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──漫谈体育中的物理知识
湖北省阳新县兴国镇白杨中学费新仁
第29届奥林匹克运动会已于2008年8月24日胜利闭幕。在这16天的光辉历程里，我们伴随着运动健儿的奥运激情，心情或起伏，或跌宕。我们为运动员加油，我们为中国奥运喝彩！
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作为老师和同学们，在观看奥运观赛时，是否思考过某一运动员的比赛胜在何处，又败在何处？某一个运动项目，怎么做才能让成绩发挥的更好？不管是球类，还是田径，再或是举重、柔道、击剑……，俗话说，“外行看热闹，内行看门道”，那么，每一个运动项目中蕴含着怎样的物理原理呢？
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一、速度
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物理学里，速度是用来反映物体运动快慢的物理量。运动场上的各种运动几乎都有一个速度快慢的问题。例如田径运动中所有的径赛及皮划艇和游泳比赛等，都是以计时的多少来确定运动员的快慢和比赛成绩的。计时员根据跑或游完相同的路程所用的时间长短来决定快慢；而正在看台上观看比赛的观众则根据在相同的时间内跑或游完路程长短来判断快慢（即看到在前面的运动员快）。另外，在学校运动会上进行的百米赛跑比赛中，计时员一定要看发令枪“冒烟”时开始计时，而不是听发令的“枪声”时开始计时。因为看“冒烟”是以光速传播，声音在空气中的传播速度只有340m/s，声音传到终点大约需0．29s的时间，而光传播100m所需的时间非常短（几乎不需要时间），所以计时员看发令枪“冒烟”计时比听“枪声”计时要准确得多。
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还有各种球类运动中的“快攻战术”就是利用速度的定义，快速奔跑、快速移动、摆脱对手、寻求空挡，达到完成“快攻”的目的。所谓“快攻”，就是运动员在运动过程中增大运动速度，即进行加速运动。根据牛顿第二定律，运动员进行加速运动，必须用力；如果运动员在运动过程中匀速运动，则不需要用力。
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在激烈的比赛中，为了达到目的，某一方队员常常利用这方面的知识来实施战术，两个队员相互配合，采取其中一队员在运动过程中不断加速，给对方比赛队员施加心理压力，迫使对方队员也加速，消耗对方队员的体力或造成对方队员犯规；而另一队员则进行匀速运动，保存体力，达到最后胜利的目的。例如，2000悉尼奥运会上，我国优秀运动员王丽萍就是靠队友的配合而获得20公理竞走冠军的。
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例1我国某优秀跳水运动员在跳台上腾空而起时，跳台距水面的高度为10m，她到达最高位置时，其重心离跳台面的高度为1m，当她下降到手触及水面时，要伸直双臂做一个翻掌压水花的动作，这时她的重心离水面的距离也是1m。
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（1）从最高点到手触及水面的过程中，其重心的运动可以看作自由落体运动，求她在空中完成一系列动作可利用的时间。
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（2）入水后，她的重心能下降到离水面约2．5m处，试估算水对她的平均阻力约是她所受重力的多少倍。
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解析：
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（1）将运动员视为一个全部质量集中在其重心位置的一个质点。运动员从最高点到手触及水面的过程中所经历的时间即为她在空中完成一系列动作可利用的时间，设此段时间为，则。
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（2）对运动员从最高点到其重心下降到离水面约2．5m处的过程应用动能定理，可得，∴，即水对运动员的阻力是运动员所受重力的5．4倍。
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二、摩擦
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物理学里，摩擦力的大小跟压力的大小和接触面的粗糙程度有关。任何物体在运动过程中都要受到摩擦力的作用，参入各种运动的运动者和运动器械也会受到摩擦力的作用。
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有些运动项目，为了提高运动者的成绩，需要增大摩擦力。例如，在百米赛跑中，运动者必须穿着底上带有鞋钉的跑鞋；还有体操运动员和举重运动员在比赛之前，总是要在手上抹些镁粉，这样做的目的都是为了增大摩擦力便于提高运动成绩。采取的方法都是增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力的。特别是体操运动员在杠上做回环动作时，手握杠又不能太紧（即不能增大手对杠的压力来增大摩擦），所以，在手上抹些镁粉来增大摩擦就显得尤为重要。还有球类运动的一些器械，在制造时，都考虑到了增大摩擦的因素。例如，足球守门员戴的手套、篮球表面上的花纹、乒乓球正胶球拍胶皮上的胶粒长短和反胶球拍胶皮上的粘性度、铅球表面铸造得很粗糙等，都是采取增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力的。
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例2运动员用双手握住竖直的竹竿匀速上攀和匀速下滑，他所受的摩擦力分别为f1和f2，那么（???）
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A．f1向下，f2向上，且f1=f2
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B．f1向下，f2向上，且f1＞f2
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C．f1向上，f2向上，且f1=f2
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D．f1向上，f2向下，且f1=f2
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三、抛体运动
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体育运动中的铅球、标枪、铁饼及足球射门和投篮等运动都属于物理学中的斜上抛运动，为了提高运动成绩和进球门技术，必须掌握好初始速度方向（即投射方向）；另外铅球、标枪和铁饼要尽量增大初始速度的大小，而足球射门和篮球投篮时，又必须控制好初始速度的大小和方向。
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抛体运动是一种复杂的机械运动，在理想情况下（即不考虑空气阻力），斜上抛运动物体的初始速度大小一定时，当初始速度方向与水平方向成45度角时，运动物体有最大射程（即抛体的水平方向距离），此距离正是铅球、标枪和铁饼要计算的成绩。由于抛体的初始速度受运动员的体能限制，所以，在一定程度上，运动员的成绩好坏决定于抛体的初始速度方向。实际上，任何运动的物体在空气中均要受到阻力，所以，要提高运动员的成绩，运动员需根据自己的经验，使初始速度的方向与水平方向略大于45度角投射。
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例3跳台滑雪是利用山势建造的跳台进行的。运动员专用滑雪板，在助滑路上调整后起跳，在空中飞行一段距离后着陆。设一位运动员由a点沿水平方向跃起，到b点着陆，如图所示测得a、b间的距离，山坡倾角。试计算运动员起跳的速度和他在空中飞行的时间（不计空气阻力，取）。
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解析：
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可认为运动员起跳后做平抛运动，故有
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∴
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四、惯性
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任何物体都具有惯性，运动着的物体具有继续保持运动状态的性质。惯性即有利，又有害。运动员在运动场上进行的各种项目的运动，有时要利用惯性，有时又要防止惯性，才能提高运动成绩和竞技水平。例如，跳高、跳远及标枪运动中的助跑过程，且标枪运动员在投标枪之前，手臂要尽量向后伸摆，这些必要的动作都是为了利用惯性。而运动员在跑到百米冲刺的终点时，不能及时停下来，还得逐渐减速地跑一段距离；篮球运动员在进行三步上篮时，投篮的一瞬间不能正对篮环中心，否则由于惯性，反而投不中，而是要落后篮环中心一点投球，这些都是为了防止惯性。还有投掷铁饼的选手，为了提高比赛成绩，在规定的圆圈内做加速旋转动作，目的是为了增大铁饼出手时的初始速度；而铁饼出手后，为了确保自己不离开圆圈内，还得继续转几圈，所以，铁饼选手为了获得好的成绩，即要利用惯性，又要防止惯性。
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五、机械能守恒
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当没有外力对物体做功时，物体机械能不变，即机械能守恒。机械能又包括动能、重力势能和弹性势能，且物体在运动过程中，动能、重力势能和弹性势能可以相互转化。例如，跳水运动员为了获得足够的高度，在起跳前，必须用力向下蹬跳板，将跳板的弹性势能最终转化为自己的重力势能，便于在空中做旋转动作。在举重运动中，运动员对杠铃做的功等于增加杠铃的重力势能与增加自己的重力势能之和。由于杠铃比较重，运动员要想获得成功，一般要经过三个阶段。在第二个阶段中，由于杠铃增加的高度最大，运动员需做的功也最多，难度当然最大。所以，我们经常看到，运动员在完成第二个阶段的瞬间，都要将双脚前后分开，这样做的目的是为了降低一点高度，减少一点重力势能的增量，便于杠铃能举过自己的头顶。为了顺利地完成第三个阶段，双脚也不能分得太开，否则会增加最后阶段的难度。还有跳高、跳远以及各种投掷体的运动等都含有此方面的知识内容。
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例4测定运动员体能的一种装置如图所示。运动员的质量为m1，绳拴在腰间且沿水平方向跨过滑轮（不计滑轮的质量及摩擦），悬挂的重物的质量为m2，人用力蹬传送带而人的重心不动，使上方传送带以速率向右运动。下面是人对传送带做功的四种说法，其中正确的是（???）
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①人对传送带做功；
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②人对传送带不做功；
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③人对传送带做功的功率为m2gv；
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④人对传送带做功的功率(m1+m2)gv。
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A．①③B．①④C．①②D．②④
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解析：
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人作用于皮带上的力F=m2g，方向与相同。因此，人对皮带做正功P=Fv=m2gv。
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①、③正确。选A
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六、冲量及转动惯量
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物理学里的冲量等于作用在物体上的力与力的作用时间的乘积，作用在物体上的冲量等于动量的改变量。当动量的改变量一定时，如果力的作用时间越长，则作用在物体上的力越小。冲量定律的这种特例在各种体育器械及运动中的应用非常普遍。例如，供跳高运动员着地用的海绵垫、供跳远运动员着地用的沙坑，都是为了延长力的作用时间，从而减小运动员着地时受到的作用力，确保运动员着地时不受损伤。还有在篮球运动中，运动员在接已方队员传过来的篮球时，双手往往要伸前顺着来球的运动方向后移接球。这样做的目的也是为了延长篮球对手的作用力时间，从而减小篮球对手的作用力大小，便于稳稳地接住飞来的篮球。我们还经常看到，在比赛场上，有经验的运动员在场地上摔倒时，会顺势翻滚来延长着地的时间，从而减小地面对人体的作用力。在羽毛球、乒乓球、网球、排球等运动中，选手们在击球的瞬间，球的运动情况都含有冲量定律的内容。
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如果物体受到某一力矩的作用，此物体就会围绕某一固定轴旋转。当转动惯量一定时，力矩越大，则旋转越强烈。例如，乒乓球选手拉的弧圈球，都是设法引用球拍给乒乓球以摩擦，对乒乓球施一力矩的作用而产生的。现在，国际乒联决定，改“小球”为“大球”后，由于“大球”的转动惯量比“小球”的转动惯量大，所以，球的旋转没有以前强烈。还有足球运动员射门和排球运动员发球时，为了造成对方球员接球的难度，都会适当地给球一力矩的作用，使球产生旋转。还有铁饼选手在投掷的一瞬间，也要给铁饼一力矩的作用，使铁饼在空中加速旋转，从而提高比赛成绩。
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如果正在旋转着的物体，不受力矩的作用，则转动惯量与角加速度的乘积是一恒量。当旋转着的物体转动惯量增大时，物体的旋转就会减慢。跳水运动员落水和体操运动员着地时，都要利用到这方面的知识。因为，他们在空中都要进行旋转动作，跳水运动员要获得最佳的落水效果，落水时，必须尽量避免旋转；而体操运动员要保证着地时立稳，也要避免旋转，所以，他们在入水和着地的瞬间，都采用伸长四肢的办法来增大身体的转动惯量，从而减小旋转速度。确保顺利完成比赛。
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七、平衡
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运动员在这平衡木上，如履平地，自如地做着走、跳、跪、卧等动作，还翻跟斗呢。灵活轻捷的表演惊险而又优美，不断赢得观众阵阵掌声。
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不管任何物体，要保持平衡，物体的重力作用线（通过重心的竖直线）必须通过支撑面（物体与支持着它的物体的接触面）。如果物体重力作用线不通过支撑面，这个物体就要倒下来。
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根据平衡的道理，运动员始终要使自己身体重力作用线通过支撑面，这支撑面就是平衡木。平衡木很窄，给人的支撑面极小、使身体重心恰巧落在平衡木上就很难，身体随时有倒下去的危险。生活的经验告诉我们，当身体摇晃要倒下时，人们往往摆动两臂，使身体重新站稳。两臂的摆动，是在调整重心作用线，使之通过支撑面，以恢复平衡。体操运动员在平衡木上，也常常有这样的动作。杂技演员走钢丝，当然也必须伸开双臂左右摆动来掌握重心，保持平衡。他们手中还常拿着长长的竹竿，或者花伞、彩扇等，这些物品起着“延长手臂”的作用，是帮助身体平衡的辅助工具。
2008-09-18??人教网
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