身體的重力。根據(jù)牛頓的萬(wàn)有引力定律，地球?qū)ξ覀兊纳眢w產(chǎn)生引力 。但原來地面對(duì)我們的身體也產(chǎn)生一個(gè)支持力，引力與支持力大小相等并互相平衡，我們才得以安然地站在地上不動(dòng)。如果假想支持力消失，我們便會(huì)隨引力下落，掉進(jìn)地球的中心了！這兩個(gè)方向相反的力對(duì)我

5、們的身體組織產(chǎn)生一種壓力，使我們感受到自己身體的重力。 4/17/202229早在 17 世紀(jì)，伽里略(Galileo) 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的物體在引力下會(huì)以相同的加速度自由下落。換句話說，如果我們可以忽略空氣阻力的影響，任何物體在同樣的高度會(huì)以相同的時(shí)間跌落地面。據(jù)說伽里略曾經(jīng)在比薩斜塔頂端自由落下兩個(gè)大小相等但質(zhì)量不同的圓球，發(fā)現(xiàn)它們同時(shí)到地，驗(yàn)證了上述的原理 。讓我們回到跳樓機(jī)的問題上。當(dāng)跳樓機(jī)與你一同下跌時(shí)，跳樓機(jī)和你各自受到地球引力下落，加速度相同，因此跳樓機(jī)對(duì)你幾乎沒有產(chǎn)生任何作用力，沒有了地面或其它物體對(duì)你的支持力，你便會(huì)毫無束縛，完全感受不到身體的重力了。 4/17/202230

6、事實(shí)上，航天員在穿梭機(jī)中感受失重狀態(tài)，亦是因?yàn)樗麄冊(cè)谝ο伦杂上侣涞脑?。在繞地球的軌道上，穿梭機(jī)與航天員之間相對(duì)靜止，于是航天員便可以在機(jī)倉(cāng)中自由地漂浮著。與跳樓機(jī)唯一不同的是，穿梭機(jī)中的航天員是真正的失重，但是跳樓機(jī)的安全保險(xiǎn)裝置把人體與機(jī)器綁定，整體下降水平牽涉到人身上使得人體體液分布失衡，高密度臟器也是處在慣性上壓的狀態(tài)，容易血管出血等，從醫(yī)學(xué)角度看，跳樓機(jī)和真人跳樓不僅有死與不死的區(qū)別，也有均勻受力和不均衡受力的區(qū)別。聰明的同學(xué)可能會(huì)問，為什么不同質(zhì)量的物體會(huì)以相同的加速下墜？這又要用牛頓力學(xué)來解釋了。我們知道，地球作用于物體的引力與地球的質(zhì)量 和物體的質(zhì)量 成正比，而與他們之間距離

7、的平方成反比，即4/17/202231可是牛頓第二定律告訴我們，物體受力 作用時(shí)，加速度 與物體的質(zhì)量 成反比，即把兩式合起來，我們有 于是加速度a便與物體的質(zhì)量m無關(guān)了。 4/17/2022324/17/2022334/17/202234在剛剛開始時(shí)，過山車的小列車是依靠一個(gè)機(jī)械裝置的推力推上最高點(diǎn)的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動(dòng)力了。事實(shí)上，從這時(shí)起，帶動(dòng)它沿軌道行駛的唯一的“發(fā)動(dòng)機(jī)”將是引力勢(shì)能，即由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能、又由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為引力勢(shì)能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。第一種能，即引力勢(shì)能是物體因其所處位置而自身?yè)碛械哪芰?，它是由于物體和地球的引力相互作用而產(chǎn)生的。對(duì)過山

8、車來說，它的勢(shì)能在處于最高點(diǎn)時(shí)達(dá)到了最大值，也就是當(dāng)它爬升到“山丘”的頂峰時(shí)最大。當(dāng)過山車開始下降時(shí)，它的勢(shì)能就不斷地減少（因?yàn)楦叨认陆盗耍?，但能量不?huì)消失，而是轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能，也就是運(yùn)動(dòng)的能量。不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機(jī)械能（動(dòng)能和勢(shì)能）。這就是為什么在設(shè)計(jì)中隨后的小山丘比開始時(shí)的小山丘略矮一點(diǎn)的原因。4/17/202235過山車最后一節(jié)小車廂里是過山車贈(zèng)送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。事實(shí)上，下降的感受在過山車的尾部車廂最為強(qiáng)烈。因?yàn)樽詈笠还?jié)車廂通過最高點(diǎn)時(shí)的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于引力作用于過山車中部的質(zhì)量中心的緣故。這

9、樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能夠快速地達(dá)到和跨越最高點(diǎn)，從而就會(huì)產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，因?yàn)橘|(zhì)量中心正在加速向。尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達(dá)頂峰附近時(shí)，小車廂就可能脫軌飛出去。車頭部的車廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時(shí)間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”質(zhì)量中心越過高點(diǎn)被引力推動(dòng)。4/17/202236過山車的豎直立環(huán)是一種離心機(jī)裝置，當(dāng)列車接近回環(huán)時(shí)，乘客的慣性速度筆直地指向前方。但車廂一直沿軌道行進(jìn)，使乘客的身體無法按直線運(yùn)動(dòng)。于是重力推著乘客離開車廂的地板，而慣性則將乘客向地板方向擠壓。乘客本身的外向慣性產(chǎn)生慣性力，使乘客即使在頭朝下時(shí)也能牢牢地停

10、留在車廂的底部。當(dāng)然乘客需要某種安全護(hù)具來保證自己的安全，但在大多數(shù)大回環(huán)中，無論有沒有護(hù)具，乘客都會(huì)停留在車廂中。當(dāng)列車沿著回環(huán)移動(dòng)時(shí)，作用在乘客身上的合力在不斷地變化。在回環(huán)的最底部，因?yàn)榧铀俣瘸希攒壍缹?duì)游客向上的支撐力要大于重力，此時(shí)游客可以感覺到超重的現(xiàn)象，即感覺特別沉重。當(dāng)一路沖上回環(huán)時(shí)，重力則把乘客向地板的方向推。所以乘客會(huì)感到重力將您向座位方向擠壓。4/17/202237在回環(huán)的頂部，乘客完全倒轉(zhuǎn)了過來，指向地面的重力以及軌道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力和重力僅與離心力平衡，即提供運(yùn)動(dòng)所需的向心力，此時(shí)若是飛車的速度較小，小到所產(chǎn)生的離心力小于重力的話，飛車就會(huì)

11、有掉落的危險(xiǎn)，所以，在回環(huán)頂部的時(shí)候要求有一定的速度以保證安全。同時(shí)也是由于離心力的存在，抵消了一部分重力，于是乘客會(huì)產(chǎn)生失重現(xiàn)象，感覺身體變得極輕。等列車駛出回環(huán)，沿水平方向行進(jìn)，乘客又會(huì)回到原來的重力。 在大回環(huán)中，豎直加速度的強(qiáng)度是由兩個(gè)因素決定的：列車的速度和彎道的角度。當(dāng)列車進(jìn)入回環(huán)時(shí)，它擁有最大的動(dòng)能，也就是說，它以最快的速度移動(dòng)。在回環(huán)的頂部，重力已經(jīng)在一定程度上降低了列車的速度，所以列車擁有更多的勢(shì)能，但動(dòng)能減少了，也就是說它以較低的速度移動(dòng)，但速度不能夠低于某一個(gè)安全行駛的速度。4/17/202238更快的速度意味著乘客在進(jìn)入回環(huán)時(shí)會(huì)受到更大的作用力，而這可能會(huì)讓乘客很不舒服

12、。水滴形設(shè)計(jì)使這些力的平衡變得更加容易?；丨h(huán)頂部的彎道角度比回環(huán)側(cè)面更急促。這樣可以讓列車以足夠快的速度穿過回環(huán)，使之在回環(huán)頂部擁有充足的加速力，而且水滴形設(shè)計(jì)會(huì)在側(cè)面產(chǎn)生較小的豎直加速度。這提供了維持過山車一切運(yùn)行所需的力，而不致將過大的力施加在可能有危險(xiǎn)的部位。一旦過山車走完了它的行程，制動(dòng)裝置就會(huì)非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由氣缸中氣體的壓力來控制的。4/17/2022394/17/202240蹦極是一項(xiàng)極富刺激而驚險(xiǎn)的體育運(yùn)動(dòng)，那么蹦極運(yùn)動(dòng)的過程中，機(jī)械能是怎樣轉(zhuǎn)換的，人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又是如何改變的呢？第一個(gè)點(diǎn)繩子的懸掛點(diǎn)第一個(gè)點(diǎn)繩子的懸掛點(diǎn)O。 第二個(gè)點(diǎn)是彈性繩從高處自然下垂時(shí)

13、的最低點(diǎn)第二個(gè)點(diǎn)是彈性繩從高處自然下垂時(shí)的最低點(diǎn)A，此時(shí)繩，此時(shí)繩長(zhǎng)為長(zhǎng)為L(zhǎng)0，當(dāng)繩長(zhǎng)超過該長(zhǎng)時(shí)，繩子被拉伸。由于此時(shí)運(yùn)，當(dāng)繩長(zhǎng)超過該長(zhǎng)時(shí)，繩子被拉伸。由于此時(shí)運(yùn)動(dòng)員所受的重力與繩子的拉力相平衡，所以我們將該點(diǎn)動(dòng)員所受的重力與繩子的拉力相平衡，所以我們將該點(diǎn)叫做平衡點(diǎn)。叫做平衡點(diǎn)。 第三個(gè)點(diǎn)是系有運(yùn)動(dòng)員的彈性繩從高處自然下垂時(shí)，即第三個(gè)點(diǎn)是系有運(yùn)動(dòng)員的彈性繩從高處自然下垂時(shí)，即最后運(yùn)動(dòng)員靜止時(shí)繩子的下端點(diǎn)所處的位置最后運(yùn)動(dòng)員靜止時(shí)繩子的下端點(diǎn)所處的位置B點(diǎn)。點(diǎn)。4/17/202241第四個(gè)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過程中所能到達(dá)的最低點(diǎn)第四個(gè)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過程中所能到達(dá)的最低點(diǎn)C。有了這四個(gè)點(diǎn)，我

14、們的問題就便于討論了。為了。有了這四個(gè)點(diǎn)，我們的問題就便于討論了。為了使問題簡(jiǎn)單化，我們首先假設(shè)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過程中使問題簡(jiǎn)單化，我們首先假設(shè)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)的過程中空氣阻力可以忽略不計(jì)空氣阻力可以忽略不計(jì) 。第一個(gè)過程，運(yùn)動(dòng)員從跳下到繩子的自然下垂點(diǎn)第一個(gè)過程，運(yùn)動(dòng)員從跳下到繩子的自然下垂點(diǎn)A。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從高處跳下之后，到達(dá)當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從高處跳下之后，到達(dá)A點(diǎn)之前，運(yùn)動(dòng)員的點(diǎn)之前，運(yùn)動(dòng)員的高度不斷降低，重力勢(shì)能不斷減小，同時(shí)動(dòng)能不斷增高度不斷降低，重力勢(shì)能不斷減小，同時(shí)動(dòng)能不斷增大。在此過程中運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)員大。在此過程中運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能。由于此時(shí)彈性繩子并沒有被

15、拉伸，所以運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。由于此時(shí)彈性繩子并沒有被拉伸，所以運(yùn)動(dòng)員并不受到繩子的拉力，在這一過程中運(yùn)動(dòng)員只受重員并不受到繩子的拉力，在這一過程中運(yùn)動(dòng)員只受重力的作用，整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)員向下作勻加速運(yùn)動(dòng)。力的作用，整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)員向下作勻加速運(yùn)動(dòng)。4/17/202242第二個(gè)過程，從繩子的自然下垂點(diǎn)第二個(gè)過程，從繩子的自然下垂點(diǎn)A到受力平衡點(diǎn)到受力平衡點(diǎn)B。當(dāng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從繩子的自由長(zhǎng)度運(yùn)動(dòng)員從繩子的自由長(zhǎng)度A繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)繩子開繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)繩子開始被拉伸，彈性繩子開始對(duì)運(yùn)動(dòng)員具有向上的拉力，且不始被拉伸，彈性繩子開始對(duì)運(yùn)動(dòng)員具有向上的拉力，且不斷增大。但在起始階段拉力小于重力，因而運(yùn)動(dòng)員此時(shí)

16、仍斷增大。但在起始階段拉力小于重力，因而運(yùn)動(dòng)員此時(shí)仍然向下做加速運(yùn)動(dòng)，只是加速度在逐漸減小，這個(gè)過程一然向下做加速運(yùn)動(dòng)，只是加速度在逐漸減小，這個(gè)過程一直會(huì)持續(xù)到直會(huì)持續(xù)到B點(diǎn)，即掛在繩子下的運(yùn)動(dòng)員最后靜止是時(shí)的點(diǎn)，即掛在繩子下的運(yùn)動(dòng)員最后靜止是時(shí)的位置。這個(gè)位置彈性繩對(duì)運(yùn)動(dòng)員的拉力等于重力，運(yùn)動(dòng)員位置。這個(gè)位置彈性繩對(duì)運(yùn)動(dòng)員的拉力等于重力，運(yùn)動(dòng)員受力平衡，我們將這個(gè)位置稱作平衡位置。由以上分析可受力平衡，我們將這個(gè)位置稱作平衡位置。由以上分析可知，從知，從A點(diǎn)到這個(gè)平衡位置，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能還是在不斷增點(diǎn)到這個(gè)平衡位置，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能還是在不斷增大，同時(shí)繩子的彈性勢(shì)能也在增大，只是運(yùn)動(dòng)員的高度在大

17、，同時(shí)繩子的彈性勢(shì)能也在增大，只是運(yùn)動(dòng)員的高度在降低，運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能在減小。所以在這一過程中運(yùn)動(dòng)降低，運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能在減小。所以在這一過程中運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)化為彈員的重力勢(shì)能一部分轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)化為彈性繩的彈性勢(shì)能。性繩的彈性勢(shì)能。4/17/202243由剛才的分析我們還知道，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)平衡位置由剛才的分析我們還知道，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員到達(dá)平衡位置B點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員受到的合力為零，即運(yùn)動(dòng)員的加速過程宣告結(jié)束，所以到達(dá)平衡位受到的合力為零，即運(yùn)動(dòng)員的加速過程宣告結(jié)束，所以到達(dá)平衡位置時(shí)運(yùn)動(dòng)員的速度達(dá)到最大。置時(shí)運(yùn)動(dòng)員的速度達(dá)到最大。 第三個(gè)過程從受

18、力平衡點(diǎn)第三個(gè)過程從受力平衡點(diǎn)B到最低點(diǎn)到最低點(diǎn)C。運(yùn)動(dòng)員從受力平衡點(diǎn)繼續(xù)。運(yùn)動(dòng)員從受力平衡點(diǎn)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，繩子的彈力繼續(xù)增大，且大于運(yùn)動(dòng)員的重力，此時(shí)運(yùn)動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)，繩子的彈力繼續(xù)增大，且大于運(yùn)動(dòng)員的重力，此時(shí)運(yùn)動(dòng)員所受的合力轉(zhuǎn)為向上，因而運(yùn)動(dòng)員向下做減速運(yùn)動(dòng)，且向下的加員所受的合力轉(zhuǎn)為向上，因而運(yùn)動(dòng)員向下做減速運(yùn)動(dòng)，且向下的加速度越來越大。既然運(yùn)動(dòng)員向下做減速運(yùn)動(dòng)，因此，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能速度越來越大。既然運(yùn)動(dòng)員向下做減速運(yùn)動(dòng)，因此，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能在不斷減小。而運(yùn)動(dòng)員的高度在不斷降低，所以運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能在不斷減小。而運(yùn)動(dòng)員的高度在不斷降低，所以運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能也在不斷減小，那運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和彈性勢(shì)能都減小到哪兒去了，不也在不斷減小，那運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和彈性勢(shì)能都減小到哪兒去了，不要忘了，此時(shí)繩子依然被繼續(xù)向下拉伸，因此，彈性繩子的彈性勢(shì)要忘了，此時(shí)繩子依然被繼續(xù)向下拉伸，因此，彈性繩子的彈性勢(shì)能在不斷增大。所以，這一階段運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和重力勢(shì)能都轉(zhuǎn)化為能在不斷增大。所以，這一階段運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和重力勢(shì)能都轉(zhuǎn)化為彈性繩子的彈性勢(shì)能。當(dāng)人到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)，此時(shí)人的速度