游樂園中的物理學(xué)

對“游樂場中的物理學(xué)”課題的探討與研究課題組成員：年級專業(yè)班級：結(jié)題時間：一、過山車過山車是一項富有刺激性的娛樂工具。那種風(fēng)馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學(xué)感興趣的話，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學(xué)定律。實際上，過山車的運動包含了許多物理學(xué)原理，人們在設(shè)計過山車時巧妙地運用了這些原理。如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言。這次同物理學(xué)打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了。當然，如果你受身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細觀察過山車的運動和乘坐者的反應(yīng)。在剛剛開始時，過山車的小列車是依靠一個機械裝置的推力推上最高點的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了。事實上，從這時起，帶動它沿軌道行駛的唯一的“發(fā)動機”將是引力勢能，即由勢能轉(zhuǎn)化為動能、又由動能轉(zhuǎn)化為引力勢能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的。第一種能，即引力勢能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，它是由于物體和地球的引力相互作用而產(chǎn)生的。對過山車來說，它的勢能在處于最高點時達到了最大值，也就是當它爬升到“山丘”的頂峰時最大。當過山車開始下降時，它的勢能就不斷地減少（因為高度下降了），但能量不會消失，而是轉(zhuǎn)化成了動能，也就是運動的能量。不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機械能（動能和勢能）。這就是為什么在設(shè)計中隨后的小山丘比開始時的小山丘略矮一點的原因。過山車最后一節(jié)小車廂里是過山車贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物。事實上，下降的感受在過山車的尾部車廂最為強烈。因為最后一節(jié)車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于引力作用于過山車中部的質(zhì)量中心的緣故。這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能夠快速地達到和跨越最高點，從而就會產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，因為質(zhì)量中心正在加速向。尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達頂峰附近時，小車廂就可能脫軌飛出去。車頭部的車廂情況就不同了，它的質(zhì)量中心在“身后”，在短時間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”質(zhì)量中心越過高點被引力推動。過山車的豎直立環(huán)是一種離心機裝置，當列車接近回環(huán)時，乘客的慣性速度筆直地指向前方。但車廂一直沿軌道行進，使乘客的身體無法按直線運動。于是重力推著乘客離開車廂的地板，而慣性則將乘客向地板方向擠壓。乘客本身的外向慣性產(chǎn)生慣性力，使乘客即使在頭朝下時也能牢牢地停留在車廂的底部。當然乘客需要某種安全護具來保證自己的安全，但在大多數(shù)大回環(huán)中，無論有沒有護具，乘客都會停留在車廂中。當列車沿著回環(huán)移動時，作用在乘客身上的合力在不斷地變化。在回環(huán)的最底部，因為加速度朝上，所以軌道對游客向上的支撐力要大于重力，此時游客可以感覺到超重的現(xiàn)象，即感覺特別沉重。當一路沖上回環(huán)時，重力則把乘客向地板的方向推。所以乘客會感到重力將您向座位方向擠壓。在回環(huán)的頂部，乘客完全倒轉(zhuǎn)了過來，指向地面的重力以及軌道的向下的支持力想把乘客拖出座位，但支持力和重力僅與離心力平衡，即提供運動所需的向心力，此時若是飛車的速度較小，小到所產(chǎn)生的離心力小于重力的話，飛車就會有掉落的危險，所以，在回環(huán)頂部的時候要求有一定的速度以保證安全。同時也是由于離心力的存在，抵消了一部分重力，于是乘客會產(chǎn)生失重現(xiàn)象，感覺身體變得極輕。等列車駛出回環(huán)，沿水平方向行進，乘客又會回到原來的重力。大回環(huán)的魅力在于，它在短短的一段軌道中塞進了豐富的元素。在幾秒鐘內(nèi)，作用在乘客身上的力不斷變化，從而讓人體驗到各種不同的感覺。當這些力作用于身體的各個部位時，眼睛會看到整個世界都倒了過來。對于許多過山車乘客而言，在回環(huán)頂部是整個運行過程中最精彩的一刻，人們會感到身體輕如羽毛，眼中只能看到天空。在大回環(huán)中，豎直加速度的強度是由兩個因素決定的：列車的速度和彎道的角度。當列車進入回環(huán)時，它擁有最大的動能，也就是說，它以最快的速度移動。在回環(huán)的頂部，重力已經(jīng)在一定程度上降低了列車的速度，所以列車擁有更多的勢能，但動能減少了，也就是說它以較低的速度移動，但速度不能夠低于某一個安全行駛的速度。過山車的設(shè)計師們最早采用的是正圓形回環(huán)。在這種設(shè)計中，一路上的彎道角度是一個常數(shù)。為了在回環(huán)頂部產(chǎn)生足夠的豎直加速度以壓迫列車緊貼軌道，設(shè)計師們必須讓列車以相當快的速度進入回環(huán)（如此可使列車在回環(huán)頂部仍能快速行進）。更快的速度意味著乘客在進入回環(huán)時會受到更大的作用力，而這可能會讓乘客很不舒服。水滴形設(shè)計使這些力的平衡變得更加容易。回環(huán)頂部的彎道角度比回環(huán)側(cè)面更急促。這樣可以讓列車以足夠快的速度穿過回環(huán)，使之在回環(huán)頂部擁有充足的加速力，而且水滴形設(shè)計會在側(cè)面產(chǎn)生較小的豎直加速度。這提供了維持過山車一切運行所需的力，而不致將過大的力施加在可能有危險的部位。一旦過山車走完了它的行程，制動裝置就會非常安全地使過山車停下來。減速的快慢是由氣缸中氣體的壓力來控制的。二、碰碰車碰碰車是一種機動游戲設(shè)施。設(shè)備包括一個室內(nèi)的場地，天花板上有通電的電網(wǎng)。地面則為撒上少量石墨的金屬地板或者是水泥地板。場內(nèi)有供乘客駕駛的小型電動碰碰車。碰碰車的四周有由橡膠做成的圍裙，并由接到天花板的垂直電桿取電。車上一般最多坐二人，有加速用的腳踏，和轉(zhuǎn)向的方向盤。工作原理碰碰車的供電又叫天網(wǎng)式供電：一種用條塊狀導(dǎo)體組合而成的供電網(wǎng)絡(luò)，是在一塊足夠大的絕緣板上，布置若干導(dǎo)電條，相鄰導(dǎo)電條的電極性相反，各導(dǎo)電條以適當?shù)姆椒ǜ髯耘c電源的同名端相連。當一個物體在供電網(wǎng)絡(luò)里自由活動時，可通過一個滑動觸點組從供電網(wǎng)絡(luò)中吸取電能或電信號。本條塊狀供電網(wǎng)絡(luò)，可直接應(yīng)用于給游樂園中的碰碰車供電。采用這種供電方法的碰碰車活動場所，地面不必再鋪鋼板，可直接利用普通地面。碰碰車的游戲規(guī)則是：駕駛者爭取最快在場內(nèi)完成繞圈，途中可以橫沖直撞，把對手的車碰開。當時間到了，游戲結(jié)束時操作員把電源關(guān)上。碰碰車的速度通常很低，就算是碰撞亦不會損害人車。最早的碰碰車在1910年代已出現(xiàn)。

碰碰車的供電又叫天網(wǎng)式供電：一種用條塊狀導(dǎo)體組合而成的供電網(wǎng)絡(luò)，是在一塊足夠大的絕緣板上，布置若干導(dǎo)電條，相鄰導(dǎo)電條的電極性相反，各導(dǎo)電條以適當?shù)姆椒ǜ髯耘c電源的同名端相連。當一個物體在供電網(wǎng)絡(luò)里自由活動時，可通過一個滑動觸點組從供電網(wǎng)絡(luò)中吸取電能或電信號。本條塊狀供電網(wǎng)絡(luò)，可直接應(yīng)用于給游樂園中的碰碰車供電。采用這種供電方法的碰碰車活動場所，地面不必再鋪鋼板，可直接利用普通地面。

三、摩天輪摩天輪用電動機通過減速機減速,把高轉(zhuǎn)速低扭矩的轉(zhuǎn)為高扭矩低轉(zhuǎn)速的機械動力。通過一般是輪胎等又彈性有有一定強度的中間機構(gòu)傳到輪盤上，使其低速轉(zhuǎn)動。摩天輪是一種大型轉(zhuǎn)輪狀的機械建筑設(shè)施，上面掛在輪邊緣的是供乘客乘搭的座艙。乘客坐在摩天輪慢慢的往上轉(zhuǎn)，可以從高處俯瞰四周景色。

四、跳樓機在一個環(huán)狀的東西(像甜甜圈一樣)四周坐滿了人，沿著軸心的支柱緩慢地上升。到了離地面二十層樓的高度，你會感受到十數(shù)秒的寧靜，然后“甜甜圈”帶著所有的人在地心吸力下下跌，剎那間眾人在驚慌中尖叫，就好像將要跌得粉身碎骨一樣。在離地面很近的時候，“甜甜圈”突然減速了，最后安然地停下來。眾人在猶有余悸之際，還在興高釆烈地談?wù)撝鴦偛诺木o張剌激的經(jīng)歷！\o"查看圖片"

我們在跳樓機中自由下墜時，會感受到一種無重狀態(tài)，就好像航天員在穿梭機中漂浮著一樣。為什么物體在引力下自由下墜時會失去重量？這又與太空中的“無重狀態(tài)”有什么相似的地方呢？首先想一想為什么我們平日會感受到身體的重量。根據(jù)牛頓的萬有引力定律，地球?qū)ξ覀兊纳眢w產(chǎn)生引力。但原來地面對我們的身體也產(chǎn)生一個承托力，引力與承托力相等并互相平衡，我們才得以安然地站在地上不動。如果假想承托力消失，我們便會隨引力下墜，掉進地球的中心了！這兩個方向相反的力對我們的身體組織產(chǎn)生一種壓力，使我們感受到自己身體的重量。早在17世紀，伽里略(Galileo)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量的物體在引力下會以相同的加速度自由下墜。換句話說，如果我們可以忽略空氣阻力的影響，任何物體在同樣的高度會以相同的時間跌落地面。據(jù)說伽里略曾經(jīng)在比薩塔頂?shù)粝聝蓚€大小相等但質(zhì)量不同的圓球，發(fā)現(xiàn)它們同時到地，驗證了上述的原理。讓我們回到跳樓機的問題上。當跳樓機與你一同下跌時，跳樓機和你各自受到地球引力影響下跌，加速度相同，因此跳樓機對你幾乎沒有產(chǎn)生任何作用力，沒有了地面或其它物體對你的承托力，你便會毫無束縛，完全感受不到身體的重量了。事實上，航天員在穿梭機中感受無重狀態(tài)，亦是因為他們在引力下自由下墜的原故。在繞地球的軌道上，穿梭機與航天員之間相對靜止，于是航天員便可以在機倉中自由地漂浮著。與跳樓機唯一不同的是，穿梭機中的航天員是真正的失重，但是跳樓機的安全保險裝置把人體與機器綁定，整體下降水平牽涉到人身上使得人體體液分布失衡，高密度臟器也是處在慣性上壓的狀態(tài)，容易血管出血等，從醫(yī)學(xué)角度看，跳樓機和真人跳樓不僅有死與不死的區(qū)別，也有均勻受力和不均衡受力的區(qū)別。聰明的同學(xué)可能會問，為什么不同質(zhì)量的物體會以相同的加速下墜？這又要用牛頓力學(xué)來解釋了。我們知道，地球作用于物體的引力與地球的質(zhì)量和物體的質(zhì)量成正比，而與他們之間距離的平方成反比，即：可是牛頓第二定律告訴我們，物體受力作用時，加速度與物體的質(zhì)量成反比，即：把兩式合起來，我們有：于是加速度a便與物體的質(zhì)量m無關(guān)了。

原理就是把你升到一個高度，再以地心吸力把玩家“很安全“地跌落地面。到了距離地面約十米左右，機器就會緩緩地減速，玩家可以享受2秒速下降數(shù)十尺的極速感受。

五、３D電影立體電影（ANAGLYPH）：將兩影像重合，產(chǎn)生三維立體效果，當觀眾戴上立體眼鏡觀看時，有身臨其境的感覺。亦稱“3D立體電影”。立體電影是利用人雙眼的視角差和會聚功能制作的可產(chǎn)生立體效果的電影。出現(xiàn)于1922年。這種電影放映時兩幅畫面重疊在銀幕上，通過觀眾的特制眼鏡或幕前輻射狀半錐形透鏡光柵，使觀眾左眼看到從左視角拍攝的畫面，右眼看到從右視角拍攝的畫面，通過雙眼的會聚功能，合成為立體視覺影像。立體電影就是用兩個鏡頭如人眼那樣的拍攝裝置，拍攝下景物的雙視點圖像，再通過兩臺放映機，把兩個視點的圖像同步放映，使這略有差別的兩幅圖像顯示在銀幕上，這時如果用眼睛直接觀看，看到的畫面是重疊的，有些模糊不清，要看到立體影像，就要采取措施，使左眼只看到左圖像，右眼只看到右圖像，如在每架放影機前各裝一塊方向相反的偏振片，它的作用相當于起偏器，從放映機射出的光通過偏振片后，就成了偏振光，左右兩架放映機前的偏振片的偏振方向互相垂直，因而產(chǎn)生的兩束偏振光的偏振方向也互相垂直，這兩束偏振光投射到銀幕上再反射到觀眾處，偏振光方向不改變，觀眾使用對應(yīng)上述的偏振光的偏振眼鏡觀看，即左眼只能看到左機映出的畫面，右眼只能看到右機映出的畫面，這樣就會看到立體景像，這就是立體電影的原理。互補色、開關(guān)、柱鏡、狹縫光柵等都是在保證左眼看左圖，右眼看右圖這一基本原理上的幾種屏幕觀看立體的不同方式。隨著科技的進步，人們在屏幕上看立體的方式會更多。人以左右眼看同樣的對象，兩眼所見角度不同，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，這兩個像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后、遠近，從而產(chǎn)生立體視覺。立體電影的原理即為以兩臺攝影機仿照人眼睛的視角同時拍攝，在放映時亦以兩臺放影機同步放映至同一面銀幕上，以供左右眼觀看，從而產(chǎn)生立體效果。\o"查看圖片"

放映立體電影時，兩臺放影機以一定方式放置，并將兩個畫面點對點完全一致地、同步地投射在同一個銀幕內(nèi)。在每臺投影機的鏡頭前都必須加一片偏光鏡，一臺是橫向偏振片，一臺是縱向偏振片(或斜角交叉)，這樣銀幕就將不同的偏振光反射到觀眾的眼睛里。觀眾觀看電影時亦要戴上偏振光眼鏡，左右鏡片的偏振方向必須與投影機搭配，如此左右眼就可以各自過濾掉不合偏振方向的畫面，只看到相應(yīng)的偏振光圖象，即左眼只能看到左機放映的畫面，右眼只能看到右機放映的畫面。這些畫面經(jīng)過大腦綜合后，就產(chǎn)生了立體視覺。利用人的雙眼視角差和會聚功能等特性拍攝的放映時產(chǎn)生立體效果的電影。普通的電影或照片都是一個鏡頭從單一視角拍攝的，影像都在同一平面上，人只能根據(jù)生活經(jīng)驗（如近大遠小、光線明暗）產(chǎn)生空間感。而立體電影則是由從類似人兩眼的不同視角攝制的具有水平視角差的兩幅畫面組成的，放映時兩幅畫面重疊在幕上呈雙影，通過特制眼鏡或幕前輻射狀半錐形透鏡光柵，觀眾左眼看到的是從左視角拍攝的畫面、右眼看到的是從右視角拍攝的畫面，通過雙眼的會聚功能，于是合成為立體視覺影像。觀眾看到的影像好像有的在幕后深處，有的脫框而出，似伸手可攀，給人以身臨其境的逼真感。采用幕前輻射狀半錐形透鏡光柵的立體電影受觀眾廳座位區(qū)位置的嚴格限制，觀眾頭部不能隨便移動，否則立體效果消失，因此觀眾感到異常不便。在戴眼鏡觀看的立體電影中，廣泛采用著彩色眼鏡法和偏光眼鏡法。彩色眼鏡法是把左右兩個視角拍攝的兩個影像，分別以紅色和青（或綠）色重疊印到同一畫面上，制成一條電影膠片。放映時可用一般放映設(shè)備，但觀眾需戴一片為紅另一片為青（或綠）色的眼鏡。使通過紅鏡片的眼睛只能看到紅色影像，通過青色鏡片的眼睛只能看到青色影像。此法的缺點是觀眾兩眼色覺不平衡，容易疲勞；優(yōu)點是不需要改變放映設(shè)備。初期的立體電影常用這種方法。1985年日本筑波國際科技博覽會上展出了采用這種方法的球幕黑白電影，效果更佳。偏光眼鏡法的立體電影，從1922年開始一直為各國所重視，有些國家已和大視野的電影相結(jié)合，拍成質(zhì)量更高、效果更好的彩色立體電影。這種電影在放映時，左右畫面以偏振軸互為90°的偏振光放映在不會破壞偏振方向的金屬幕上，成為重疊的雙影，觀看時觀眾戴上偏振軸互為90°、并與放映畫面的偏振光相應(yīng)的偏光眼鏡，即可把雙影分開獲得立體效果。由于制作和放映工藝的不同，偏光立體電影有雙機和單機之分。1985年的筑波博覽會上展出了70毫米大銀幕彩色立體電影。自60年代以來，中國拍攝的立體電影是采用偏振光方式觀看的立體電影。蘇聯(lián)在70年代研試了全息立體電影，觀看時不必戴眼鏡，有很大的影像亮度范圍。由于觀眾眼睛的視覺調(diào)節(jié)和收斂是自然的，不會引起過分緊張和疲勞，觀眾只要轉(zhuǎn)動頭部，即可看到如同實物那樣的位置變化，比普通電影有更大的深度感，就象真實物體那樣。這種電影仍在研究試驗階段。偏振技術(shù)在觀看立體電影時,觀眾要戴上一副特制的眼鏡,這副眼鏡就是一對透振方向互相垂直的偏振片。這樣，從銀幕上看到的景象才有立體感.如果不戴這副眼鏡看，銀幕上