研究性学习——游乐场中的物理知识

• 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
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。
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
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。
• 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。
• ①力的作用是相互的同时出现，同时消失。。 ②相互 作用力一定是相同性质的力
• ③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。
• ④作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照物不 同
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。
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 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。
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。
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。
• 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
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
• 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
• 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？