游乐场中的物理

游乐场设施的科学原理
1. 摩擦力：游乐场设施中常用到摩擦力，如摩天轮、旋转木马等，其转动速度与过山车等滑行类设施的速度都与摩擦力有关。

摩擦力越大，设施转动或滑行的速度就越慢。

2. 重力：重力是让下落式游乐设施如自由落体、过山车等实现高速行驶的主要原理。

设施在高处获得了重力势能，并通过下落的方式迅速释放，转化成动能实现高速运动。

3. 力学原理：过山车、蹦极等游乐设施有时需要考虑材料的承载能力和机械力学原理，保证设施的运行安全。

4. 流体力学原理：水上乐园的滑道、动感漂流等设施应用了流体力学中的液体运动原理。

例如，水提供了阻力，让人在水道中减速，而水道中的水流则提供了推力，让人在水上滑行。

5. 热学原理：一些游乐设施中还运用了热学原理。

例如，冰雪世界中的滑雪场在保持冰面坚硬的状态时需要加入冷却剂，而温水游泳池需要加热器维持水温。

总的来说，游乐场设施需要涉及多个学科的知识，设计师需要结合设施的性质、使用场景和安全标准综合考虑运用各种原理，确保游乐设施的安全、丰富和具有
趣味性。

物理学原理在游乐场中的应用
物理是一门历史悠久的自然学科。

生活中处处蕴含着物理知识，那么我们就以游乐场为例就以下两个我们常见的游玩项目来做简单的介绍：
过山车
过山车又称云霄飞车，常见于游乐园和主题乐园中。

乘坐过山车虽然非常刺激，但是过山车基本上是一个非常安全的设施。

如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。

实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。

如果能亲身体验一下能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。

跳楼机
跳楼机，一个比过山车更加惊险刺激游玩项目。

我们在跳楼机中自由下坠时，会感受到一种无重状态，就好像航天员在穿梭机中漂浮着一样。

当跳楼机与你一同下跌时，跳楼机和你各自受到地球引力影响下跌，加速度相同，因此跳楼机对你几乎没有产生任何作用力，没有了地面或其它物体对你的承托力，你便会毫无束缚，完全感受不到身体的重量了。

事实上，航天员在穿梭机中感受无重状态，亦是因为他们在引力下自由下坠的原故。

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。

2。

3 圆周运动的案例分析直平面内的圆周运动。

一、分析游乐场中的圆周运动 1．受力分析（1)过山车在轨道顶部时要受到重力和轨道对车的弹力作用,这两个力的合力提供过山车做圆周运动的向心力。

（2）当过山车恰好经过轨道顶部时，弹力为零,此时重力提供向心力。

2．临界速度（1）过山车恰好通过轨道顶部时的速度称为临界速度,记作v 临界，v临界＝错误!。

（2）当过山车通过轨道最高点的速度v ≥错误!时，过山车就不会脱离轨道;当v ＞错误!时,过山车对轨道还会产生压力作用。

（3）当过山车通过轨道最高点的速度v ＜错误!时，过山车就会脱离轨道，不能完成圆周运动. 预习交流1“水流星"是我国传统的杂技节目，演员们把盛有水的容器用绳子拉住在空中如流星般快速舞动，同时表演高难度的动作，容器中的水居然一滴也不掉下来。

“水流星"的运动快慢与绳上的拉力的大小有什么关系？如果绳上的拉力渐渐减小，将会发生什么现象？答案：“水流星”转得越快，绳上的拉力就越大。

若绳上的拉力减小，有可能使水流出来。

二、研究运动物体转弯时的向心力1．自行车转弯时要向转弯处的内侧倾斜,由地面对车的作用力与重力的合力作为转弯所需要的向心力。

2．汽车在水平路面上转弯时由地面的摩擦力提供向心力。

3．火车转弯时的向心力由重力和铁轨对火车的支持力的合力提供,其向心力方向沿水平方向。

预习交流2飞行中的鸟和飞机要改变方向转弯时，鸟的身体或飞机的机身要倾斜，如图所示,这是为什么？答案:鸟或飞机转弯时需要向心力，只有当鸟身或飞机的机身倾斜时,它们所受空气对它们的作用力和重力的合力才能提供它们转弯需要的向心力。

一、竖直面内的圆周运动实例分析1．汽车过拱形桥桥顶时，可认为是圆周运动模型，那么汽车过拱形桥顶时动力学特点有哪些？答案：汽车在桥顶受到重力和支持力作用，如图所示，向心力由两者的合力提供.（1)动力学方程: 由牛顿第二定律2=N v G F m R－解得22=N v v F G m mg m R R=－－。

有关过山车的几个典型例题例题1目前，滑板运动受到青少年的追捧。

如图是某滑板运动员在一次表演时的一部分赛道在竖直平面内的示意图．赛道光滑，FGI 为圆弧赛道，半径R=6.5m ，C 为最低点并与水平赛道BC 位于同一水平面，KA 、DE 平台的高度都为h=1.8m 。

B 、C 、F 处平滑连接。

滑板a 和b 的质量均为m ，m=5kg ，运动员质量为M ，M=45kg 。

表演开始，运动员站在滑板b 上．先让滑板a 从A 点静止下滑，t 1=0.1s 后再与b 板一起从A 点静止下滑。

滑上BC 赛道后，运动员从b 板跳到同方向运动的a 板上，在空中运动的时间t 2=0.6s(水平方向是匀速运动)。

运动员与a 板一起沿CD 赛道上滑后冲出赛道，落在EF 赛道的P 点，沿赛道滑行，经过G 点时，运动员受到的支持力N=742.5N 。

(滑板和运动员的所有运动都在同一竖直平面内，计算时滑板和运动员都看作质点，取g=10m/s 2) (1)滑到G 点时，运动员的速度是多大?(2)运动员跳上滑板a 后，在BC 赛道上与滑板a 共同运动的速度是多大? (3)从表演开始到运动员滑至I 的过程中，系统的机械能改变了多少？ 考点分析本题考查了牛顿第二定律，机械能守恒定律，动量守恒定律和运动学知识，运动过程较复杂。

解题思路(1)在G 点，运动员和滑板一起做圆周运动，设向心加速度为a 向，速度为v G ，运动员受到重力Mg 、滑板对运动员的支持力N 的作用， 则 N-Mg=Ma 向 ①a 向=Rv2G ②N-Mg=M Rv 2G③M)Mg N (R v G -=④v G =6.5m/s ⑤{2)设滑板a 由A 点静止下滑到BC 赛道后速度为v 1，由机械能守恒定律有21mv 21mgh =⑥ gh 2v 1= ⑦运动员与滑板b 一起由A 点静止下滑到BC 赛道后．速度也为v 1。

运动员由滑板b 跳到滑板a ，设蹬离滑板b 时的水平速度为v 2，在空中飞行的水平位移为s ， 则s=v 2t 2 ⑧设起跳时滑板a 与滑板b 的水平距离为s 0， 则s 0=v 1t 1 ⑨设滑板a 在t 2时间内的位移为s 1， 则 s 1=v 1t 2 ⑩ s=s 0+s 1即v 2t 2=v 1(t 1+t 2)运动员落到滑板a 后，与滑板a 共同运动的速度为v ，由动量守恒定律有 mv 1+Mv 2=(m+M)v由以上方程可解出gh2t )m M ()t t (M mt v 2212+++=代人数据，解得v=6.9m/s(3)设运动员离开滑板b 后．滑扳b 的速度为v 3， 有Mv 2+mv 3=(M+m)v 1可算出v3=-3m/s ，有|v 3|=3m/s<v 1= 6m/s ，b 板将在两个平台之间来回运动，机械能不变。

“摩天轮”的制作在日常生活中，洗衣机和干衣机内的滚筒、体育项目中的链球、游乐场内的过山车、旋转秋千、团团转等等，都是应用离心力原理而设计的，甚至火车急转弯时乘客所感受到的向外倾斜力，都是离心力。

人们在离心力的作用下，感受到速度、刺激、紧张，虽然险象环生，但又爱不释手。

为了解释该离心现象，我制作了物理演示模型“摩天轮”。

该模型在演示新奇好玩的实验现象的基础上，更有利于学生知识的掌握。

一、“摩天轮”的物理原理由牛顿第三运动定律（反作用定律）得知，有一作用力必生一反作用，故当向心力产生时，必有一大小相等，方向相反之力发生，此反作用力系使物体飞出中心，故称离心力。

离心力是在非惯性参考系中假想出的一个惯性力，其实并不存在，只是为了使惯性参考系中的定理同样适用于非惯性参考系而人为加上的。

该模型主要运用了离心力原理，定性直观地验证了影响离心力大小的因素。

根据离心力公式2F mr ω=可知：“物体所受离心力的大小与其质量m 、旋转半径r 、角速度ω有关”。

二、“摩天轮”的制作材料胶合木板、一个无级调速器、一个开关、一个马达、指示灯、圆直塑料管、变压器、整流器、有机透明玻璃瓶、不锈钢空心小球、强力胶、油漆、电源插头线等。

三、“摩天轮”的制作及演示（一）尺寸结构图、实物图及内部线路图“摩天轮”的结构图 “摩天轮”的实物图“摩天轮”的线路图（二）制作过程 1.用胶合木板制作一个边长约为四十厘米，近似正方体的木箱。

木箱做好后，在木箱表层，刷上天蓝色油漆；待油漆干后，选取木箱的某一表面，在其中心处按电动机直径的大小挖个圆孔，用螺丝、螺帽将电动机固定在木箱内，且使电动机顶部露出木箱表层。

2.利用电动机、整流器、变压器、开关、导线等元器件，连接好电动机的完整工作电路后，再将它们固定在木箱内的适当位置；并在木箱的侧面钻一个小孔，将导线从木箱内引出且安装好插头。

3.用木板加工出一个圆形转盘，并在此圆形转盘的中心处打个小孔，在孔内涂上强力胶，便将此圆形转盘安装固定在电动机转轴上。

物理学原理在用游乐场中的应2011-11-14物理是一门历史悠久的自然学科。

随着科技的发展，社会的进步，物理已经渗入到人类生活的各个领域：小到我们身边的衣食住行，大到航天航空技术的发展，这些都无一例外的与物理学密切相关。

生活中处处蕴含着物理知识，那么我们就以游乐场为例，游乐场的设施大多与力学、运动学以及电磁学密切相关，下面就以几个我们常见的游玩项目来做简单的介绍：过山车过山车又称云霄飞车，常见于游乐园和主题乐园中。

拉马库斯·阿德纳·汤普森是第一个注册过山车相关专利技术的人（1865年1月20日），并因制造过数十个过山车设施，而被誉称为“重力之父”。

一个基本的过山车运动过程中，包含了爬升、滑落、倒转，其轨道的设计不一定是一个完整的回圈。

大部分过山车每个车厢的规格为可容纳2人、4 人或6人，这些车厢利用钩子相互连结起来，就像火车一样。

乘坐过山车虽然非常刺激，但是过山车基本上是一个非常安全的设施。

根据美国消费者产品安全委员会和六旗乐园的调查显示，2001 年中游客搭乘过山车的死亡率约为15亿分之一。

乘坐过山车那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。

如果你对物理学感兴趣的话，那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。

实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。

如果能亲身体验一下能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。

这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。

在刚刚开始时，过山车的小列车依靠一个机械装置的推力到达轨道的最高点，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“发动机”是引力势能，过山车的运动过程就是由势能转化为动能、又由动能转化为势能的一种能量不断转化的过程。

引力势能是物体因其所处位置而拥有的能量，是由其高度和由引力产生的加速度形成的。

高考物理《圆周运动》常用模型最新模拟题精练专题09.娱乐+圆周运动模型一．选择题1.（2022浙江台州高一质检）14.如图所示的杂技演员在表演水流星的节目时，手持两端系有盛水的杯子的绳子中点在竖直平面内做圆周运动，若两只杯子内盛水的质量相等，当一只杯子在最高点时水恰好洒不出来，这时另一只杯子中的水对杯底的压力大小是水的重力的（）A.2倍B.4倍C.5倍D.6倍【参考答案】A 【名师解析】杯子在最高点，设速度为v 时水恰好洒不出来，则有水的重力提供其做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律可得2v mg mr=解得v gr=则在最低点的杯子的速度大小也为v gr =，在最低点，由牛顿第二定律可得2N v F mg mr -=N 2F mg=由牛顿第三定律可知，最低点杯子中的水对杯底的压力大小是N=2F mg '则有N2F mg'=A 正确，BCD 错误。

2.（2021重庆模拟6）如题图1所示为“铁笼飞车”的特技表演,据其抽象出来的理想模型为如题图2所示的内壁光滑的圆球,其中a、b、c 分别表示做圆周运动时的不同轨道,a 轨与b 轨均水平,c 轨竖直,一质点在球内绕其光滑内壁做圆周运动时,下列有关说法正确的是（）A.沿a 轨可能做变速圆周运动B.沿c 轨运动的最小速度为0C.沿a 轨运动的速度比沿b 轨运动的速度大D.沿a 轨运动的周期比沿b 轨运动的周期大【参考答案】AD【名师解析】沿a 轨可能做变速圆周运动，选项A 正确；沿c 轨运动属于绳模型，gR ，选项B 错误；与mgtanθ=mv 2/r，r=Rsinθ，联立解得：v 2=gRsinθtanθ，所以沿a 轨运动的速度比沿b 轨运动的速度小，由T=2πr/v 可得T=2πcos R ga 轨运动的速度比沿b 轨运动的速度大，选项D 正确。

3．(2021广东潮州第一次质检)轮滑等极限运动深受青少年的喜欢，轮滑少年利用场地可以进行各种炫酷的动作表演。

1.图为某游乐场内水上滑梯轨道示意图．整个轨道在同一竖直平面内．表面粗糙的AB段轨道与四分之一光滑圆弧轨道BC在B点水平相切，A点距水面的高度为H，圆弧轨道BC的半径为R．圆心O恰在水面，一质量为m的游客（视为质点）可从轨道AB上任意位置滑下，不计空气阻力．（1）若游客从A点由静止开始滑下，到B点时沿切线方向滑离轨道落在水面D点，OD=2R，求游客滑到的速度vB 大小及运动过程轨道摩擦力对其所做的功Wf．（2）若游客从AB段某处滑下，恰好停在B点，又因受到微小扰动，继续沿圆弧轨道滑到P点后滑离轨道，求P点离水面的高度h．（提示：在圆周运动过程中任一点，质点所受的向心力与其速率的关系为F向=mv2R）2.一质量m=0.6kg的物体以v=20m/s的初速度从倾角为30°的斜坡底端沿斜坡向上运动．当物体向上滑到某一位置时，其动能减少了△Ek=18J，机械能减少了△E=3J．不计空气阻力，重力加速度g=10m/s2，求：（1）物体向上运动时加速度的大小；（2）物体返回斜坡底端时的动能．3.如图所示，质量为m的小物块在粗糙水平桌面上做直线运动，经距离l后以速度v飞离桌面，最终落在水平地面上．已知l=1.4m，v=3.0m/s，m=0.10kg，物块与桌面间的动摩擦因数μ=0.25，桌面高h=0.45m，不计空气阻力，重力加速度取10m/s2，求：（1）小物块落地点距飞出点的水平距离s；（2）小物块落地时的动能E；K．（3）小物块的初速度大小v4. 如图所示，圆管构成的半圆形竖直轨道固定在水平地面上，轨道半径为R，MN 为直径且与水平面垂直，直径略小于圆管内径的小球A以某一初速度冲进轨道，到达半圆轨道最高点M时与静止于该处的质量与A相同的小球B发生碰撞，碰后两球粘在一起飞出轨道，落地点距N为2R．重力加速度为g，忽略圆管内径，空气阻力及各处摩擦均不计，求：（1）粘合后的两球从飞出轨道到落地的时间t；（2）小球A冲进轨道时速度v的大小5. 如图所示，小球A系在细线的一端，线的另一端固定在O点，O点到水平面的距离为h．物块B质量是小球的5倍，至于粗糙的水平面上且位于O点正下方，物块与水平面间的动摩擦因数为μ．现拉动小球使线水平伸直，小球由静止开始释放，运动到最低点时与物块发生正碰（碰撞时间极短），反弹后上升至最高点时到水平面的距离为h16．小球与物块均视为质点，不计空气阻力，重力加速度为g，求物块在水平面上滑行的时间t．6. 宇航员在一行星上以l0m/s的速度竖直上抛一质量为0.2kg的物体，不计阻力，经2.5s后落回手中，已知该星球半径为7220km．（1）该星球表面的重力加速度g′多大？（2）要使物体沿水平方向抛出而不落回星球表面，沿星球表面抛出的速度至少是多大？（3）若物体距离星球无穷远处时其引力势能为零，则当物体距离星球球心r时=-其引力势能EpGMmr（式中m为物体的质量，M为星球的质量，G为万有引力常量）．问要使物体沿竖直方向抛出而不落回星球表面，沿星球表面抛出的速度至少是多大？7.一物体在距某一行星表面某一高度处由静止开始做自由落体运动，依次通过A、B、C三点，已知AB段与BC段的距离均为0.06m，通过AB段与BC段的时间分为0.2s与0.1s．求：（1）该星球表面重力加速度值；（2）若该星球的半径为180km，则环绕该行星的卫星做圆周运动的最小周期为多少．8.宇航员在地球表面以一定初速度竖直上抛一小球，经过时间t小球落回原处；若它在某星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，需经过时间2.5t小球落回原处．（取地球表面重力加速度g=10m/s2，空气阻力不计，忽略星体和地球的自转）（1）求该星球表面附近的重力加速g′；（2）已知该星球的半径与地球半径之比为R星：R地=1：2，求该星球的质量与地球质量之比M星：M地．9.宇航员在地球表面以某一初速度竖直上抛一小球，小球经过时间t落回原处；若他在某一星球表面以相同的初速度竖直上抛同一小球，小球需经过5t落回原处．已知该星球的半径r 与地球的半径R之比为1：4．取地球表面重力加速度g=10m/s2，空气阻力不计．求：（1）该星球表面附近的重力加速度g′；（2）星球的质量M星与地球质量M地之10. 质量60kg的人，用了3min的时间登上大楼的第六层, 如果该楼每层高3m，这个人上楼共做了多少功?功率是多大?(取g=10m/s2 )11. 质量为500t的汽车，在发动机功率不变的条件下行驶，3min行驶了1.45km，速度由36km/h增加到最大速度54km/h。

2024年鲁人新版共同必修2物理下册月考试卷585考试试卷考试范围：全部知识点；考试时间：120分钟学校：______ 姓名：______ 班级：______ 考号：______总分栏题号一二三四总分得分评卷人得分一、选择题(共5题，共10分)1、如图所示，一个质量为M的滑块放置在光滑水平面上，滑块的一侧是一个四分之一圆弧EF，圆弧半径为R=1m．E点切线水平．另有一个质量为m的小球以初速度v0从E点冲上滑块，若小球刚好没跃出圆弧的上端，已知M=4m，g取10m/s2，不计摩擦．则小球的初速度v0的大小为（）A. v0=4m/sB. v0=6m/sC. v0=5m/sD. v0=7m/s2、游乐场中的一种滑梯如图3所示．小朋友从轨道顶端由静止开始下滑；沿水平轨道滑动了一段距离后停下来，则。

A. 下滑过程中支持力对小朋友做功B. 下滑过程中小朋友的重力势能增加C. 整个运动过程中小朋友的机械能守恒D. 在水平面滑动过程中摩擦力对小朋友做负功3、一辆载重汽车在丘陵地上行驶，地形如图所示，汽车以相同的速率经过图中M、N、P、Q四处时，最容易爆胎的是（）A. M处B. N处C. P处D. Q处4、长为L的轻杆一端固定质量为m的小球，另一端可绕固定光滑水平转轴O转动，现使小球在竖直平面内做圆周运动，若小球通过圆周最低点A的速度大小为则轻杆对小球的拉力大小为。

A.B.C.D.5、如图所示；轻杆长为L，一端固定在水平轴上的O点，另一端固定一个小球（可视为质点）．小球以O为圆心在竖直平面内做圆周运动，且能通过最高点，g为重力的加速度，下列说法正确的是（）A. A；小球到达最高点时所受轻杆的作用力不可能为零。

B. B；小球通过最低点时所受轻杆的作用力不可能向下。

C. C；小球通过最高点时所受轻杆的作用力一定随小球速度的增大而增大。

D. 小球通过最低点时所受轻杆的作用力可能随小球速度的增大而减小评卷人得分二、多选题(共6题，共12分)6、长度为L的轻质细杆OA，A端有一质量为m的小球，以O点为圆心，在竖直平面内做圆周运动，如图所示，已知在最高点处，小球速度为v时，杆对球的弹力大小为F=mg，则最高点处速度变为2v时，杆对小球弹力大小可能为（）A. mgB. 2mgC. 4mgD. 5mg7、如图所示，两个质量均为m的小木块a和b，（可视为质点）放在水平圆盘上，之间用轻质细线连接，且a，b之间的距离恰等于线长，a与转轴OO’的距离为L，b与转轴的距离为2L；木块与圆盘的最大静摩擦力为木块所受重力的k倍，重力加速度大小为g，若圆盘从静止开始绕转轴缓慢地加速转动．用ω表示圆盘转动的角速度，下列说法正确的是。