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体育运功中的物理

X省高级中学 XXX

体育是我们最喜欢的课程，平时同学们在体育课中，进行各种各样的体育活动，其实每一项体育运动中都渗透着许多物理知识。体育与物理形同兄弟般亲密。下面介绍几个运动中的物理现象。

一、物理中的“速度”

物理学里，速度是用来反映物体运动快慢的物理量。运动场上的各种运动几乎都有一个速度快慢的问题。例如田径运动中所有的径赛及皮划艇和游泳比赛等，都是以计时的多少来确定运动员的快慢和比赛成绩的。计时员根据跑或游相同的路程所用的时间长短来决定快慢；而正在看台上观看比赛的观众则根据在相同的时间内跑或游的路程长短来判断快慢（即看到在前面的运动员快）。另外，在学校运动会上进行的百米赛跑比赛中，计时员一定要看发令枪“冒烟”时开始计时，而不是听发令的“枪声”时开始计时。因为看“冒烟”是以光速传播，声音在空气中的传播速度只有340米/秒，声音传到终点大约需0.29秒的时间，而光传播100 m所需的时间非常短（几乎不需要时间），所以计时员看发令枪“冒烟”计时比听“枪声”计时要准确得多。

还有各种球类运动中的“快攻战术”就是利用速度的定义，快速奔跑、快速移动、摆脱对手、寻求空挡，达到完成“快攻”的目的。所谓“快攻”，就是运动员在运动过程中增大运动速度，即进行加速运动。根据牛顿第二定律，运动员进行加速运动，必须用力；如果运动员在运动过程中匀速运动，则不需要用力。

在激烈的比赛中，为了达到目的，某一方队员常常利用这方面的知识来实施战术，俩队员相互配合，采取一队员在运动过程中不断加速，给对方比赛队员施加心理压力，迫使对方队员也加速，消耗对方队员的体力或造成对方队员犯规；而另一队员则进行匀速运动，保存体力，达到最后胜利的目的。例如，2000悉尼奥运会上，我国优秀运动员王丽萍就是靠队友的配合而获得20公理竞走冠军的。

二、物理中的“摩擦”

物理学里，摩擦力的大小跟压力的大小和接触面的粗糙程度有关。任何物体在运动过程中都要受到摩擦力的作用，参入各种运动的运动者和运动器械也会受到摩擦力的作用。

有些运动项目，为了提高运动者的成绩，需要增大摩擦力。例如，在百米赛跑中，运动者必须穿着底上带有鞋钉的跑鞋；还有体操运动员和举重运动员在比赛之前，总是要在手上抹些镁粉，这样做的目的都是为了增大摩擦力便于提高运动成绩。采取的方法都是增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力的。特别是体操运动员在杠上做回环动作时，手握杠又不能太紧（即不能增大手对杠的压力来增大摩擦），所以，在手上抹些镁粉来增大摩擦就显得尤为重要。两队拔河时，手长久握住绳子会发烫，这是摩擦生热的原因。在拔河时尽量要降低重心，这是因为重心越低稳定性越好。地面越粗糙越有利，因为摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关。两队势均力敌时，绳子处于静止状态，二力平衡了。还有球类运动的一些器械，在制造时，都考虑到了增大摩擦的因素。例如，足球守门员戴的手套、篮球表面上的花纹、乒乓球正胶球拍胶皮上的胶粒长短和反胶球拍胶皮上的粘性度、铅球表面铸造得很粗糙等，都是采取增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力的。另一些运动项目，为了提高运动员的成绩，需要减小摩擦。例如，游泳穿“鲨鱼衣”，在游泳比赛中，运动员常穿特殊的游泳衣──“鲨鱼衣”。穿这种游泳衣的目的是减小运动员与水之间的摩擦，提高成绩。

三、物理中的“抛体运动”

体育运动中的铅球、标枪、铁饼及足球射门和投篮等运动都属于物理学中的斜上抛运动，为了提高运动成绩和进球门技术，必须掌握好初始速度方向（即投射方向）；另外铅球、标枪和铁饼要尽量增大初始速度的大小，而足球射门和篮球投篮时，又必须控制好初始速度的大小和方向。

抛体运动是一种复杂的机械运动，在理想情况下（即不考虑空气阻力），斜上抛运动物体的初始速度大小一定时，当初始速度方向与水平方向成45度角时，运动物体有最大射程（即抛体的水平方向距离），此距离正是铅球、标枪和铁饼要计算的成绩。由于抛体的初始速度受运动员的体能限制，所以，在一定程度上，运动员的成绩好坏决定于抛体的初始速度方向。实际上，任何运动的物体在空气中均要受到阻力，所以，要提高运动员的成绩，运动员需根据自己的经验，使初始速度的方向与水平方向略大于45度角投射。

铅球投远

速度：速度快，瞬间爆发力强，投得就远。因为初速度越大，动能越大，投掷的也越远。我们查阅书本知识知道S=v2Sin2a/g，当a不变v越大S也越大。当v不变时，a=45°时，S最大。

投篮：角度成45o角投进的成功率较高

距离越近，投进的成功率。碰板时，几度打过去，会几度弹回来。查阅相关的知识我们作出的解答是：在碰板中，若以几度打过去，就会以几度返回来，这道理与光的反射定律是相似的。对于投篮距离越近，投中率越高，是因为球在前进过程中还一边不断地下落，若距离近一些，下落的距离也会小一些，这样命中率也就大了。

四、物理中的“惯性”

任何物体都具有惯性，运动着的物体具有继续保持运动状态的性质。惯性即有利，又有害。运动员在运动场上进行的各种项目的运动，有时要利用惯性，有时又要防止惯性，才能提高运动成绩和竞技水平。例如，跳高、跳远及标枪运动中的助跑过程，且标枪运动员在投标枪之前，手臂要尽量向后伸摆，这些必要的动作都是为了利用惯性。而运动员在跑到百米冲刺的终点时，不能及时停下来，还得逐渐减速地跑一段距离；篮球运动员在进行三步上篮时，投篮的一瞬间不能正对篮环中心，否则由于惯性，反而投不中，而是要落后篮环中心一点投球，这些都是为了防止惯性。还有投掷铁饼的选手，为了提高比赛成绩，在规定的圆圈内做加速旋转动作，目的是为了增大铁饼出手时的初始速度；而铁饼出手后，为了确保自己不离开圆圈内，还得继续转几圈，所以，铁饼选手为了获得好的成绩，即要利用惯性，又要防止惯性。

五、物理中的“功能原理”及“机械能守恒”

所谓功能原理，就是外力对物体做的功等于物体机械能的增加。当没有外力对物体做功时，物体机械能不变，即机械能守恒。机械能又包括动能、重力势能和弹性势能，且物体在运动过程中，动能、重力势能和弹性势能可以相互转化。例如，跳水运动员为了获得足够的高度，在起跳前，必须用力向下蹬跳板，将跳板的弹性势能最终转化为自己的重力势能，便于在空中做旋转动作。在举重运动中，运动员对杠铃做的功等于增加杠铃的重力势能与增加自己的重力势能之和。由于杠铃比较重，运动员要想获得成功，一般要经过三个阶段。在第二个阶段中，由于杠铃增加的高度最大，运动员需做的功也最多，难度当然最大。所以，我们经常看到，运动员在完成第二个阶段的瞬间，都要将双脚前后分开，这样做的目的是为了降低一点高度，减少一点重力势能的增量，便于杠铃能举过自己的头顶。为了顺利地完成第三个阶段，双脚也不能分得太开，否则会增加最后阶段的难度。还有跳高、跳远以及各种投掷体的运动等都含有此方面的知识内容。

六、物理中的“冲量”及“转动惯量”

物理学里的冲量等于作用在物体上的力与力的作用时间的乘积，作用在物体上的冲量等于动量的改变量。当动量的改变量一定时，如果力的作用时间越长，则作用在物体上的力越小。冲量定律的这种特例在各种体育器械及运动中的应用非常普遍。例如，供跳高运动员着地用的海绵垫、供跳远运动员着地用的沙坑，都是为了延长力的作用时间，从而减小运动员着地时受到的作用力，确保运动员着地时不受损伤。还有在篮球运动中，运动员在接已方队员传过来的篮球时，双手往往要伸前顺着来球的运动方向后移接球。这样做的目的也是为了延长篮球对手的作用力时间，从而减小篮球对手的作用力大小，便于稳稳地接住飞来的篮球。我们还经常看到，在比赛场上，有经验的运动员在场地上摔倒时，会顺势翻滚来延长着地的时间，从而减小地面对人体的作用力。在羽毛球、乒乓球、网球、排球等运动中，选手们在击球的瞬间，球的运动情况都含有冲量定律的内容。

如果物体受到某一力矩的作用，此物体就会围绕某一固定轴旋转。当转动惯量一定时，力矩越大，则旋转越强烈。例如，乒乓球选手拉的弧圈球，都是设法引用球拍给乒乓球以摩擦，对乒乓球施一力矩的作用而产生的。现在，国际乒联决定，改“小球”为“大球”后，由于“大球”的转动惯量比“小球”的转动惯量大，所以，球的旋转没有以前强烈。还有足球运动员射门和排球运动员发球时，为了造成对方球员接球的难度，都会适当地给球一力矩的作用，使球产生旋转。还有铁饼选手在投掷的一瞬间，也要给铁饼一力矩的作用，使铁饼在空中加速旋转，从而提高比赛成绩。

如果正在旋转着的物体，不受力矩的作用，则转动惯量与角加速度的乘积是一恒量。当旋转着的物体转动惯量增大时，物体的旋转就会减慢。跳水运动员落水和体操运动员着地时，都要利用到这方面的知识。因为，他们在空中都要进行旋转动作，跳水运动员要获得最佳的落水效果，落水时，必须尽量避免旋转；而体操运动员要保证着地时立稳，也要避免旋转，所以，他们在入水和着地的瞬间，都采用伸长四肢的办法来增大身体的转动惯量，从而减小旋转速度。确保顺利完成比赛。

七、个别运动项目中的物理知识

1．球越滚越慢。在球场上踢出的球越滚越慢，最终停下来。这是因为踢出的足球由于惯性要保持原来的运动状态，沿原来的运动方向继续滚动；而在运动方向上只受到了滚动摩擦力的作用，这个阻力改变了足球的运动状态，阻碍足球滚动，使球越滚越慢，所以球最终停止运动。

2．守门员接球。当队员大脚射门时，球速可以高达100千米/小时。如果守门员用胸部停球，那么胸部所受到的冲力将高达1500牛；如果用手接球，冲力要减少到500牛。这是因为通过手臂的运动可使球的制动距离延长3倍的缘故。

3．守门员扑点球。守门员扑点球时，扑住的成功率一般只与守门员的判断反应能力有关，为什么呢？因为点球的位置距球门只有9．15米，射门时球速可以高达100千米/小时，这样球到球门的时间大约是0．32秒，而人脑的反映时间大约是0．6秒，这样足球到球门的时间就会远远小于人脑的反映时间，所以守门员根本没有时间调整自己的意识，因此点球的扑住与否跟守门员对进球方向的预先判断直接有关。正是由于这种原因我们在看点球大战时，球明明向球门左边飞去而守门员却扑向右边就不足为奇了。

4．运动员绊倒时前倾。快速奔跑的运动员被对方运动员的脚或身体绊住时，都是向前倾倒。出现这种情况的原因是：人的下半身由于被绊住而停止了运动，上身却由于惯性仍保持原来的运动状态继续向前运动，于是奔跑的运动员绊倒时向前倾倒。

5．喷雾疗伤。在足球比赛中，运动员相互碰撞跌倒后，常看到运动员双手抱腿，在地上翻滚。这时，队医就会迅速进场，从药箱中取出一只瓶子，对着球员的伤痛处喷出一股白雾，一会，伤员疼痛消失，就可以重新入场比赛了。实际上这是因为瓶中装的是“冷气雾镇痛”，它是由氟氯甲烷配一些镇痛治伤药组成，这种药液从喷嘴喷到伤处时，迅速汽化成雾状。由于汽化要吸收大量的热量，运动员受伤处温度将急剧下降，血管收缩，神经麻痹，于是痛感就很快消失。

6．弧线球的形成。我们在看球时，经常听到解说员说：球在空中划着美丽的弧线，直挂球门死角。那么球为什么在空中划着美丽的弧线呢？那是因为运动员在踢球时，用脚的内侧或外侧摩擦球使球在空中水平方向运动，这样就造成了球的水平两侧的气流速度大小不一样，根据气体流速与压强的关系，空气对球

在水平方向上的力的大小也就不一样，所以球在前进的同时，还在与球前进方向垂直的水平方向上发生弯曲，从而造成了“美丽的弧线”。

在现代的教育、教学观念中，要求学生掌握科学文化知识的同时，特别重视培养学生对知识的应用能力，将单一型人材的培养转化为复合型人材的培养，使得教学中注重了学科之间的渗透。在近年来的高考、中考命题当中，也经常出现各学科之间相联系的试题，物理与各学科知识相联系的试题也时有出现。并且在全民健身计划大力实施的今天，娱乐体育、终身体育的需要，运动者掌握好科学文化知识就显得更为重要。如果体育爱好者、体育训练者以及在校学生将掌握好的物理知识应用于实际的各项运动中，必会快速地掌握正确的动作和要领，取得好的运动成绩，同时也会大大激发他们的运动热情和学习兴趣，最终达到培养创造性复合型人材和增强全体国民的体能的目标要求。