03、生活中的物理

1 一、动量定理的应用-2 二、惯性及其应用-5 三、惯性力与潮汐-7 四、杠杆原理的应用-11 五、阿基米德能举起地球吗？-14 六、摩擦力的应用-15 七、重心的应用 -17 八、科里奥利力的形成及影响-20 九、共振现象及其应用-24 十、超声波及其应用-30 十一、多普勒效应及其应用-33 十二伯努利方程及其应用-39 十三、液体表面张力在生活和科学中的应用-45 十四、揭开极光之谜-47 十五、电磁波在生活中的应用-52 十六浅析单向透视镜-55 十七光的偏振及其应用-582 一、 动量定理的应用 1.动量守恒定律 动量定理：物体所受合力的冲量等于物体的动量变化。 表达式为： 1 2 mv mv Ft 动量定理说明合外力的冲量与研究对象的动量增量的数值相同，方向一致，单 位等效。但不能认为合外力的冲量就是动量的增量。动量定理既适用于恒力， 也适用于变力。对于变力的情况，动量定理中的 F 应理解为变力在作用时间内 的平均值。动量是动力学量在宏观领域和微观领域都适用，所以动量定理既适 用于低速的宏观物体又适用于高速运动的宏观物体和微观物体，只是对于高速 运动的物体而言，由于物体的质量随物体运动速度而发生变化从而使动量的表 达形式也发生了变化。 2.动量定理应用的实例 2.1动量定理在生活中的应用 生活中会有这样的现象：驾驶员在驾车的时候必须系上安全带，为了避免 跳过运动员倒地时摔伤，地上垫有厚厚的海绵，跳远时，运动员的落地点是设 在铺有厚厚沙子的沙坑里，装在瓦楞纸盒里面的玻璃器皿不容易碰破，买来的 家电包装箱里又套有硬泡沫塑料，使电器得到了保护，右手拿着小锤子，敲击 张开着的左手，不会感觉到疼，但是如果是轻轻敲击紧贴在桌面上的左手却会 感觉到很疼，甚至会砸伤手。这些事件都包含同样的物理原理，即动量定理。 比如下列具体实例： 2.1.1动量定理与行车安全 车辆在行驶过程中，超载超速，使得机械运动量变大，从而失去安全控 制撞击物体产生很大的破坏性，因动量变化大，产生的冲击力大。 高速行驶的汽车发生碰撞或遇到意外紧急制动停止时，驾乘人员身体由于 惯性作用会继续向前高速运动，使驾乘人员与车内的方向盘、挡风玻璃等发生 碰撞造成伤害.安全带被称为汽车的“生命线”，它可将人束缚在座位上产生缓 冲起保护作用。现行高档轿车上还装有安全气囊系统，一旦车发生严重撞击时， 气囊会自动弹出，使人不致撞到车身上，也起到了很好保护作用。汽车高速行 驶时安全带及安全气囊系统的保护作用就是应用了动量定理。安全带给人施加 一个力的作用可将人束缚在座位上，防止发生一次碰撞。而安全气囊的弹出使 人不能撞到车身上，二者都起到了缓冲作用，减轻人的伤害程度。需要强调的 是，系好安全带是安全气囊发挥保护作用的一个重要条件。2.1.2逆风行舟的原理 为什么帆船能逆风而行？ 如图，帆船只要适当地驶帆及操舵，应可以采用之字路线逆风航行顶着北 风向前进！3 原理分析图：帆 1 2 1 2 风F 风对帆F 横F 进F 横F 阻 龙骨 F 帆对风 22体育运动中动量定理的应用 体育运动存在安全隐患。从动量的观点看，体育运动难免发生冲撞、冲击 等剧烈变化，从而对人体造成一定的瞬时冲击。但只要我们了解其运动变化规 律，增强防范意识，使我们的身体所承受的冲击力在能抗击的安全范围内，则 各种体育运动将给我们带来健康和快乐。 2.2.1武术运动 武术运动是体育教学中的重要组成部分，武术运动中的腾空动作技术，给 教师和学生的教学与学习带来了很大的困难。腾空技术的全过程分为四个相互 联系的阶段，即:上步、起跳、腾空和落地。下面分析与动量定理有关的起跳过 程。 起跳阶段是决定整个腾空动作完成好坏的关键环节。我们可以用动量定理 来分析各类跳跃动作的起跳过程。起跳过程可分为踏地阶段和蹬地阶段，蹬地4 阶段运动员获得的向上的动量由蹬地阶段冲量的大小所决定。由 可知， mv I 向上的冲量越大，则运动员腾空的垂直初速度也越大。 由于受反作用力的影响，人体产生个沿反作用力 方向的速度 ，同时人 F V 体还受到水平方向的初速度 影响，二者共同作用于人体，使人体产生个向上 V 的合速度。另外，人体在垂直方向上所受的力有，反作用力 在垂直方向的分力 和 F F 人体的重力 ，二者方向相反，人向上的合力为 ，人体的质量 一定即 G G F M 重力不变，故当向上的力 越大，合力越大，获得的向上的加速度越大，腾空 F 高度越高。 由此可知，要实现踏跳使垂直速度最大，从动量定理角度出发，理论上要 通过以下途径：加快助跑速度，增大踏跳前的动量；踏跳脚移到重心的前方， 即重心留在后面，使重心与踏跳脚之间保持适当的起跳角度；踏跳时踏跳腿蹬 伸充分，从而加大地而反作用力。 2.2.2推铅球为什么要滑步? 要获得较大的初速度，就必须增加力的作用时间， 作用距离。 2.2.3排球 排球运动员在扑球时，总是顺势来一个滚翻，原来，摔跟头也是一项运动 技巧，人在倒地的一瞬间，触地速度是很大的，触地后竖直方向速度为零，由 动量定理 知，冲力作用的时间 的长短，影响力 的大小，时间越短， t F v m t F 力 会越大，对地面的冲撞就越厉害，救球时来个滚翻，可以延长与地作用的 F 时间，减少与地的冲击力，同时加大了与地的接触面积，分散了受力的部位， 对人体的危害性就越小。 mu mv Ft 2 2 2 1 2 1 mu mv Fs 5 二、 惯性及其应用 1. 牛顿第一定律 1.1伽利略的斜面实验 伽利略做了一个很著名的斜面实验（图1.2）。他把一个物体沿着左侧光 滑写面向下滑动，再沿右侧光滑斜面向上滑动，发现右侧斜面的倾角不同时， 物体受到不同程度的减速，倾角越小，减速越小。当倾角为零时，即物体再无 阻力的水平面上滑动，则应保持原速度永远滑动。因而得出这样的结论：“一 个运动物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因， 便会始终保持这种速度。”这样伽利略便第一次提出了惯性概念，并第一次把 外力和运动的联系了起来。他推翻亚里士多德认为“推动重物时需要的力大， 而推动轻物时需要的力小”的说法。虽然伽利略没有明确地写出惯性定律，可 是他提出了这是属于物体本性的客观规律的观点，完整的惯性原理是在伽利略 逝世两年后由迪卡儿表述的。 图1.2 伽利略斜面实验 1.2牛顿第一定律 牛顿在自然哲学的数学原理中是这样陈述第一定律的：“每个物体都 保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外力作用它迫使它改变那个状态。 ”牛顿第一定律的重要性有两点：第一，指出了任何物体具有保持其运动速度 不变的性质，即物体存在惯性，所以牛顿第一定律也称为惯 性定律；第二，力是改变物体运动状态的原因。 生活实例 2.生活中涉及到惯性的几个小问题 2.1生鸡蛋还是熟鸡蛋？ 如何判断一只鸡蛋是生的还是熟的？ 把鸡蛋放在桌子上，用手把鸡蛋迅速扭动，然后放手： 如果鸡蛋转动得很顺利，则为熟蛋，反之为生蛋。待鸡蛋转 动一段时间之后，突然按停鸡蛋，并立即缩手：如果缩手 后不再转动的，则为熟蛋，如能自动再转一下，则为生蛋。 原因：惯性！ 2.2转动杯子，可改变浮在水面上茶叶的位置吗？ 这是不容易成功的，当转动杯子时，而整杯茶的惯性却 很大，故杯子转动时，浮在水面的茶叶几乎停在原有的位 置。除非不断转动许多转才能收效。 2.3转动的茶停止时，为什么茶叶都集中在杯底中央？6 茶被搅转之后，因惯性而产生压向杯壁的力（惯性离心力）整杯水在转动 时，高层的水与低层的水转速并不等。因为底层的水受到杯底的摩擦阻力最大， 故低层的水比高层的水较早慢下来。 因此高层的水压向杯壁的力比低层的大，故高层的水应占据杯壁，则时氢底层 的水推向中心，如图所示形成循环，则茶叶就堆到杯底中央了。 2.4有关惯性的几个小实验7 三、 惯性力与潮汐 凡是到过海边的人们，都会看到海水有一种周期性的涨落现象：到了一 定时间，海水推波助澜，迅猛上涨，达到高潮；过后一些时间，上涨的海水 又自行退去，留下一片沙滩，出现低潮。如此循环重复，永不停息。海水的 这种运动现象就是潮汐。 潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周 期性运动，习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称 为潮流。是沿海地区的一种自然现象，古代称白天的潮汐为“潮”，晚上的称 为“汐”，合称为“潮汐”。 随着人们对潮汐现象的不断观察，对潮汐现象的真正原因逐渐有了认识。 我国古代余道安在他著的 海潮图序一书中说：“潮之涨落，海非增减， 盖月之所临，则之往从之 ”。哲学家王充在论衡中写道：“涛之起也， 随月盛衰。”指出了潮汐跟月亮有关系。到了 17 世纪 80 年代，英国科学 家牛顿发现了万有引力定律之后，提出了潮汐是由于月亮和太阳对海水的吸 引力引起的假设，科学地解释了产生潮汐的原因。 1潮汐形成原因 月球引力和离心力的合力是引起海水涨落的引潮力。 下面具体分析： 1.1引潮力的实质是什么？ 绕转着的天体，都受到两种力的作用，一种是绕转天体间的引力，一 种是由于绕转而产生的离心力。两种力同时作用，才使天体能够维持其按一 定规律绕转的运动状态。月和地球绕转、地和日绕转也是这样。 引力和离心力，对于整个天体来说，二者是保持平衡的。但是，对于天 体上的每一个质点（位于天体中心的质点除外）来说，二者则是不平衡的。 绕转天体之间的引力同绕转运动所产生的惯性离心力的不平衡，是产生引潮 力的根本原因。 太阳和月球对地球的引力，地球在绕转中产生的 离心力，以及由于这 两种力在地球表面所表现出的不平衡，其本质是相同的。由月球作用而产生8 的潮汐，称太阴潮；由太阳作用而产生的潮汐，称 太阳潮。太阳潮和太阴 潮并无本质上的差异，其原理是一样的， 因月球距地球比太阳近，月球与 太阳引潮力之比为 11：5，对海洋而言，太阴潮比太阳潮显著。 2.2引潮力是怎样产生的？ 为了便于说明问题，仅以月球对地球的作用为例，对引潮力进行分析。 并且，假定地球是完全被均匀的海水所覆盖的球体。这就是说，我们在这里 对引潮力和潮汐的分析，是以只考虑月球的作用，而不考虑其它任何因素对 潮汐的影响为前提条件的。 在非惯性系中牛顿第二定律的形式为 ， 惯性力 是参考系加速运动引起的附加力，本质上是物体惯性的体 现。它不是物体间的相互作用，没有反作用力。在地球上分析，海水除了受月 亮（太阳)的引力外，还需考虑地球是个非惯性系的惯性力。地球在