游乐场中的物理

1、8/6/20211 8/6/20212 大家都坐过过山车和跳楼机吧！那种奇大家都坐过过山车和跳楼机吧！那种奇 妙的感觉真是让人激动又害怕。可是，妙的感觉真是让人激动又害怕。可是， 你有没有想过，游乐场中许多的游戏都你有没有想过，游乐场中许多的游戏都 蕴含着物理知识。今天，就让我们一起蕴含着物理知识。今天，就让我们一起 去探求一下吧！去探求一下吧！ 8/6/20213 大家都坐过 物理，有时真的挺无 趣。话不多说，先给 大家看一些世界各地 “有趣”的游乐场游 戏！ 8/6/20214 最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目： 西班牙的西班牙的“觀音坐蓮觀音坐蓮” 8/6/20215 最刺激娛樂項目：最刺

2、激娛樂項目： 美國公園的美國公園的 “人肉螺旋漿人肉螺旋漿” 8/6/20216 最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目： 美國大峽谷的美國大峽谷的“死亡電單車死亡電單車” 8/6/20217 最刺激娛樂項目：加拿大公園的最刺激娛樂項目：加拿大公園的“雲霄飛車雲霄飛車” 8/6/20218 這樣的雲霄飛車不知是要飛去哪里這樣的雲霄飛車不知是要飛去哪里 8/6/20219 這樣的遊戲你敢玩嗎這樣的遊戲你敢玩嗎? ? 8/6/202110 8/6/202111 最刺激娛樂項目：高空遊樂園最刺激娛樂項目：高空遊樂園 8/6/202112 最刺激娛樂項目：美國迪士尼公園的最刺激娛樂項目：美國迪士尼公園的“升空

3、電梯升空電梯” 8/6/202113 最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目：KBKB的的“火山地獄艇火山地獄艇” 8/6/202114 最刺激娛樂項目：最刺激娛樂項目： 美國最著名的美國最著名的“死亡跑道死亡跑道” 8/6/202115 最刺激娛樂項目：美國的最刺激娛樂項目：美國的“瀑布飛船瀑布飛船” 8/6/202116 這種過山車你敢坐麼？這種過山車你敢坐麼？ 8/6/202117 8/6/202118 8/6/202119 8/6/202120 8/6/202121 8/6/202122 1 1 美國皇家峽谷懸索橋蹦極，美國皇家峽谷懸索橋蹦極，321321米米 8/6/202123 2 2 中

4、國澳門旅遊塔蹦極，中國澳門旅遊塔蹦極，233233米米 8/6/202124 8/6/202125 一一.跳楼机跳楼机 二.过山车 三三.蹦极蹦极 8/6/202126 8/6/202127 我们在跳楼机中自由下落时， 会感受到一种失重状态，就 好像航天员在穿梭机中漂浮 着一样。为甚么物体在引力 下自由下落时会失去重力？ 这又与太空中的失重状态有 什么相似的地方呢？ 8/6/202128 首先想一想为什么我们平日 会感受到身体的重力。根据 牛顿的万有引力定律，地球 对我们的身体产生引力 。但 原来地面对我们的身体也产 生一个支持力，引力与支持 力大小相等并互相平衡，我 们才得以安然地站在地上不

5、 动。如果假想支持力消失， 我们便会随引力下落，掉进 地球的中心了！这两个方向 相反的力对我们的身体组织 产生一种压力，使我们感受 到自己身体的重力。 8/6/202129 早在 17 世纪，伽里略(Galileo) 已经发 现不同质量的物体在引力下会以相同的 加速度自由下落。换句话说，如果我们 可以忽略空气阻力的影响，任何物体在 同样的高度会以相同的时间跌落地面。 据说伽里略曾经在比萨斜塔顶端自由落 下两个大小相等但质量不同的圆球，发 现它们同时到地，验证了上述的原理 。 让我们回到跳楼机的问题上。当 跳楼机与你一同下跌时，跳楼机 和你各自受到地球引力下落，加速度相 同，因此跳楼机对你几乎没

6、有产生 任何作用力，没有了地面或其它物体对 你的支持力，你便会毫无束缚，完全感 受不到身体的重力了。 8/6/202130 事实上，航天员在穿梭机中感受失重状态，亦是因 为他们在引力下自由下落的原故。在绕地球的轨道上， 穿梭机与航天员之间相对静止，于是航天员便可以在机 仓中自由地漂浮着。与跳楼机唯一不同的是，穿梭 机中的航天员是真正的失重，但是跳楼机的安全保险装 置把人体与机器绑定，整体下降水平牵涉到人身上使得 人体体液分布失衡，高密度脏器也是处在惯性上压的状 态，容易血管出血等，从医学角度看，跳楼机和真人跳 楼不仅有死与不死的区别，也有均匀受力和不均衡受力 的区别。聪明的同学可能会问，为什么

7、不同质量的物体 会以相同的加速下坠？这又要用牛顿力学来解释了。我 们知道，地球作用于物体的引力与地球的质量 和物体的 质量 成正比，而与他们之间距离的平方成反比，即 8/6/202131 可是牛顿第二定律告诉我们，物体受力 作用 时，加速度 与物体的质量 成反比，即 把两式合起来，我们有 于是加速度a便与物体的质量m无关了。 8/6/202132 8/6/202133 8/6/202134 在刚刚开始时，过山车的小列车是依靠一个机械装置的推 力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装 置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿轨道行 驶的唯一的“发动机”将是引力势能，即由势能转化为动

8、 能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构 成的。 第一种能，即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的 能量，它是由于物体和地球的引力相互作用而产生的。对 过山车来说，它的势能在处于最高点时达到了最大值，也 就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。当过山车开始下 降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但能 量不会消失，而是转化成了动能，也就是运动的能量。不 过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩 擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动能和势 能）。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小 山丘略矮一点的原因。 8/6/202135 过山车最后一节小车厢里是过山

9、车赠送给勇敢的 乘客最为刺激的礼物。事实上，下降的感受在过 山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通 过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这 是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。 这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达 到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的 感觉，因为质量中心正在加速向。尾部车厢的车 轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近 时，小车厢就可能脱轨飞出去。 车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在 “身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态， 但是它要“等待”质量中心越过高点被引力推动。 8/6/202136 过山车的竖直立环是一种离心机装置，当列车接近

10、 回环时，乘客的惯性速度笔直地指向前方。但车厢 一直沿轨道行进，使乘客的身体无法按直线运动。 于是重力推着乘客离开车厢的地板，而惯性则将乘 客向地板方向挤压。乘客本身的外向惯性产生惯性 力，使乘客即使在头朝下时也能牢牢地停留在车厢 的底部。当然乘客需要某种安全护具来保证自己的 安全，但在大多数大回环中，无论有没有护具，乘 客都会停留在车厢中。 当列车沿着回环移动时，作用在乘客身上的合力在 不断地变化。在回环的最底部，因为加速度朝上， 所以轨道对游客向上的支撑力要大于重力，此时游 客可以感觉到超重的现象，即感觉特别沉重。当一 路冲上回环时，重力则把乘客向地板的方向推。所 以乘客会感到重力将您向座

11、位方向挤压。 8/6/202137 在回环的顶部，乘客完全倒转了过来，指向地面的重力 以及轨道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力 和重力仅与离心力平衡，即提供运动所需的向心力，此 时若是飞车的速度较小，小到所产生的离心力小于重力 的话，飞车就会有掉落的危险，所以，在回环顶部的时 候要求有一定的速度以保证安全。同时也是由于离心力 的存在，抵消了一部分重力，于是乘客会产生失重现象， 感觉身体变得极轻。等列车驶出回环，沿水平方向行进， 乘客又会回到原来的重力。 在大回环中，竖直加速度的强度是由两个因素决定的： 列车的速度和弯道的角度。当列车进入回环时，它拥有 最大的动能，也就是说，它以最快的速

12、度移动。在回环 的顶部，重力已经在一定程度上降低了列车的速度，所 以列车拥有更多的势能，但动能减少了，也就是说它以 较低的速度移动，但速度不能够低于某一个安全行驶的 速度。 8/6/202138 更快的速度意味着乘客在进入回环时会受到 更大的作用力，而这可能会让乘客很不舒服。 水滴形设计使这些力的平衡变得更加容易。 回环顶部的弯道角度比回环侧面更急促。这 样可以让列车以足够快的速度穿过回环，使 之在回环顶部拥有充足的加速力，而且水滴 形设计会在侧面产生较小的竖直加速度。这 提供了维持过山车一切运行所需的力，而不 致将过大的力施加在可能有危险的部位。 一旦过山车走完了它的行程，制动装置就会 非常

13、安全地使过山车停下来。减速的快慢是 由气缸中气体的压力来控制的。 8/6/202139 8/6/202140 蹦极是一项极富刺激而惊险的体育运 动，那么蹦极运动的过程中，机械能 是怎样转换的，人的运动状态又是如 何改变的呢？ 第一个点绳子的悬挂点第一个点绳子的悬挂点O。 第二个点是弹性绳从高处自然下垂时的最低点第二个点是弹性绳从高处自然下垂时的最低点A，此时绳，此时绳 长为长为L0，当绳长超过该长时，绳子被拉伸。由于此时运，当绳长超过该长时，绳子被拉伸。由于此时运 动员所受的重力与绳子的拉力相平衡，所以我们将该点动员所受的重力与绳子的拉力相平衡，所以我们将该点 叫做平衡点。叫做平衡点。 第三个

14、点是系有运动员的弹性绳从高处自然下垂时，即第三个点是系有运动员的弹性绳从高处自然下垂时，即 最后运动员静止时绳子的下端点所处的位置最后运动员静止时绳子的下端点所处的位置B点。点。 8/6/202141 第四个点是运动员在运动的过程中所能到达的最低点第四个点是运动员在运动的过程中所能到达的最低点 C。有了这四个点，我们的问题就便于讨论了。为了。有了这四个点，我们的问题就便于讨论了。为了 使问题简单化，我们首先假设运动员在运动的过程中使问题简单化，我们首先假设运动员在运动的过程中 空气阻力可以忽略不计空气阻力可以忽略不计 。 第一个过程，运动员从跳下到绳子的自然下垂点第一个过程，运动员从跳下到绳子

15、的自然下垂点A。 当运动员从高处跳下之后，到达当运动员从高处跳下之后，到达A点之前，运动员的点之前，运动员的 高度不断降低，重力势能不断减小，同时动能不断增高度不断降低，重力势能不断减小，同时动能不断增 大。在此过程中运动员的重力势能全部转化为运动员大。在此过程中运动员的重力势能全部转化为运动员 的动能。由于此时弹性绳子并没有被拉伸，所以运动的动能。由于此时弹性绳子并没有被拉伸，所以运动 员并不受到绳子的拉力，在这一过程中运动员只受重员并不受到绳子的拉力，在这一过程中运动员只受重 力的作用，整个过程运动员向下作匀加速运动。力的作用，整个过程运动员向下作匀加速运动。 8/6/202142 第二个

16、过程，从绳子的自然下垂点第二个过程，从绳子的自然下垂点A到受力平衡点到受力平衡点B。当。当 运动员从绳子的自由长度运动员从绳子的自由长度A继续向下运动时，此时绳子开继续向下运动时，此时绳子开 始被拉伸，弹性绳子开始对运动员具有向上的拉力，且不始被拉伸，弹性绳子开始对运动员具有向上的拉力，且不 断增大。但在起始阶段拉力小于重力，因而运动员此时仍断增大。但在起始阶段拉力小于重力，因而运动员此时仍 然向下做加速运动，只是加速度在逐渐减小，这个过程一然向下做加速运动，只是加速度在逐渐减小，这个过程一 直会持续到直会持续到B点，即挂在绳子下的运动员最后静止是时的点，即挂在绳子下的运动员最后静止是时的 位

17、置。这个位置弹性绳对运动员的拉力等于重力，运动员位置。这个位置弹性绳对运动员的拉力等于重力，运动员 受力平衡，我们将这个位置称作平衡位置。由以上分析可受力平衡，我们将这个位置称作平衡位置。由以上分析可 知，从知，从A点到这个平衡位置，运动员的动能还是在不断增点到这个平衡位置，运动员的动能还是在不断增 大，同时绳子的弹性势能也在增大，只是运动员的高度在大，同时绳子的弹性势能也在增大，只是运动员的高度在 降低，运动员的重力势能在减小。所以在这一过程中运动降低，运动员的重力势能在减小。所以在这一过程中运动 员的重力势能一部分转化为自身的动能，一部分转化为弹员的重力势能一部分转化为自身的动能，一部分转

18、化为弹 性绳的弹性势能。性绳的弹性势能。 8/6/202143 由刚才的分析我们还知道，当运动员到达平衡位置由刚才的分析我们还知道，当运动员到达平衡位置B点时，运动员点时，运动员 受到的合力为零，即运动员的加速过程宣告结束，所以到达平衡位受到的合力为零，即运动员的加速过程宣告结束，所以到达平衡位 置时运动员的速度达到最大。置时运动员的速度达到最大。 第三个过程从受力平衡点第三个过程从受力平衡点B到最低点到最低点C。运动员从受力平衡点继续。运动员从受力平衡点继续 向下运动，绳子的弹力继续增大，且大于运动员的重力，此时运动向下运动，绳子的弹力继续增大，且大于运动员的重力，此时运动 员所受的合力转为

19、向上，因而运动员向下做减速运动，且向下的加员所受的合力转为向上，因而运动员向下做减速运动，且向下的加 速度越来越大。既然运动员向下做减速运动，因此，运动员的动能速度越来越大。既然运动员向下做减速运动，因此，运动员的动能 在不断减小。而运动员的高度在不断降低，所以运动员的重力势能在不断减小。而运动员的高度在不断降低，所以运动员的重力势能 也在不断减小，那运动员的动能和弹性势能都减小到哪儿去了，不也在不断减小，那运动员的动能和弹性势能都减小到哪儿去了，不 要忘了，此时绳子依然被继续向下拉伸，因此，弹性绳子的弹性势要忘了，此时绳子依然被继续向下拉伸，因此，弹性绳子的弹性势 能在不断增大。所以，这一阶段运动员的动能和重力势能都转化为能在不断增大。所以，这一阶段运动员的动能和重力势能都转化为 弹性绳子的弹性势能。当人到达最低点时