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1.摘要 随着城市化的迅速发展，科技日益繁荣，市面上电子设备各式各样，各大公共场所的公共施设，随处都能见到与物理相关的知识。大到游乐场里的游乐设施，高级住宅或酒店里的智能家居，还有我们日常生活不可或缺的卫星导航，小到家里的常用家电，都是物理学的范畴，我们希望把课本上学来的东西迁移到生活中去，让抽象的物理学拥有它的现实意义，从而从生活走向物理，从物理走向社会。 2.关键词：能量转换，杠杆滑轮，圆周运动，超重失重，物理学 3.研究背景： 结合到目前为止学过的物理知识，游乐场中相关的物理知识很适合我们研究，这样的游乐设施又越来越多的新花样，也越发受到广大青少年的青睐，因此我们决定研究这些设施的工作原理和设计标准。 4.研究目的和意义： 本课题有较强的实践性，通过组员的调查研究与分析游乐园中的各种设施，理解其中的物理原理，感受物理在生活中的实际应用，体验自己设计实验的感受。与此同时也培养了小组成员的物理思维，提高了收集整理数据、分析探讨研究问题等多方面的能力。 5.研究方法： 实地考察（测量数据、体验）、参考文献、询问工作人员 6.正文： 综述：当今社会，物理学知识看似很遥远，但在生活中却处处有应用。例如：研究汽车启动中的加速度，电流在电线中的流经路线，物体从高空落下的运动过程等。其中，我们选择在游乐园中研究物理。以游乐园中过山车为例，研究在其运动过程中，做圆周运动时的受力情况，摩擦力现在其中起到的作用。以跳楼机为例，研究失重的原理。 以X战车为例，研究杠杆中力臂和力的关系等。这些游乐场中的现象涉及到的物理知识引起了我们的兴趣。因此，我们选择此课题进行研究。以物理学习为目的的研究性学习，围绕杠杆、滑轮、圆周运动、能量守恒四个方面展开研究。提前对下一阶段的知识进行了解、研究，激发了对物理的兴趣有助于接下来的物理学习。 1.游乐场中的物理之圆周运动：
①旋转秋千：如图1所示是一个旋转秋千（以小球代替乘客，图中标出的的角是运行时产生的倾角为θ）设绳长为L，乘客的质量为m,则转轮的速度应如何控制？ Tsinθ=mv²/Lsinθ 得v=sinθ√TLtanθ/cosθ Tcosθ=mg 得T=mg/cosθ
若要使转轮的线速度增大，需使θ角增大，秋千的摆动幅度会增大，还会使吊索拉力增大，因为要考虑动力原因、秋千吊索和转轮材料强度等因素，为了安全一般旋转秋千的θ角要控制在80°以内。 由牛顿第二定律有： tanθmg=mω²sinθL 解得 ω=√g/cosθL 所以，如果θ在安全范围内，θ越大，ω越大，由n(转速)=ω/2π可知，ω越大，转速越大。因此，为了保证安全，可以通过控制转轮的速度来调整运行过程中的倾角。 根据实际测量，旋转秋千的绳长大约是7m，因此转轮的角速度最大不应超过ω≈2√2rad/s ②转盘：如图2所示，游乐场中的转盘游戏，乘客可以随意坐或躺在转盘边缘（远离圆心的位置），为了安全转盘四周安装了挡板。设人的质量为m,转盘与人之间的动摩擦因数为μ，转盘半径为r那么转盘的最大线速度是多少？当速度多大时，人会与转盘产生相对滑动？
当人躺在转盘上，转盘开始转动时，向心力由摩擦力 f=μN=μmg提供，即Fn=f。可列动力学方程：mv²/r=μmg 解得 v=√μgr 当人在转盘上时，速度大于√μgr时，人将做离心运动，根据实际测量，转盘半径大约是2.5m，动摩擦因数大约在0.65左右，假设一个60kg的中学生乘坐该转盘，那么当v≥4时，人才会做离心运动。 同一人在转盘上时Fn=f=μmg,所以向心力是一定的。 则有mv²/r=F 解得 v=√Fr/m 同一人离圆心越远，线速度越大，当人在边缘时向心力由设备挡板提供，所以如果想要追求刺激，应尽可能的向离圆心最远处靠近。 ③大摆锤：
如图3所示是游乐园中的大摆锤，硬杆从启动开始不断左右摆动，每一次摆动的幅度都比上一次增加一点，摆动幅度最大时，可以达到360°旋转。设硬杆的长度为L,乘客的总质量为m，由于杆是硬质的，它即可以提供拉力也可以提供支持力，那么何时硬杆提供什么力呢？ 经受力分析，可得： 在最高点时，mg-N=mv²/L 可知N的最小值可以达到0. （力的作用效果为拉力时，同理，以下过程不再给出） 此时 mg=mv²/L 得v=√gL 此时，硬杆对锤摆没有力的作用。mg 根据实际测量，大摆锤杆长L=21m，一辆摆锤可以乘20名乘客，假设每名乘客60kg，可得规律： （1）当v=0时，硬杆产生支持力，N=11760N （2）当v=√gL时，硬杆对摆锤没有力的作用，N=0 （3）当v≥√gL时，硬杆产生拉力，N≥0N （4）当v≤√gL时，硬杆产生支持力，0N≤N≤11760N 所以，如果出于保护设备的原因，最佳的速度应该是v≈14.3m/s,对于乘客来说，这个速度是最刺激的体验，因为在这个速度下，乘客除重力外，不会受到向上的支持力也不会受到拉力，即处于完全失重状态。 ④过山车： 如图5所示，是游乐场中过山车做圆周运动的一部分。 过山车从H高处落下，到达A处，驶过圆形轨道再下落（假定过山车做的是匀速圆周运动）。设圆形轨道的半径为R，B点为最高点，过山车走过的斜轨道为L（假设该轨道没有弧度）,斜轨与水平面的夹角为θ,那么在设计轨道时，H最好应为多少？
当过山车经过最高点B时，可列动力学方程： N+mg=mv²/R 由于Nmin=0 得v=√gR 即v≥√gR 可算出向心加速度为a=√gR/t 那么当过山车经过最低点A时，a=√gR/t 则L=1/2at²=1/2*√gR/t*t² 可得H=sinθ(1/2*√gR/t*t²) 根据实际测量，θ大约为60°，轨道半径R为5m，过山车行驶过圆形轨道的时间为4秒，由此可算出，轨道的高度H=24.2m，所以，关山车轨道至少设计为24.2m，才能保证过山车安全驶过圆形轨道而不脱轨。 2.游乐场中的物理之失重与超重 （1）匀速上升或下降时，G=F支，乘客属于平衡状态。a=0 m/s2。 （2）加速上升或减速下降时，G<F支，乘客属于超重状态。a方向向上。 （3）减速上升或加速下降时，G>F支，乘客属于失重状态。a方向向下
①跳楼机：如图是游乐园中的跳楼机。 当我们乘坐跳楼机下降时，可以感受到前一段时间身体不接触座椅，只受到向下重力G和安全带向下的拉力F， G+F=ma，a=(G+F)/m,g=G/m,由此可知a>g， 设全程用时为t，全长为L，则 L=1/2at²，a=2L/t²。 经调查，L=60m，t=2s，可得a=30m/s²,a>g 所以这时的乘客属于完全失重状态。 下落的后一段机器在减速，设向下为正方向，这时乘客受到重力G和支持力F’，因为减速运动，所以此时a<0，所以ma=G+F’,所以可得-F’>G， 这时乘客属于超重状态。 跳楼机在上升过程中有时加速有时匀速；下落过程中，前一段是使机器自由下落，这时乘客属于完全失重状态，不受机器的支持力，后一段时间机器减速下落，最终变为静止，乘客由超重到平衡状态。
②过山车：如图是游乐园中的过山车。 过山车在相对地面上升时，属于超重状态；相对地面下降时，属于失重状态；垂直于地面绕圈时，过山车做的是圆周运动。 在过山车相对地面下降时，乘客受到重力G和安全带拉力F(可能有座椅极小的的支持力)， G+F=ma，由此可知a>g， 所以这时的乘客属于失重状态。 在过山车加速上升时，受到重力和支持力F’，此时加速度向上，F’>G，此时乘客属于超重状态。 3.游乐场中的物理之能量转换 过山车 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。 4.游乐场中的物理之杠杆与滑轮 摩天轮 摩天轮在静止时，可以把其中两个在同一直线上的轿厢和其支撑杆看做一个杠杆，其动力臂和阻力臂距离相等，所以是等臂杠杆。 摩天轮运行时，可以把中间的发动机和轿厢及其支撑杆看做一个杠杆，阻力臂远大于动力臂，所以是费力杠杆。运行时，经过很多组这样的杠杆中的力的合成，不计摩擦力的情况下，需要的动力远小于带动一组这样杠杆的力。 7.体验与反思： 本研究课题具有较强的实践性和科学性，很好的锻炼本组成员实践能力，培养了团体合作和研究精神。本课题涉及到物理学，理论性较强，在研究过程中，在体验快乐之余还学习了有关物理的新知识，还巩固了旧知识。能成功的通过成员自己的努力将物理与生活实际联系在一起，完善了学物理的价值，经过研究本课题，不管是个人还是小组整体，都有很大收获。 除此之外，本实验只是粗略估算一些可获得的数据，并不能真正拿到游乐园中，按照这个数据设计。本实验没有考虑到电力提供动力（即实际机械效率η）、空气阻力对实验的影响以及实际操作的可行性。由于考虑数据要简洁的原因，报告的大部分数据精确到0.1，所以本实验具有一定的误差。 8.参考文献： （1）例谈游乐场中的力学知识—邵淑芬 （2）游乐场中的物理（ppt） https://wk.baidu.com/view/6015f44131126edb6f1a1095?pcf=2&qrcode=1&from=singlemessage （编辑：尹凯璇） |
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