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实践：探究游乐设施中的功与能
一、探究背景与目的
游乐园中的过山车、摩天轮、蹦极、海盗船等游乐设施，充满了力、功与能量的物理奥秘。本次实践通过观察和分析常见游乐设施的运行过程，探究其中功与能的转化规律，加深对机械能（动能、重力势能、弹性势能）及其转化的理解，体会物理知识在实际中的应用。
二、探究对象与工具
探究对象：过山车、摩天轮、蹦极跳、海盗船、秋千。
观察工具：秒表（测量运动时间）、手机（拍摄视频辅助分析）、记录本（记录现象与数据）。
分析依据：功的计算公式（\(W=Fs\)）、功率公式（\(P=W/t\)）、机械能转化规律（动能与势能的相互转化）。
三、常见游乐设施的功与能分析
（一）过山车
能量转化过程：
提升阶段：机械力对过山车做功，将电能转化为过山车的重力势能（高度升高，重力势能增大）。此过程中，牵引力做的功等于过山车重力势能的增加量（忽略摩擦时）。
俯冲阶段：过山车从最高点下滑，高度降低，重力势能迅速转化为动能（速度增大，动能增大），到达最低点时动能最大、重力势能最小。
爬坡与转弯阶段：动能转化为重力势能（上坡时速度减小、高度升高），同时部分动能因摩擦转化为内能（轨道摩擦生热），因此后续坡顶高度通常低于初始最高点（机械能因损耗减小）。
关键观察点：
初始提升高度决定了后续运动的最大动能，越高的起点能支持更长的轨道运行。
轨道设计中的 “回环” 结构利用动能与重力势能的转化，确保过山车有足够速度通过最高点。
（二）摩天轮
能量转化过程：
上升阶段：电机对摩天轮做功，座舱高度升高，动能转化为重力势能（速度基本不变，动能变化较小，主要是电能转化为重力势能）。
下降阶段：座舱高度降低，重力势能转化为动能（速度略有增大），同时电机做负功（提供阻力），避免速度过大。
匀速转动阶段：电机做功主要用于克服摩擦阻力，机械能总量基本不变（动能不变，重力势能随高度周期性变化，但总和近似守恒）。
关键观察点：
座舱在最高点时重力势能最大，最低点时重力势能最小，转动过程中重力势能与动能周期性转化。
电机的功率需匹配摩天轮的负载和摩擦阻力，确保稳定运行。
（三）蹦极跳
能量转化过程：
下落阶段：人从高处跳下，重力势能转化为动能（高度降低，速度增大），接触蹦极绳前，重力势能不断减小，动能不断增大。
绳拉伸阶段：蹦极绳被拉长（发生弹性形变），动能转化为弹性势能（速度减小，弹性势能增大），当速度为 0 时，弹性势能达到最大（此时下落至最低点）。
反弹阶段：弹性势能转化为动能和重力势能（绳收缩，速度增大，高度升高），上升到最高点时，动能为 0，重力势能最大（但低于初始高度，因摩擦损耗机械能）。
关键观察点：
蹦极绳的弹性形变程度决定了弹性势能的大小，形变越大，反弹高度越高（忽略损耗时）。
多次反弹后高度逐渐降低，说明机械能因空气阻力和绳的摩擦不断转化为内能。
（四）海盗船
能量转化过程：
摆动上升阶段：电机对海盗船做功，动能转化为重力势能（速度减小，高度升高），最高点时重力势能最大、动能最小。
摆动下降阶段：重力势能转化为动能（高度降低，速度增大），最低点时动能最大、重力势能最小。
阻尼阶段：停止电机驱动后，因摩擦阻力，机械能不断转化为内能，摆动幅度逐渐减小，最终静止（动能和重力势能均为 0）。
关键观察点：
摆动幅度越大（最高点越高），重力势能越大，转化的动能越大，最低点速度越快。
摩擦阻力的存在导致机械能不守恒，需电机持续做功维持摆动（克服损耗）。
四、探究实验设计：秋千的机械能转化
（一）实验目的
验证秋千运动中动能与重力势能的相互转化，观察机械能损耗现象。
（二）实验器材
秋千、秒表、卷尺、体重秤（测人的质量）。
（三）实验步骤
测量基础数据：
测量人的质量\(m\)（如\(50kg\)）。
测量秋千静止时的最低点高度\(h_1\)（离地面高度）。
观察摆动过程：
将秋千拉至某一高度，测量此时秋千的高度\(h_2\)（最高点高度），计算重力势能增加量\(\Delta E_p = mg(h_2 - h_1)\)。
释放秋千，记录从最高点摆到最低点的时间\(t\)，观察最低点时的速度变化（通过摆动幅度感知）。
记录每次摆动的最高点高度，观察高度是否逐渐降低（记录 5 次摆动的高度数据）。
（四）数据记录与分析
摆动次数
最高点高度\(h_2/m\)
重力势能\(E_p=mgh_2/J\)
最低点速度感知
机械能变化趋势
1
最快
最大
2
较快
减小
3
中等
继续减小
4
较慢
明显减小
5
最慢
接近零
（五）实验结论
秋千从最高点到最低点时，重力势能转化为动能，速度增大；从最低点到另一最高点时，动能转化为重力势能，速度减小，符合动能与重力势能的转化规律。
多次摆动后最高点高度降低，说明机械能因摩擦和空气阻力不断损耗，转化为内能，导致机械能总量减小。
五、探究总结与拓展
（一）核心结论
游乐设施的运行过程本质是功与能的转化过程：电机做功提供初始能量，后续通过动能、重力势能、弹性势能的相互转化维持运动。
理想情况下（无摩擦），机械能守恒（动能 + 势能总量不变）；实际中因摩擦、空气阻力等，机械能不断转化为内能，导致能量损耗，需外力持续做功（如过山车的初始提升、海盗船的电机驱动）。
功是能量转化的量度：提升阶段外力做的功等于机械能的增加量，摩擦阶段克服阻力做的功等于机械能的减少量。
（二）拓展思考
为什么过山车的轨道起点最高，且后续坡顶一次比一次低？
答：初始高度提供最大重力势能，后续因摩擦损耗机械能，重力势能无法恢复到初始值，因此坡顶逐渐降低。
蹦极时，蹦极绳的弹性形变程度与哪些因素有关？
答：与人的质量、下落高度有关。质量越大、下落高度越高，绳的形变越大，弹性势能越大。
如何通过设计减少游乐设施的能量损耗？
答：采用光滑轨道（减小摩擦）、流线型设计（减小空气阻力）、优质弹性材料（减少弹性势能损耗）等。
六、实践反思
通过本次探究，深刻体会到游乐设施的设计蕴含着丰富的功与能知识。从能量转化的角度分析运动过程，不仅能解释 “为什么过山车能冲过回环”“蹦极为何能反弹” 等现象，更能理解物理原理在工程设计中的实际应用。同时，也认识到理想模型（机械能守恒）与实际情况（能量损耗）的差异，培养了用科学视角观察生活的能力。
2024沪科版物理八年级全册
实践 探究游乐设施中的功与能
第十章 功与机械能
授课教师： . 班 级： . 时 间： .
游乐园中的滑梯、过山车等给我们留下了美好的童年记忆，在这些惊险刺激的游乐项目中普遍存在不同能量的巧妙转化。让我们再次走进游乐园，探究童年记忆中功与能的关系吧。
本活动涉及功与能、工程技术、心理、人体健康等相关知识。通过体验感知、认识规则、完善方案等过程，完成自己喜欢的游乐项目推介方案。
任务一
体验游乐项目。走进游乐园，体验游乐项目，感受不同位置的速度变化，并从能量的视角分析体验过程。
正确系好安全带、听从工作人员安排。
安全 警示
点击图片播放视频
观看视频，通过分析能量转换了解过山车的运行原理。
1. 过山车
过山车运动到最高点时
过山车由高处到低处运动
过山车由低处到高处运动
速度为_____，_______能最大，_______能为零。
速度______，_______能减小，_______能增大，_______能转化为_______能。
速度______，_______能减小，_______能增大，_______能转化为_______能。
零
重力势
动
变大
重力势
动
重力势
动
变小
动
重力势
动
重力势
点击图片播放视频
观看视频，通过分析能量转换了解蹦极的运行原理。
2. 蹦极
O→A A→B B点 B→C C点
速度变化 加速 加速 速度最大 减速 速度为零
能量转化 重力势能转化为动能 重力势能转化为动能和弹性势能 动能和重力势能转化为弹性势能 弹性势能最大，人在O点的重力势能全部转化为绳的弹性势能(不计空气阻力)
任务二
认识安全规则。结合体验过程中功与能的关系，解释游乐项目安全须知相关内容，并从工程实践的视角对游乐设施的安全性进行评估。
任务三
完善推介方案。以多学科视角，从游乐设施、功与能的关系游玩体验、温馨提示等方面撰写游乐项目推介方案，用于班级推荐交流。
跨学科实践
游乐场中有很多刺激有趣的项目，其中蕴含着丰富的物
理知识。
体验游乐项目中的功与能
1.小点在游乐场买了门票，体验了以下游乐项目：
(1)小点首先乘坐了如图1所示的摩天轮俯瞰城市，小点坐好
后，摩天轮在竖直面内开始匀速转动，小点与摩天轮中心的
距离为，他的质量为 ，当他转到最高点时摩天轮
对他做的功是________。取
(2)接下来他体验了惊险而有趣的过山车，如图2所示的是过
山车轨道的简化示意图。过山车从高处的 点沿倾斜轨道加
速滑下，先后经过、、 点，最后沿水平轨道做减速运动
直到停止。则过山车从点到 点的运动过程中动能______，
重力势能______(前两空均填“增大”“减小”或“不变”)，整个
过程中过山车的机械能________(填“守恒”或“不守恒”)。
减小
增大
不守恒
(3)如图甲所示的大摆锤，运动过程与单摆的运动过程类似，
忽略空气阻力，请你根据图乙所示的单摆的运动过程完成下
表。(前4列均填“增大”“减小”或“不变”)
单摆运动过程中机械能转化情况
过程 质量 高度 重力势能 变化 动能 变化 能量转化情况
____ ____ ______ _____ ______________
___________
____ ____ ______ _____ ______________
___________
不变
减小
减小
增大
重力势能转化为动能
不变
增大
增大
减小
动能转化为重力势能
认识安全守则
小点在游乐园中最爱的项目就是卡丁车。工作人员提醒
他一定要遵守安全守则。
2.在驾驶卡丁车前，必须佩戴头盔、护膝等安全装备，驾驶
过程中必须系好安全带。佩戴头盔、护膝可以在发生意外撞
击时，增大身体的受力面积，减小______，保护头部和身体
不受伤害。系好安全带可以有效避免急刹车时，驾驶员由于
具有______，而出现危险。
压强
惯性
体验“无动力”游乐场
现在很多市区都推出了“无动力”亲子乐园。此类乐园中
的设施无须连接电力设备，在家人朋友享受欢乐时光的同时，
也能更好地保护环境、节约能源。
3.如图所示，假日期间荣老师带着孩子来到游乐园玩亲子游
乐车。荣老师卖力地骑着车带动旁边的过山车匀速上升到最
高处，然后停止，过山车将会从高处冲下来，回到起点时正
好停止。对此过山车分析正确的是 ( )
B
A.过山车匀速上升时机械能保持不变
B.过山车冲下来时重力势能转化为动能
C.过山车回到起点时重力势能最小，动能最大
D.过山车冲下来的过程中机械能增大
通过本节课的学习，你有什么收获？
谢谢观看！

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