研究性学习——游乐场中的物理知识.ppt

研究性学习 游乐场中的物理知识 游乐场中牵涉到的物理知识 1 跳楼机用到了失重原理 失重又与加速度和惯性有关 2 许多设施都是靠电来驱动的 就与电有关联 3 像是海盗船之类的 有用到了离心的知识 离心的原理又牵扯到圆周运动和向心力 4 还有很多高速运作的过山车啊 滑板 汽车等等 可联想到动能守恒 速度越大 动能越大 就能摆到更高的高度 5 碰碰车因为是碰撞 就是动量守恒定理 山车运行中物理学原理 过山车运行中物理学原理 加速度速率 有方向的速度 的改变称为加速度 一个物体加速 减速 或改变方向 称之为加速度 大部分大型游乐设备包括加速度 当下坡 或急速转弯 设备可能提高速率或加速度 当上坡 或沿直线运动 设备可能减小速率或减速度 当过山车下坡 地心引力使车体运动的速度越来越快 这是加速度 当过山车上坡 车体运动的速度越来越慢 这是减速度 过山车的加速度与车体的质量和推拉的动力有直接的关系 向心力当过山车沿着回环运动 向心力发生作用 向心力是物体沿着圆周运动而产生的 例如当你沿着下滑曲线向地面运行 地心引力使过山车沿直线作下滑运动 但是轨道是曲线的 向心力里又使过山车沿曲线运动 乘客在过山车上的感觉是被抛离轨道 但是地心引力又使车体的的确确运行在轨道上作圆周运动 所以指向圆周或曲线内部的动力是必须的 对于指向圆周或曲线内部的动力 称之为向心力 当马达驱动过山车攀登到达第一个坡度 过山车储存越来越多的势能 当重力牵引过山车沿斜坡下滑 势能又转化为动能 斜坡上离顶部越远 势能转化为动能就越多 乘客能感觉到速度的加快 在斜坡的最底部 速度最快 当车体攀登第二个山坡 动能又逐渐转化为势能 过山车的速度逐渐减慢 高度越高 意味着动能转化为势能越多 这个动能势能的转化守恒定率 保持过山车沿轨道上下运动 而动能的总量是保持不便 只是重一种形式转化为另一种形式 请注意第一个山坡是过山车的最高点 为什么 然而 一部分的能量转化摩擦力 风阻 车轮的转动和其他一些消耗能量的因素 过山车设计者充分考虑摩擦力在过山车运行中所扮演的角色 因此设计师降低山坡设计的高度 以保证过山车能够完全驶过山坡 过山车能够运行是因为两个基本点 地球引力和能量守恒 作用力作用力的表现形式是推或拉 平衡的作用力表现为物体在受到几个力作用时 物体保持静止状态或匀速直线运动状态 非平衡力表现为物体在受到几个力作用时 物体保持非静止状态或变速直线运动状态牛顿第一和第二定律定律特别符合过山车的工作原理 它们联系到重力和加速度 过山车从山坡的顶端是一系列复杂的倾斜的下降运动 但又是一个简单的力学原理 摩擦力两个互相接触的物体 当它们发生相对运动时 就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力 这种力就叫摩擦力 摩擦力产生的条件是两物体相互接触 且接触面粗糙 有相互挤压 两物体之间要发生或已经发生相对运动 摩擦力阻碍物体相对运动或相对运动的趋势 因此摩擦里的方向与物体相对运动或相对运动的趋势相反 所以在物体的运动中 一部分动能转化为摩擦力 过山车的设计者一定要知道摩擦力在车体运动中所起的作用 设计者可以用摩擦力以降低过山车行进中的速度和到站后的安全停止 重力由于地球的吸引里而使物体受到的力叫作重力 对过山车最为重要和具有影响的是地球引力 地球引力使物体从一个点往另外一点运动 由于重力引起的加速或减速依据轨道倾斜的角度 坡度越陡 加速或减速就越明显 斜坡 1在设计斜坡 1时 请考虑以下的问题 斜坡有没有足够的高度 以提供过山车有足够的动力使过山车通过斜坡 2和回环 如果过山车的速度过快 当过山车通过斜坡顶部时 会发生什么情况 为什么 地球引力的变化对于过山车上下山坡和穿过回环 会产生什么样的影响 你能不能改变地球的引力 斜坡 2为什么斜坡 2的高度决定过山车能否穿过回环 什么样斜坡的高度设计使过山车能通过回环 而又不坠毁 摩擦力的设计是不是影响过山车能否顺利通过斜坡 2和饶过回环的因素 惯性一个静止的物体 如过山车 没有外力的推拉 它是不会运动的 物体质量越大 惯性越大 如果没有外力使过山车加速或减速 行进中的过山车会按原来的方向继续运动 运行过山车的阻力改变它的速率是惯性的另一例子 对于回环设计和 必须决定回环的大小尺度 惊险的过山车通常会有回环或螺旋设计 你惊险的经历不仅仅是飞快的速度 巨大的落差 也包括令人难忘的上上下下的翻滚 如果你细看过山车回还的曲线 你所见到的不是圆 而是泪状物 这个形状称作椭圆形回环 这个称谓早在18世纪瑞士天才数学家雷纳就曾提出 只是最近过山车设计工程师意识到这是一个完美的翻转形状 牛顿定律牛顿是十七的世纪最有影响的科学家之一 牛顿三定律解释运动物体的各方面 对于建造过山车也是很有帮助的 1 牛顿第一定律 惯性定律 一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态 直到有外力迫使它改变这种状态为止 物体没有受外力作用时保持静止或匀速运动物体在受到平衡力作用时保持静止或匀速运动物体在受任意力作用时作变速运动 2 物体的加速度跟作用力成正比 跟物体的质量成反比 这就是牛顿第二定律 加速度和力都是矢量 它们都是有方向的 牛顿第二定律不但确定了加速度和力的大小关系 还确定了它们的方向之间的关系 加速度的方向跟引起这个加速度的力方向相同 3 第三定律两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等 方向相反 并且作用在同一直线上F1 F2 力的作用是相互的同时出现 同时消失 相互作用力一定是相同性质的力 作用力和反作用力作用在两个物体上 产生的作用不能相互抵消 作用力也可以叫做反作用力 只是选择的参照物不同 作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上 所以不能求合力 速度 速率速度是距离除以时间或物体运动的比率 对于过山车的建立 正确的理解速度 速率和加速度都是极为重要的三个方面 过山车必须兼顾安全和惊险 安全是过山车建造的第一要素 毫无疑问 乘客在过山车的乘坐中 必须是绝对安全的 但速度和加速度的惊险度是过山车成功的重要因素 这关于速度的控制 所以包括山坡 直线 曲线 俯冲 回环和刹车系统等都是经过科学的论证和设计的 还包括材质 结构的设计都是安全基础上再生产设计的 科学的理论基础是过山车生产设计的核心 速率 速率是物体在某个方向上的速度 当方向改变 速率也随之改变 过山车可以保持固定的速度 但是随着方向的变化 速率始终是不断的发生变化 速率越快 过山车运行的速度也就越快 通常速度可以用来代替速率 但是 速率是有方向意义上的速度 例如向西100公里 小时 是速率 向西是指以100公里 小时行进的 失重有两种失重的经历 1 足够快的速度离开地球到足够高的距离使所受重力近于零 重力可以作用与无限距离 人永远不可能脱离 2 下落的速度和和重力加速度是一样的 即在地球上的加速度是以9 8米 秒竖直向下行进 要使人有重量 人必须感觉到来自地面的重力反作用力 一些游乐设备在行进中 提供了9 8米 秒的下落速度 使人产生失重的感觉 在游乐场活动应注意哪些安全问题 近些年来 游乐业发展迅速 大大小小的游乐场遍布各地 去游乐场活动应注意的