实践 探究游乐设施中的功与能（课件）2025-2026学年八年级物理全册沪科版（2024）

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。任务一点击图片播放视频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2. 蹦极任务二任务三跨学科实践 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：   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 ( ) BA.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！