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论大型趣味实验中力学知识的运用
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。
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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!
参考文献：
[1]王海波.浅谈物理与生活[J].教育教学论坛,2010,32.
姚婧.力学知识在大型趣味实验中的应用[J].西部皮革,2019,41(04):147+154.
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量子不确定关系表明,即使我们知道了量子态的全部信息,我们也无法同时精确地预测任意两个互不对易的可观测量的测量结果.量子不确定关系是量子力学和经典力学的本质区别,因此对不确定关系的研究能够帮助我们更好的认知量子力学.此外,不确定关系被广泛的应用于量子信息科学的每一分支中,比如,量子非克隆理论,量子密码,纠缠探测,量子自旋压缩,量子度量学和量子同步.
2020-12-08
地震研究的终极目标是对地震事件的发生时间、位置和震级进行准确的预测.目前,地震短期预测仍是具有高复杂度的世界性科学难题,现有的预测方法仍存在很大的可创新空间(周硕愚等,2019).对于地壳内部的构造地震而言,地震事件的发生是整体断层系统长期演化的结果.因此,地震预测方法的发展离不开对发震断层内部的摩擦过程及触发机制的研究.
2020-09-05
创新不仅是民族进步的灵魂，也是国家蓬勃发展的不竭动力。有关数据表明，教育部正在制定本科专业的教学质量标准，重点纳入创新精神和能力的培养。同时，全国各高校都在结合自己学校专业的特点，组织修改培养方案，将创新精神和能力作为重要培养指标之一。 空气动力学是能源与动力工程专业的技术基础课，是研究作为流体的空气的力学运动规律及其应用的学科。
2020-08-10
风洞试验、数值计算和模型飞行试验是空气动力学研究的三大手段，通过三大手段的综合应用，形成闭环的气动试验研究体系。气动试验研究体系着眼设备发展大局和信息化发展趋势，以CPS技术为核心，实现“人”、“信息系统”和“物理系统”的综合集成，形成链路通畅、高度数字化的试验研究环境，形成气动数据从生产到应用生态链，用多维度融合赋能气动研究创新发展，为气动研究工作注入新的活力[3,4]。
2020-08-10
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施，油源系统是风洞的动力系统，为风洞所有阀门和执行机构提供液压动力，用于实现试验模型各种高难度状态的自动驱动和控制，是十分重要的组成部分。文中风洞是国内主力生产型风洞，控制系统已非常老旧，故障频发，另外随着国内各新型装备吹风试验对风洞的运行性能及功能要求进一步提高，原控制系统已不能很好地满足试验需求。
2020-08-10
“材料力学”课程是全国高等院校机械工程、土木建筑、车辆工程等专业的必修科目，根据国家对本科教育和人才培养的整改优化，国内高校对“材料力学”课程的教学课时做出相应调整[1]。“材料力学”课程因内容较抽象、研究问题较繁琐，因此对于基础较薄弱、理解能力较差的学生学习该课程会更加困难[2]。
2020-08-10
平流层浮空器是指利用轻于空气的浮升气体产生的浮力在平流层底部进行持久驻空飞行的浮空类飞行器,主要包括平流层飞艇和高空气球,具有飞行时间长、搭载能力强、使用效费比高等优点.平流层浮空器在全天候、全天时的信息获取应用中具有显著优势,可为对地观测、通信保障、防灾减灾、环境监测等应用需求提供重要的技术解决方案,具有巨大的军民应用前景[1].
2020-08-10
间隙这一非光滑因素广泛存在于机械系统中,比如齿轮传动系统中的齿侧间隙、导杆滑块机构中的多运动副间隙、起落架系统中的扭转间隙、空间机械臂的关节间隙、共振筛内的弹簧间隙等[1,2,3,4,5]。系统结构内的间隙,是引起分段约束问题的主要因素,它会对机械系统的动力学特性产生重要的影响,因此吸引了许多学者对含间隙系统的动力学行为进行研究。
2020-08-10
当飞机、车、船及火车运行速度较高时,湍流边界层激励的结构振动噪声成为该类交通工具内噪声的重要组成部分,会大大降低乘坐舒适度。舰艇在10kn以上中高航速时,流激振动噪声是声呐自噪声的重要组成部分,对声呐正常工作有不利影响[1]。湍流边界层激励结构振动主要包括湍流壁面脉动压力功率谱和结构随机振动响应功率谱两大内容。
2020-08-10
当一个物体在流体中作刚体运动或模态振动时,会带动其周围的流体一起发生运动,其中运动流体的动能可以用相应的附加质量进行度量。若假定流体无黏无旋,则依据势流理论,完全浸没物体的附加质量取决于其形状及运动模式,而与位移大小、速度及加速度无关[1]。对于附加质量,除极个别简单情形存在解析解外,一般需由数值方法或实验进行计算。
2020-08-10
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
邮发代号： 2-814
创刊时间：1957年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
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2020-06-30
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上传者：管理员
