物理知识在体育中的应用
------武威六中高一（15）班物理学课题研究结题总结
课题研究指导教师：严世康
课题研究组成员：杨继祥冯金海赵浩东杨子轩张国旭王聚庭
郭峰魏晗玉赵全胜贺悟生
课题研究组长：杨昌荣
【典型例题】
2008年北京奥运在即，与体育竞技有关的物理试题，必将成为近几年高考的热点问题，而这些与体育竞技相关的问题多数又属于力学问题，所以，我们在学习力学知识时，要深入思考，学以致用，理论联系实际，能够做到举一反三，触类旁通，从而彻底学会，学懂，学透力学知识。下面我们举一些典型例题来分析一下：
例1、下列哪个说法是正确的（）
A、游泳运动员仰卧在水面静止不动时处于失重状态
B、蹦床运动员在空中上升和下落过程中都处于失重状态
C、举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态
D、体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态
分析：本题考查的知识点为超重、失重。
答案：B
例2、举重运动是力量和技巧充分结合的体育项目。就“抓举”而言，其技术动作可分为预备、提杠铃、发力、下蹲支撑、起立、放下杠铃等六个步骤，图1所示照片表示了其中的几个状态。现测得轮子在照片中的直径为1.0cm。已知运动员所举杠铃的直径是45cm，质量为150kg，运动员从发力到支撑历时0.8s，试估测该过程中杠铃被举起的高度，估算这个过程中杠铃向上运动的最大速度；若将运动员发力时的作用力简化成恒力，则该恒力有多大？
分析：题目描述的举重的实际情景，要把它理想化为典型的物理情景。抓举中，举起杠铃是分两个阶段完成的，从发力到支撑是第一阶段，举起一部分高度。该过程中，先对杠铃施加一个力（发力），使杠铃作加速运动，当杠铃有一定速度后，人下蹲、翻腕，实现支撑，在人下蹲、翻腕时，可以认为运动员对杠铃没有提升的作用力，这段时间杠铃是凭借这已经获得的速度在减速上升，最好的动作配合是，杠铃减速上升，人下蹲，当杠铃的速度减为零时，人的相关部位恰好到达杠铃的下方完成支撑的动作。因此从发力到支撑的0.8s 内，杠铃先作加速运动（当作匀加速），然后作减速运动到速度为零（视为匀减速），这就是杠铃运动的物理模型。
解析：根据轮子的实际直径0.45m 和它在照片中的直径1.0cm ，可以推算出照片缩小的比例，在照片上用尺量出从发力到支撑，杠铃上升的距离h ′=1.3cm ，按此比例可算得实际上升的高度为h =0.59m 。
设杠铃在该过程中的最大速度为m v ，有t v h m 2=，得s m t h v m /48.12== 减速运动的时间应为
s g v t m 15.02== 加速运动的位移：
m t t v s m 48.0)(221=-= 又 122as v m = 解得 2/28.2s m a =
根据牛顿第二定律，有 ma mg F =- 解得 N F 1842=
评注：该题中，将举重的实际情景抽象成物理模型，是解题的关键，这种抽象也是解所有实际问题的关键。这里，首先应细致分析实际过程，有了大致认识后，再做出某些简化，这样就能转化成典型的物理问题。比如该题中，认为发力时运动员提升的力是恒力，认为运动员下蹲、翻腕时，对杠铃无任何作用，认为杠铃速度减为零时，恰好完全支撑，而且认为杠铃的整个运动是直线运动。
例3、（2007年宁夏高考试题23题）倾斜雪道的长为25 m ，顶端高为15 m ，下端经过一小段圆弧过渡后与很长的水平雪道相接，如图所示。一滑雪运动员在倾斜雪道的顶端以水平速度v 0＝8 m/s 飞出，在落到倾斜雪道上时，运动员靠改变姿势进行缓冲使自己只保留沿斜面的分速度而不弹起。除缓冲外运动员可视为质点，过渡轨道光滑，其长度可忽略。设滑雪板与雪道的动摩擦因数μ＝0.2，求运动员在水平雪道上滑行的距离（取g ＝10 m/s 2）
解析：如图选坐标，斜面的方程为：
3t a n 4y x x θ== ①
运动员飞出后做平抛运动
0x v
t = ②
212y g t = ③ 联立①②③式，得飞行时间
t ＝1.2 s
落点的x 坐标：x 1＝v 0t ＝9.6 m 落点离斜面顶端的距离：112 m cos x s θ==
落点距地面的高度：11()sin 7.8 m h L s θ=-=
接触斜面前的x 分速度：8 m/s x v =
y 分速度：12 m/s y v gt ==
沿斜面的速度大小为：cos sin 13.6 m/s B x y v v v θθ=+=
设运动员在水平雪道上运动的距离为s 2，由功能关系得：
2121cos ()2B mgh mv mg L s mgs μθμ+=-+ 解得：s 2＝74.8 m
例4、（1999年高考全国卷）一跳水运动员从离水面10m 高的平台上向上跃起，举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45m 达到最高点，落水时身体竖直，手先入水（在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计）从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作的时间是______s 。（计算时，可以把运动员看作全部质量集中在重心的一个质点，g 取10m/s 2，结果保留二位数）
分析：运动员的跳水过程是一个很复杂的过程，主要是竖直方向的上下运
动，但也有水平方向的运动，更有运动员做的各种动作。构建物理模型，应抓主要因素。现在要讨论的是运动员在空中的运动时间，这个时间从根本上讲与运动员所作的各种动作以及水平运动无关，应由竖直运动决定，因此忽略运动员的动作，把运动员当成一个质点，同时忽略他的水平运动。当然，这两点题目都作了说明，所以一定程度上“建模”的要求已经有所降低，但我们应该理
解这样处理的原因。这样，我们把问题提炼成了质点作竖直上抛运动的物理模型。
解析：在定性地把握住物理模型之后，应把这个模型细化，使之更清晰。可画出如图所示的示意图。由图可知，运动员作竖直上抛运动，上升高度h ，即题中的0.45m ；从最高点下降到手触到水面，下降的高度为H ，由图中H 、h 、10m 三者的关系可知H =10.45m 。
由于初速未知，所以应分段处理该运动。运动员跃起上升的时间为： 3.01045.0221=⨯==g h t s
从最高点下落至手触水面，所需的时间为： 4.11045.10222=⨯==
g H t s 所以运动员在空中用于完成动作的时间约为：
21t t t +==1.7s
点评：构建物理模型时，要重视理想化方法的应用，要养成画示意图的习惯。
例5、（2006年四川高考试题23，16分）
荡秋千是大家喜爱的一项体育活动。随着科技的迅速发展，将来的某一天，同学们也许会在其它星球上享受荡秋千的乐趣。假设你当时所在星球的质量是M 、半径为R ，可将人视为质点，秋千质量不计、摆长不变、摆角小于90°，万有引力常量为G 。那么，
（1）该星球表面附近的重力加速度g 星等于多少？
（2）若经过最低位置的速度为v 0，你能上升的最大高度是多少？
解析：（1）设人的质量为m ，在星球表面附近的重力等于万有引力，有
mg 星=2R GMm
①
解得g 星=2R GM
②
（2）设人能上升的最大高度为h ，由功能关系得
h mg 星=21
20mv ③
解得h =GM v R 220
2 ④
知识扩展
扩展一：拔河比赛只是比力气吗？
解析：拔河比赛比的是什么？很多人会说：当然是比哪一队的力气大喽！实际上，这个问题并不那么简单。根据牛顿第三定律（即当物体甲给物体乙一个作
