运动中的物理原理-课件资源-常州市武进区湟里高级中学-专题网站-武进教育网群

各种各样的运动项目中均包含着丰富的物理原理，在课堂教学中，对生活中所接触到的一些运动现象适当引入并结合物理原理进行分析，可以活跃课堂气氛，提高学生学习物理的兴趣。通过对具体的物理现象和物理问题的分析，可培养学生分析问题和解决问题的能力，鼓励引导学生自己提问自己分析，学会把学过的物理知识与实际问题相结合，为今后的持续发展打好基础，从而收到良好的教学效果。下面就从几方面来分析运动中蕴涵的力学知识。

一、跳板跳水中的功能转化情况

跳板跳水运动员总是想尽量跳得高些，以获得在空中较长的时间去完成各种优美的翻转动作。那么怎样才能做到这一点呢？首先运动员在跳板上向前跨三大步，然后向上猛跳，这称为“助跳”。助跳时，要使上升高度尽量大。助跳中最后一步猛蹬跳板，运动员作功，其肌肉的内能转化为其运动的机械能以及跳板上下摆动的机械能。助跳后又落回跳板时，其机械能部分转化为跳板的弹性势能。继而要抓住最有利的时机双脚用力下蹬，肌肉再次作功，这就是“起跳”，而后运动员离开跳板在空中完成各种翻转动作后入水。这里所谓“抓住最有利时机”，从功能角度看，就是起跳瞬间，尽量使跳板静止于平衡位置，这时跳板的动能和弹性势能均为零，这样助跳和起跳两次作的功（即肌肉消耗的人体内能）全部转化为运动员的机械能，从而使运动员能够跳得最高。

二、气功碎石中的受力分析

杂技表演中在演员的头上放几块砖，一大力士举起铁锤用力砸下去，眼见“锤落砖断”演员却安然无恙。那么怎样从理论上对表演作出定量解释呢？人的颈项，其可动范围及弹性较好，因而用一根弹簧作其力学模型应具恰当的，设每一块砖的质量为m，一个人脑袋的质量也大约相当于一块砖的质量由于脑袋较硬，也完全可以简化为一块砖作为力学模型，如果表演者头上顶着几块砖，那么整个表演就可简化为这样一个力学问题：弹性系数为k的弹簧固定于地面，其上方压着（n+1）块质量均为m的砖块，现用一铁锤向下猛击砖块，设击打力为F，则最上面n块砖对最下面一块砖的作用力有多大？在击打之前，设弹簧对砖的支持力为f，应有f=（n+1）mg （1）。由于是瞬间击打，故弹簧的弹力变化完全可以忽略不计，所以（n+1）块砖的瞬时加速度为a=F/[（n+1）m]（2）；设第n块砖对第（n+1）块砖的作用力为N，则对第（n+1）块砖有N-f+mg=ma（3）；由（1）、（2）、（3）式可解得N=nmg+F/（n+1）（4）；也就是说，人的头部所受到的作用力不是（nmg+F）,而是nmg+F/（n+1），换言之，在人头上压的砖越多，虽然重力（nmg）越大，但在瞬间打击下对脑袋的保护作用也越大（即F/（n+1）越小），由于F总是远远大于mg，因此在实际表演中，尽可能多压几块砖会更安全些。作定量估算，通常人使用铁锤对砖块的击打力差不多是几千牛顿，我们取F=2000N（这样大的力如直接作用于人的头部，会致人于死地），设N=5，由（4）式可知，由于击打给脑袋增加的压力约为300多N，将5块砖的重力考虑在内，其脑袋承受的总压力也不足400N。400N就是约40kg的力，这样大小的力，一个正常人的脑袋承受是没有问题的。此外，造成脑袋是否会受伤，不是取决于压力大小，而是取决于压强大小。表演中在头上放砖块增大了接触面积，从而有效的减小的脑袋承受的压强，同样道理如“汽车碾人身”（在人身上放足够大的木板，让汽车从木板上开过）之类表演，就是利用增大面积，减小压强来保证人身安全的。

三、高空走钢丝和物体平衡问题

物体的共点力平衡和力矩平衡是力学的基本内容，物体的平衡问题在日常生活中有广泛的应用。2000年12月31日，“高空王子”阿迪力手持长竿在上海的中环商务大厦之间走钢丝，这种手持平衡长竿的走钢丝难度要比空中骑车大得多，因为这是一种有支轴的平衡（轴即双足），其重心在支轴的上面，是一种不稳定平衡，重力的作用线稍稍偏离支轴，即可产生一个倾覆力矩，使人掉下来，那么演员靠什么办法来保持平衡呢？主要靠调节手中的平衡杆来实现，当人的重心稍稍偏向右边时，产生一个顺时针方面的力矩，演员立即将杆移向左边，杆将对人产生一个略大于前者的逆时针方向的力矩，使人体回复到竖直位置；反之亦然。这时演员反应的灵敏度极为重要。重心变化察觉得迟了，移杆也无济于事，所以阿迪力在大河上空气流不稳定的情况下，能如履平地般地走完几十米的钢丝，实在令人叹服。

四、运动员的“翻”“转”与角动量

跳水，体操运动员围绕身体的横轴转动叫“翻”，绕身体的纵轴转动叫“转”。运动员作“翻”的动作比较好理解，因为在单杠上做大回环或跳水起跳时，已有“翻”的起因，即已有一定的角动量，根据角动量守恒原理，以后在空中做动作，只是改变转动惯量，从而改变角速度。既然运动员从单杠撒手或跳板起跳时并无绕纵轴的转体，而且在空中时人体所受的唯一的力是重力，它作用于人体质心，对人体纵轴并无力矩，那运动员的“转”是怎么出现的呢？仔细观察运动员在空中的动作可以发现，运动员腾空后的早期身体是左右对称的，而后迅速地在空中改变姿势（比如上肢位置的变化），使其左右不对称，这时便出现绕身体纵轴的“转”的动作。这一点完全可利用角动量知识作更具体的证明。

其他一些运动项目中同样含有许多物理学原理，如撑杆跳高中重力势能和弹性势能和功能间的相互转化，举重运动中的力的平衡及力的合成分解和机械能守恒定律和三力平衡的推论和跳伞运动中的重力与空气阻力的受力分析等。中学物理教学一直比较重视理论知识在技术和解释自然现象中的应用，但存在某些脱离实际的倾向，学生对身边其他事物关注不够细致，对科学知识的了解局限在知识层次浅，相对容易的科学知识范围内。重训练、轻实际、重记忆、轻思考，单调枯燥的知识导致学生在心灵深处滋生出一种厌倦，利用日常生活中常见的运动项目，进行物理分析和估算，可以使课堂教学生动化、趣味化、具体化与真实化，让教学更艰吸引学生注意力，激发学生的学习兴趣，同时让学生学会观察生活，体验生活，提高了学生利用物理知识和物理规律解决实际问题的能力。