2022年11月21日-物理科学•物理

足球中的物理学:2022年世界杯

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2022年世界杯已经正式开始，现在是和你的学生一起探索足球(或在欧洲，足球)物理学的最佳时机!从预测横梁挑战的结果，到理解罗纳尔多著名的指关节球任意球背后的科学原理，物理学在决定哪支球队统治球场方面发挥着重要作用。

在整个世界杯期间，我们将分享以足球为主题的内容，帮助您将世界杯的兴奋感带入您的物理课程。在我们的第一部分中，我们将探索足球最臭名昭著的赛前活动:横杆挑战的物理学。

足球物理学:横杆挑战

横梁挑战赛是一项很受欢迎的赛前比赛，由两队球员进行。比赛时，球员们轮流将足球踢向球门的横梁。击中横梁次数最多的玩家赢得横梁挑战。看起来很简单，对吧?嗯，不完全是!

事实上，横木挑战是很有挑战性的。一般来说，球员五次射门中有两次是幸运的，这使得小内马尔(Neymar Jr.)等超级巨星的五次五投五中表现更加令人印象深刻。事实上，内马尔在横梁挑战中的成功是如此的可重复，这就引出了一个问题:内马尔在做什么其他足球运动员没有做的事情?(查看这个视频观看内马尔在与另外两名职业足球运动员的交叉挑战中展示他的技术。)

事实证明，内马尔的成功有一个秘密:物理!当一个球员踢足球时，足球的落地位置很大程度上是由足球的空气动力学和球员踢球的角度、方向和速度决定的。如果我们暂时忽略空气动力学，那么横杆挑战就变成了抛射运动的现实例子。

用这些以足球为主题的抛射运动问题将世界杯融入你的物理课程!请在下面免费下载学生练习题。

用这些足球主题的练习题来庆祝世界杯! 下载免费的足球物理学生讲义和下面的答案。 学生工作纸(Word) 学生工作纸(PDF) 答案键(PDF)

1.在为世界杯比赛热身时，内马尔向亚历山大·米特罗维奇挑战横梁。两名球员都必须在距离球门11米的地方射门，但射门的角度和速度可以有所不同。横梁距地面2.4米。假设空气阻力可以忽略不计，回答以下问题:

a.如果内马尔以40°角踢球，球击中横梁需要0.87秒，那么球的初速度必须是多少?

b.米特罗维奇以18.4米/秒的速度将球以41°角发射出去。它在空中飞行，经过横梁上方1米的地方。球在空中多长时间?

c.挑战题:下一轮，米特罗维奇以21.0米/秒的初速度踢球。确定球与横梁接触所需的最小和最大踢球角度。

2.在一场世界杯比赛中，莱昂内尔·梅西以与地面45°角的角度踢球。它的最大高度为3.2米，落地距离为22.7米。假设空气阻力可以忽略不计，回答以下问题:

a.球的初始垂直速度是多少?

b.足球到达地面需要多长时间?

c.球的初始水平速度是多少?

3.当足球在比赛中离开场地时，角球将重新开始比赛。要踢出一个成功的角球，球员必须以正确的角度踢球，这样球就能绕过对手，落在队友附近。在世界杯赛前训练中，c罗以42°角踢出角球，以26米/秒的初速将球发射出去。假设球以抛射运动运动，空气阻力可以忽略不计，回答以下问题:

a.足球在什么时候达到最高点?
b.足球能达到的最大高度是多少?

4.在备战世界杯的训练中，Kylian Mbappé以41°角从地面将球踢出。当球以28.5米/秒的初始速度发射时，在足球场另一侧54米外的对手开始跑去抢球。为了在球落地前与球接触，他必须保持的平均速度是多少?