高一物理暑假专题体育竞技中物理知识的应用一鲁教版 知识精讲.docx

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高一物理暑假专题体育竞技中物理知识的应用一鲁教版知识精讲

高一物理暑假专题：

体育竞技中物理知识的应用

（一）鲁教版

【本讲教育信息】

一.教学内容：

暑假专题：

体育竞技中物理知识的应用

（一）

二、知识重点：

1、了解体育竞技中物理知识的应用

2、能够恰当地构建物理模型解决体育竞技中的问题

3、理论联系实际，能够将物理知识和体育规则有效联系到一起

三、知识难点：

1、将体育竞技项目抽象成合理的物理模型，从而解决问题

2、不同实际问题的差异性和物理本质的把握及物理方法的应用

【典型例题】

2008年北京奥运在即，与体育竞技有关的物理试题，必将成为近几年高考的热点问题，而这些与体育竞技相关的问题多数又属于力学问题，所以，我们在学习力学知识时，要深入思考，学以致用，理论联系实际，能够做到举一反三，触类旁通，从而彻底学会，学懂，学透力学知识。

下面我们举一些典型例题来分析一下：

例1、下列哪个说法是正确的（）

A、游泳运动员仰卧在水面静止不动时处于失重状态

B、蹦床运动员在空中上升和下落过程中都处于失重状态

C、举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态

D、体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态

分析：

本题考查的知识点为超重、失重。

答案：

B

例2、举重运动是力量和技巧充分结合的体育项目。

就“抓举”而言，其技术动作可分为预备、提杠铃、发力、下蹲支撑、起立、放下杠铃等六个步骤，图1所示照片表示了其中的几个状态。

现测得轮子在照片中的直径为1.0cm。

已知运动员所举杠铃的直径是45cm，质量为150kg，运动员从发力到支撑历时0.8s，试估测该过程中杠铃被举起的高度，估算这个过程中杠铃向上运动的最大速度；若将运动员发力时的作用力简化成恒力，则该恒力有多大？

分析：

题目描述的举重的实际情景，要把它理想化为典型的物理情景。

抓举中，举起杠铃是分两个阶段完成的，从发力到支撑是第一阶段，举起一部分高度。

该过程中，先对杠铃施加一个力（发力），使杠铃作加速运动，当杠铃有一定速度后，人下蹲、翻腕，实现支撑，在人下蹲、翻腕时，可以认为运动员对杠铃没有提升的作用力，这段时间杠铃是凭借这已经获得的速度在减速上升，最好的动作配合是，杠铃减速上升，人下蹲，当杠铃的速度减为零时，人的相关部位恰好到达杠铃的下方完成支撑的动作。

因此从发力到支撑的0.8s内，杠铃先作加速运动（当作匀加速），然后作减速运动到速度为零（视为匀减速），这就是杠铃运动的物理模型。

解析：

根据轮子的实际直径0.45m和它在照片中的直径1.0cm，可以推算出照片缩小的比例，在照片上用尺量出从发力到支撑，杠铃上升的距离h′=1.3cm，按此比例可算得实际上升的高度为h=0.59m。

设杠铃在该过程中的最大速度为，有，得

减速运动的时间应为

加速运动的位移：

又解得

根据牛顿第二定律，有解得

评注：

该题中，将举重的实际情景抽象成物理模型，是解题的关键，这种抽象也是解所有实际问题的关键。

这里，首先应细致分析实际过程，有了大致认识后，再做出某些简化，这样就能转化成典型的物理问题。

比如该题中，认为发力时运动员提升的力是恒力，认为运动员下蹲、翻腕时，对杠铃无任何作用，认为杠铃速度减为零时，恰好完全支撑，而且认为杠铃的整个运动是直线运动。

例3、（2007年宁夏高考试题23题）倾斜雪道的长为25m，顶端高为15m，下端经过一小段圆弧过渡后与很长的水平雪道相接，如图所示。

一滑雪运动员在倾斜雪道的顶端以水平速度v0＝8m/s飞出，在落到倾斜雪道上时，运动员靠改变姿势进行缓冲使自己只保留沿斜面的分速度而不弹起。

除缓冲外运动员可视为质点，过渡轨道光滑，其长度可忽略。

设滑雪板与雪道的动摩擦因数μ＝0.2，求运动员在水平雪道上滑行的距离（取g＝10m/s2）

解析：

如图选坐标，斜面的方程为：

①

运动员飞出后做平抛运动

②

③

联立①②③式，得飞行时间

t＝1.2s

落点的x坐标：

x1＝v0t＝9.6m

落点离斜面顶端的距离：

落点距地面的高度：

接触斜面前的x分速度：

y分速度：

沿斜面的速度大小为：

设运动员在水平雪道上运动的距离为s2，由功能关系得：

解得：

s2＝74.8m

例4、（1999年高考全国卷）一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起，举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45m达到最高点，落水时身体竖直，手先入水（在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计）从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作的时间是______s。

（计算时，可以把运动员看作全部质量集中在重心的一个质点，g取10m/s2，结果保留二位数）

分析：

运动员的跳水过程是一个很复杂的过程，主要是竖直方向的上下运动，但也有水平方向的运动，更有运动员做的各种动作。

构建物理模型，应抓主要因素。

现在要讨论的是运动员在空中的运动时间，这个时间从根本上讲与运动员所作的各种动作以及水平运动无关，应由竖直运动决定，因此忽略运动员的动作，把运动员当成一个质点，同时忽略他的水平运动。

当然，这两点题目都作了说明，所以一定程度上“建模”的要求已经有所降低，但我们应该理解这样处理的原因。

这样，我们把问题提炼成了质点作竖直上抛运动的物理模型。

解析：

在定性地把握住物理模型之后，应把这个模型细化，使之更清晰。

可画出如图所示的示意图。

由图可知，运动员作竖直上抛运动，上升高度h，即题中的0.45m；从最高点下降到手触到水面，下降的高度为H，由图中H、h、10m三者的关系可知H=10.45m。

由于初速未知，所以应分段处理该运动。

运动员跃起上升的时间为：

s

从最高点下落至手触水面，所需的时间为：

s

所以运动员在空中用于完成动作的时间约为：

=1.7s

点评：

构建物理模型时，要重视理想化方法的应用，要养成画示意图的习惯。

例5、（2006年四川高考试题23，16分）

荡秋千是大家喜爱的一项体育活动。

随着科技的迅速发展，将来的某一天，同学们也许会在其它星球上享受荡秋千的乐趣。

假设你当时所在星球的质量是M、半径为R，可将人视为质点，秋千质量不计、摆长不变、摆角小于90°，万有引力常量为G。

那么，

（1）该星球表面附近的重力加速度g星等于多少？

（2）若经过最低位置的速度为v0，你能上升的最大高度是多少？

解析：

（1）设人的质量为m，在星球表面附近的重力等于万有引力，有

mg星=①

解得g星=②

（2）设人能上升的最大高度为h，由功能关系得

=③

解得h=④

知识扩展

扩展一：

拔河比赛只是比力气吗？

解析：

拔河比赛比的是什么？

很多人会说：

当然是比哪一队的力气大喽！

实际上，这个问题并不那么简单。

根据牛顿第三定律（即当物体甲给物体乙一个作用力时，物体乙必然同时给物体甲一个反作用力，作用力与反作用力大小相等，方向相反，且在同一直线上），对于拔河的两个队，甲对乙施加多大拉力，乙对甲也同时产生一样大小的拉力。

可见，双方之间的拉力并不是决定胜负的因素。

对拔河的两队进行受力分析就可以知道，只要所受的拉力小于与地面的最大静摩擦力，就不会被拉动。

因此，增大与地面的摩擦力就成了胜负的关键。

首先，穿上鞋底有凹凸花纹的鞋子，能够增大摩擦系数，使摩擦力增大；还有就是队员的体重越重，对地面的压力越大，摩擦力也会增大。

大人和小孩拔河时，大人很容易获胜，关键就是由于大人的体重比小孩大。

另外，在拔河比赛中，胜负在很大程度上还取决于人们的技巧。

比如，脚使劲蹬地，在短时间内可以对地面产生超过自己体重的压力。

再如，人向后仰，借助对方的拉力来增大对地面的压力，等等。

其目的都是尽量增大地面对脚底的摩擦力，以夺取比赛的胜利。

扩展二：

推铅球要推得远，出手的仰角应采用45°吗？

还是较45°小些或大些？

解析：

许多中学物理教科书中，都讨论过这样的问题：

设一抛体以一定的速率斜向上抛射，如果空气阻力可以忽略，则它落回抛掷点同一水平时，其水平距离以仰角为45°时为最大。

但是，推铅球的抛掷点不是在地面上，而是离地一段高度h，如图所示。

图中表示，以同一出手速率作45°及40°仰角抛掷，当落回抛掷点同一水平时，水平距离以45°者较大。

但是，当它们落到地面时，水平距离却以40°者较大。

通过复杂的计算，获得以下的结论：

推铅球欲得最大的距离，其出手的仰角应小于45°，这个角度随出手速度的增大而增大，而随出手高度的增大而减小。

对出手高度为1.7米～2米，而出手速度为8～14米／秒的人来说，出手仰角应为38°～42°。

准确数字可从体育理论中由曲线查得。

至于其它掷类，受空气的作用力影响较大，各有不同的最佳仰角。

例如掷铁饼为30°～35°；标枪为28°～33°；链球为42°～44°。

扩展三：

推铅球时为什么要滑步？

解析：

在田径运动会上，投掷手榴弹和标枪的运动员，大都是用助跑的方法，在快速奔跑中把投掷物投掷出去。

这是为了使投掷物在出手以前就有较高的运动速度，再加上运动员有力的投掷动作，投掷物就能飞得更远。

（回忆一下运动的合成与分解）

推铅球时，运动员被限制在固定半径的投掷圈内，根本无法通过助跑来提高铅球的初速度。

如果站在那儿不动，把处于静止状态的铅球投掷出去，那是投掷不远的。

在物理学中我们学过动量定理：

FΔt=mΔv

由此可知，要使铅球在出手前就有较大的运动速度，必须增加给铅球施加作用力的时间（在作用力不变的情况下）。

所以，铅球运动员大都是采用背向滑步的方法：

先把上身扭转过来，背向投掷方向，然后摆腿、滑步、前冲，再用力推出铅球。

通过这一系列的动作，使铅球在推出前就已具有较大的运动速度。

对于优秀的运动员来说，滑步推铅球比原地推铅球可增加约2米的成绩。

扩展四：

为什么短跑要采用蹲踞的姿势？

解析：

在桌面上竖立一段木棒，在底部轻轻水平推动，木棍可以直立移动，但如果用力过大，木棒就会向后翻倒。

（a）（b）（c）（d）

如（a）图所求，木棒被推时，它的底部受到两个力，一是推力P，一是桌面的托力Q。

这两力的合力为F。

如果F通过木棒的重心，木棒就不会发生倾斜。

反之，如果F不通过重心，木棒就发生倾斜而向后翻倒，如图（b）所示。

现在，左手托着木棒使它斜立，突然放手，同时，以右手用力推动木棒底部。

若P力大小适合，木棒就不会向后翻倒，能够向前加速一段路程，如图（c）所示。

短跑是分秒必争的径赛，必须争取较大的起跑加速度，也就是起跑时向前推力P要足够大。

如果直立起跑，就会发生身体后仰的现象。

因此，采用蹲踞的姿势起跑，使地面（或助跑器）作用于足部的合力F通过人体的重心，如图（d）所示，人体就不会后仰。

扩展五：

在游自由泳时，下肢怎样获得推进力？

作自由泳时，下肢是上下打水，为什么可能获得向前的推进力？

试用分力的概念说明。

解析：

由牛顿第三运动定律：

作用力与反作用力大小相等而方向相反。

蛙泳时，双脚向后蹬水，水受到向后的作用力，则人体受到向前的反作用力，这就是人体获得的推进力。

但是，在自由泳时，下肢是上下打水，为什么却获得向前的推进力呢？

图中表示人体作自由泳时，下肢在某一时刻的运作：

右脚向下打水，左脚向上打水。

由图可见，由于双脚与水的作用面是倾斜的，故双脚所受的反作用力P和Q是斜向前的（水所受的作用是斜向后的）。

P的分力为P1和P2，而Q的分力为Q1和Q2。

P1和Q1都是向前的分力，也就是下肢获得的推进力。

同样道理，鱼类在水中左右摆尾，却获得向前的推进力，也是由于向前的分力所致。

【模拟试题】（答题时间：

50分钟）

1、下列情况中的速度，属于平均速度的是（）

A、百米赛跑的运动员冲过终点线时的速度为9.5m／s

B、由于堵车，汽车在通过隧道过程中的速度仅为1.2m／s

C、返回地球的太空舱落到太平洋水面时的速度为8m／s

D、