《过山车中的物理学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过山车中的物理学（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、过山车中的物理学过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。如果你对物理学感兴趣的话。那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感，还有助于理解力学定律。实际上，过山车的运动包含了许多物理学原理，人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果，那感觉真是妙不可言。这次同物理学打交道不用动脑子，只要收紧你的腹肌，保护好肠胃就行了。当然，如果你受身体条件和心理承受能力的限制，无法亲身体验过山车带来的种种感受，你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。 在施行刚刚开始时，过山车的小列车是依靠一个机械装置
2、的推力推上最高点的，但在第一次下行后，就再也没有任何装置为它提供动力了。事实上，从这时起，带动它沿轨道行驶的唯一的“发动机”将是引力热能，即由引力热能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。第一种能，即引力热能是物体因其所处位置而自身拥有的能量，是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。对过山车来说，它的热能在处于最高点时达到了最大值，也就是当它爬升到“山丘”的顶峰时最大。当过山车开始下降时，它的势能就不断地减少（因为高度下降了），但它不会消失，而是转化成了动能，也就是运动能。不过，在能量的转化过程中，由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量，从而损耗了少量的机械能（动
3、能和势能）。这就是为什么在设计中随后的小山丘比开始时的小山丘那样的高度所需要的机械能了。过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。事实丰，下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。因为最后一节车厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快，这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。这样，乘坐在最后一节车厢的人就能够快速地达到和跨越最高点，从而就会产生一种要被抛离的感觉，因为质量中心正在加速向下，尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的，否则在到达顶峰附近时，小车厢就可能脱轨甩出去。车头部的车厢情况就不同了，它的质量中心在“身后”，在短时间内，它虽然处在下降的状态，但是它要“等待”质
4、量中心越过高点被引力推动。到达“疯狂之圈”时，沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。这时，乘客就会有一种被压到轨道上的感觉，因为这时产生了一种表观的离心力。事实上，在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生了一种向心力。这种环形轨道是略带椭圆形的，目的是为了“平衡”引力的制动效应。当过山车达到圆形轨道的最高点时，事实上它会慢下来，但如果弯曲的程度较小时，这种现象会减弱。一旦过山车走完了它的行程，机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来。减速的快慢是由气缸来控制的。背对前进方向为了使过山车更车刺激诱人，巴黎的迪斯尼乐园有一个字形的过山车，车上乘客背着前进方向入座，他们看不到也就无法预料将要发生的事情
5、。安全装置过山车安装有安全系统，它能将车厢牢固地扣在轨道上：一个防脱轨的小轮子将车厢同轨道连在了一起。防折返装置在第一次上升期间，过山车被牵引到轨道的最高点上。“防折返装置”可以避免小列车向回折返，以防发动机发生故障时列车后退。 影片中如何记录声音我们大家看电影时, 会觉得演员的动作和对白非常连贯, 就如真实情景差不多但你若看外国产的配音电影, 有时却能看到动作与声音不协调的现象, 演员的嘴早已不动了, 声音却还没断, 这是什么原因呢? 通常电影影片中的声音是同动作一起记录在影片上的, 电影中的音乐、对白及音响效果, 是现代电影艺术不可分割的组成部分声音首先通过话筒变为电信号。声音传进话筒,
6、推动话筒中的膜片的振动, 与膜片相联的动圈也随着振动；动圈是放在永久磁铁的圆形空隙中的由于电磁感应, 在磁场中来回运动的动 圈就会感应出电流来声音越响, 膜片和动圈振动也越大, 感应出的电流就越强；声音频率发生变化时, 膜片和动圈振荡频率也随着变化, 动圈上就会感应 出与振动频率一致的电流信号来。这样, 声音高低及频率的变化, 就会表现为感应电流信号变化。 微弱的感应电流经过放大器放大, 再流过一个白炽灯泡随着电流的变化, 灯泡亮度也发生变化: 电流强, 灯就亮, 电流弱, 灯泡就暗, 这样就把声音信号经过电信号中转变成了光信 号了这时用一个聚光透镜把灯光聚焦后投射到电影底片上, 随着胶片不断
7、移动, 使胶片能在拍摄演员动作的同时而感光声音强, 灯光亮, 感光也就多； 声音弱, 灯光暗, 感光就少这些电影胶片经显影定影后, 就成为电影的声带底片。再用这底片印成声带的正片。 还音时, 只需在声带正片上投射一束强度不变的光线, 当这光线透过胶片边缘那深浅不同或宽度不同的白道道 (声带) 时, 就变成了强度不断变化的光线。时明时暗的光 线, 经过光电管就变为时强时弱的电流信号, 这电流信号经过放大后, 送进场声器就播放出声音来了。 这种光学录音法要比磁录音麻烦, 所以现在大都采用在拍摄电影时, 先用磁录音方法录下各种声音。当影片拍完, 洗印电影时, 再用光录音法把磁带上的声音转录在电影胶片
8、上。物体的颜色透明体的颜色是由它透过的色光来决定的，例如：红玻璃只透过红光，洁净的水能透过全部色光，则水是无色的透明体。不透明体的颜色是由他反射的色光决定的，例如：黄纸反射黄光，吸收其他一切色光，它就是黄色。白纸几乎反射各种色光，它就是白色的。如果某物体把几乎所有色光全部吸收，它就是黑色的。各种色光都是由红，绿，蓝，3 种基本颜色混合而成的，例如：红+绿=黄。烧开水时的发现大家一定读过这么一个故事：一天瓦特在炉前替奶奶烧开水，当水烧开的时候他发现，蒸汽把壶盖顶起来了。善于思考的瓦特由此想到用蒸汽来做更吃力、更有用的工作。以后，故事演变下去，变成了瓦特发明了蒸汽机。1736 年 1 月 19 日
9、，瓦特出生了英国格拉斯哥城附近的格林诺克小镇。父亲是个木匠，家里很穷，他就跟着父亲做些木工活，从小养成了对制造机械的浓厚兴趣。十八岁时，瓦特到格拉斯哥城当徒工，学习制造教学仪器。后来他又去伦敦一个钟表店学习修理钟表，最后他又回到格拉斯哥城，在格拉斯哥大学当教学仪器修理工。1761 年，大学里的一台纽考门蒸汽机坏了，让瓦特去修理。这可是难得的好机会。在修理时，他发现这台机器有很大的缺点，一个是活塞动作不连续；另一个是浪费蒸汽太多，而且动作缓慢，有点象老牛拉破车。于是瓦特决心改进这种机器，他花费好几年时间进行了大量实验。功夫不负有心人，瓦特终于成功地创造了高效率蒸汽机。图中展示了瓦特造出的一台单动
10、式蒸汽机示意图。从图中可以看出，开始阀门 A 打开，阀门 B 关闭。从锅炉获得的蒸汽进入汽缸，蒸汽就推动汽缸中的活塞向上，通过机械机构就带动轮子转动。当活塞到汽缸顶部，阀门 B 打开，阀门 A 关闭，蒸汽就离开汽缸进入冷凝器，汽缸内压力就降低，在顶部的活塞由于大气压而达到底部，然后再关闭阀门 B，打开阀门 A，又开始重复上述过程。在以后的几年中，瓦特又经过多次改革，终于在 1784 年制成了用于交通运输的火车、轮船动力的蒸汽机。瓦特蒸汽机的发明，带来了一场轰轰烈烈的欧洲工业革命。无线电波如何运载信息？我们知道，声音的频率为 1620000 赫兹之间。但是，要把电磁波也这样发射出去显然是不行的，
11、它会很快就衰减掉。我们的收音机一般用的中短波频率都在 0.520 兆赫兹左右。那么用这么高频率的无线电波是如何把信息运载出去的呢？最早发展起来的运载方式是用被传送的信息来改变高频电波的幅度，这种方式叫“调幅”。它是用信息来控制晶体管输出，如果被传信息的能量大，则晶体管的大门开得就大，那么通过晶体管输出的载波幅度也就大；如果控制信息小，晶体管输出的载波幅度就小。通过调制后，波形就象一个倒放着的上下对称的小葫芦。1936 年左右，专家们又发展了一种用信息来改变高频电流频率的新的调制方式，称为“调频”。它是用信息改变晶体二极管（变容二极管）电容量的大小，来改变电振荡的频率。它的振幅保持不变，而频率却
12、随着音频信号而变化。它的波形就象压缩得不均匀的弹簧一样。调幅波在空间传播时，其抗干扰能力很差，因此，用中、短波收听电台广播时，杂音往往很大。而调频信号则有很强的抗干扰能力，因此，收调频台就非常清晰。随着数字通讯及无线电遥控的应用，在近代又发展起来一种用脉冲信息来控制高频信号的方式，这种方式称为“脉冲调制”。它主要用于雷达、遥测、遥控及数字通讯。逆 温“人间四月芳菲尽，山寺桃花始盛开。”这两句诗描写的是：山脚下繁花似锦的季节已经过完了，而高山上山寺附近的桃花却刚刚盛开。诗中隐含的意思是高山上的季节比山下来得晚，进而推知山上的温度要比山下的温度低很多。现在我们大家都知道，地球大气的温度随着高度的增
13、大而降低，每升高一公里，温度就要降低 6左右。因此，在许多高山顶上温度都在零度以下，终年被雪覆盖。但是，温度也有反常的时候。例如夏天雨后初晴、月光普照的时刻，地面因降雨和辐射，温度急剧下降，贴地面的空气温度减小，出现高度上升温度增大的现象。通常把这种现象称为逆温现象，该大气层被称为逆温层。那么逆温层是如何形成的呢？它的形成主要有以下三个原因：一是空气的水平移动形成逆温层。白天在太阳光的强烈照射下，陆地要比海洋升温快。而陆地上被晒热的空气团在风的吹动下，移向海面，这样，海洋表面的空气温度就要比它上一层空气的温度低，使海面上的气温随高度上升而增加，形成了大气逆温层。二是地面辐射冷却形成逆温层。在暖
14、和季节的晴朗夜晚，白天被阳光晒得炽热的地面，将会辐射出大量的热量，使地面土壤的温度下降。这样，紧贴地面的空气都冷却了，而较高层的空气还没有来得及冷却，从而形成逆温层。这种逆温一般在日落后出现，午夜加强，黎明前最盛，日出时消失。三是空气下沉压缩形成逆温层。地球上的空气常常会形成强烈的旋涡。旋涡方向为反时钟的叫气旋，顺时钟的叫反气旋。反气旋是一个高压区，中心压力最高，空气由中心向外围流。由于地面风的辐射扩散作用，空气向外流散，上面的空气往下沉，同时伴随压缩升温的过程。上层空气由压缩升温。从而形成了逆温层。逆温层有时有利于电波传播，有时又妨碍电波传播。早晚的天空为什么是红色的？早晨和傍晚，在日出和日
15、落前后的天边，时常会出现五彩缤纷的彩霞。朝霞和晚霞的形成都是由于空气对光线的散射作用。当太阳光射入大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒，就会发生散射。这些大气分子和微粒本身是不会发光的，但由于它们散射了太阳光，使每一个大气分子都形成了一个散射光源。根据瑞利散射定律，太阳光谱中的波长较短的紫、蓝、青等颜色的光最容易散射出来，而波长较长的红、橙、黄等颜色的光透射能力很强。因此，我们看到睛朗的天空总是呈蔚蓝色，而地平线上空的光线只剩波长较长的黄、橙、红光了。这些光线经空气分子和水汽等杂质的散射后，那里的天空就带上了绚丽的色彩。 俗话说“早霞不出门，晚霞行千里“，这就是说，早晨出现鲜红的朝霞，说
16、明大气中水滴已经很多，预示天气将要转雨。如果出火红色或金黄色的晚霞，表明西方已经没有云层，阳光才能透射过来形成晚霞，因此预示天气将要转晴。死海不死在亚洲西部，离地中海不远的地方有一个内陆湖，叫做死海，死海里没有一条鱼，它的名字由此而来。为什么没有鱼呢？因为死海的水太咸了，每百千克海水中含盐二十千克以上。死海海水的密度太大了，比人体的密度大得多（人体的密度在 1000kg/m3 左右），所以人的身体只要有一半多浸没在水面之下，所受到的浮力就等于人受到的重力。人在死海里游泳时，可以躺在水面上看报纸，要想沉入水中可就要费好大的气力，潜入水中还会被海水托出水面。 死海的海水中矿物质很丰富，可以用来治疗一些皮肤病和湿疹。是世界上著名的游泳风景点和疗养地之一。为什么拉车比推车省力？手推车，使用方便，既可以推又可以拉。推和拉的用力方向跟水平线的夹角一样，是推车省力还是拉车省力？省力不省力，主要看车轮受到的阻力有多大。因为克服了阻力，车子才能前进。在地面条件相同的情况下，车轮对地面的压力越大，阻力越大，阻力大就费劲。反过来，压力小，阻力小，省力。推车的时候，
