生活中的力学常识论大型趣味实验中力学知识
2024年05月06日 静态资讯
摘要：物理中的力学知识在实际生活中有很多应用。本文结合《加油!向未来》中几个大型科学趣味实验进行了介绍,与课本中的力学知识相结合进行探讨。其中涉及到了速度、加速度、流体力学、向心力、阻力、角动量等知识点,通过它们的实际应用,丰富我们的知识,同时让物理变得更有趣、更贴近我们的生活。
关键词： 力 力学知识 加速度 应用力学 速度
1、趣味物理
我们从初中开始接触物理,很多人觉得物理很枯燥,就是做题。实际不是这样的,生活中大多数现象都离不开物理,而很多有意思的实验和生活现象都可以用物理知识进行分析。我们通过《加油!向未来》中的五个趣味实验来结合物理中的力学知识进行介绍和讲解,让大家感受到物理的应用性和趣味性。
2、趣味实验与力学知识探讨
(1)趣味实验一:短跑运动员张培萌与飞机的竞速
第一次比赛,是运动员与山鹰教练飞机进行50米竞速,最终结果运动员胜利。
第二次比赛,是运动员与国产歼-10A战斗机进行100米竞速,最终战斗机胜利。
怎么解释这个结果呢?其实很简单,这要用到物理运动学中的加速度的知识。
一般来讲,百米运动员的最好成绩大概是10秒,假设匀速,速度也就是10m/s。而战斗机起飞的速度,差不多70m/s。这两个速度相比但凡跑得时间长了,运动员肯定跑不过飞机。所以第二个阶段100米比赛,运动员输给飞机是很正常的事情。那么为什么第一个阶段运动员能够跑过山鹰教练机呢?如果按照10m/s的速度来计算,跑前50米在实际情况中应该是花5～6秒钟,假设他是匀加速,6秒钟要想跑50米的话,这就要求他的加速度差不多要在3m/s2。而对于一般战斗机,在前50米没有开全力时,它的加速度基本上达不到3m/s2。所以在这个时候它就会落后于人。而在后50米,飞机的加速度超过了人的加速度,速度也逐渐超过运动员,自然最终是比运动员要快。
(2)趣味实验二:当飞机360度向后垂直翻转时,在飞机里倒橙汁会发生什么情况?
答案是:橙汁能正常倒进杯子里。
解释:我们生活在地球表面,地球对其表面的所有物体都会有一个吸引力,当飞机360度向后垂直翻转时,饮料瓶子是和我们的径向垂直的,那么不管这个加速度是大于重力加速度还是小于重力加速度,果汁都是能够流出来的。但是这个加速度高达三四倍的重力加速度,因此果汁会沿着径向往外飞,基于转动体系里面的运动,在科学技术各个方面都有非常重要的应用。如果将一个混合物质体系高速旋转,此时如果不能够提供足够大的向心力,这些物质都可以飞出去,利用这个道理,可以将不同比重的物体进行分离。这个就是所谓的离心机的工作原理。这就是我们上物理课所学的向心力以及离心运动的知识啊,当提供的向心力小于所需要的向心力时,物体就飞出去,也就是离心运动。
(3)趣味实验三:真空中的羽毛与空气中的金属球在相同高度时同时释放,哪一个先落地?
这是一个物理学家思考了两千多年的问题,其实是比较复杂的。这个实验的高度是6米,而一秒钟一个自由下落的物体其速度大约可以达到10m/s,这就是一个运动员跑步最好的速度了。我们想象一下自己在跑步时遇到的空气阻力是多大,所以说空气里的球切切实实是受到了空气阻力的。所以空气中的球比真空中的羽毛下落的慢一点是合理的。但是如果这个实验控制不好的话,羽毛比球下落的慢也是合理的。因为羽毛这样的东西,让它平直下落是比较难的,如果下落过程中有一个小的角动量,它就会转动起来,那么一部分动能就会转化成势能,那么羽毛下落就慢了。我们扩展一下知识,传说中的比萨斜塔上的实验,其实这个实验给不出任何结论。因为它典型的下落时间就是两秒,这个时间太短,人判断所谓的同时释放和同时下落是不可能精准的。即使我们现在有更精确的钟表和高速摄影,也无法回答这个问题,为什么呢?假设我们还用电磁开关往下放,用特别高速的摄影机判断一个差不多下落2秒的物体,有一组人测得的时间是2秒加上1纳秒,而另一组人测得的时间是2秒减去1纳秒。那就出现了一个争议:有人认为2秒的时间测出1纳秒的差值,这个误差很小,可以认为同时下落;而有人认为这个差值很大,不能认为同时下落。最后科学家是通过思想性实验就是在脑子里做实验来解决这个问题。我们假设重的东西比轻的东西下落得快,如果释放的时候粘在一起那就应该比重的球下落得还快,可是我们又想,应该是下落慢的东西连累了下落快的东西,所以下落速度应该在这两个速度中间。所以就推翻了“重的物体下落快”这个结论。如果两个物体都在真空条件下同时下落,粘到一起的两个物体和单独的物体是同步下落的,因此实验的结论是:在同样的重力场中,不同重量的物体是用相同方式下落的。这也告诉我们一个道理:真正的科学实验永远是理论的。
(4)趣味实验四:面对模拟的七级大风,身后背负一个大降落伞,向前行走是非常困难的,那么如果想要向前行走地相对顺利一些,以下三种情况哪个可以呢?第一个,是行走时背负重30kg的沙袋;第二个,打着一把普通的面积稍大的雨伞在身前;第三个,推着一个鼓风机大概风力六级。
其实这个实验考察了流体的特征。比如在设计飞机、军舰、高铁的头部,都要考虑到风或者是水走的轨迹。我们希望它对我们造成较小的阻力。在这个实验中,降落伞是兜风的,所有的风带来的动量都全部砸在降落伞上。第一个选项,负重前行,这个仅仅是摩擦力大了一些,使人不至于滑到后面去,但是往前走也不容易,等于是负重了,所以这个方法不能帮助前进。第二个,用一把伞在前面挡着,伞能够经受一部分压力,但剩下的压力还是全部跑到降落伞那里去了,所以也没有太大帮助。而第三个选项,鼓风机能够把风弄到一边去,鼓风机吹出来的气流就类似流线型,那么前面的人所承受的力就小了。在实际应用中,比如兰新高铁是通车最长的高铁,从兰州到乌鲁木齐风很大,有很多超级风口,在这样恶劣的天气下,工程师为兰新高铁的车厢设计了挡风屏、挡风明洞等,让这些列车能够抵御12级大风,顺利行驶。但有时我们又要利用这样的能量,比如在新疆的风力发电机,利用风带给我们的能量造福人类。
(5)趣味实验五:同样的雨量让人淋雨少的到底是走还是跑呢?
这个实验很有意思,我们在生活中也会遇到这个问题,下面我们就用物理知识来分析一下。我们把人体简化成长方体,下雨的速度是v1,假设人是以速度v2向右行走或者是奔跑,那么雨相对于人就有一个向左的速度,大小同样是v2。假设人行走地距离是D=120米,就可以算出人淋雨的时间或者是行走地速度。顶部淋雨的面积是S1,侧面淋雨的面积是S2,用以上的参数计算一下总的淋雨量。大家可以发现侧面的淋雨量实际上与人行走的速度没有关系,顶部的淋雨量与v1成正比,与v2成反比,所以可以得出结论,人的速度越快淋雨量越少。通过建模我们会发现和实验结论是一样的。但是为什么有人觉得骑着摩托车淋雨量反而大呢?其实是因为在单位时间内他感觉淋雨量多了,这只是一个感觉而已,并不是最后总的淋雨量的客观情况。
3、总结
大家通过这几个趣味实验有没有发现物理就在我们身边呢?这还仅仅是力学知识中的冰山一角,何况物理还包括电磁学、热力学、量子物理学等。可见物理是一门实用性很强的科学,与日常生活有着极为密切的联系。我们只有将所学的物理知识应用到生活中去,才能真正认识到物理学的价值[1]。在学习物理知识时,不能仅仅局限于做题,更应当多观察生活中的物理现象,去用所学过的知识去解释分析。如果更进一步,我们可以利用物理知识去开拓创新,让社会更进一步,这才是我们学习知识的目的