以“冰壺”為素材命制高中物理試題的研究

冰壺是冬奧會(huì)正式比賽項(xiàng)目，場(chǎng)地如圖1。比賽時(shí)一隊(duì)員手持冰壺，用腳蹬起滑架，獲得一初速度，滑至投擲線時(shí)釋放冰壺。這時(shí)同隊(duì)另兩名隊(duì)員手持毛刷，可在冰壺運(yùn)行的前方用力左右擦刷冰面，以減小冰壺與冰面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，使其滑行較遠(yuǎn)并準(zhǔn)確到達(dá)圓壘，獲得積分。但是冰壺進(jìn)入圓壘后，對(duì)方隊(duì)員有權(quán)在冰壺的前方繼續(xù)擦刷冰面，使其滑行更遠(yuǎn)，沖出圓壘。為獲取最終勝利，運(yùn)動(dòng)員在力求將冰壺投向圓壘的同時(shí)，也可根據(jù)需要，將己方場(chǎng)地上的冰壺撞進(jìn)圓壘或?qū)?duì)方冰壺撞出圓壘。

另外，投擲者的兩鞋底部材料不同，蹬冰鞋的底部為橡膠，彈性較好，而滑冰鞋的底部為塑料，與冰面的摩擦較小。

可見(jiàn)，冰壺運(yùn)動(dòng)包含了豐富的物理知識(shí)和物理過(guò)程:人對(duì)其做功過(guò)程，在冰面上減速滑行過(guò)程，動(dòng)摩擦因數(shù)的變化過(guò)程，冰壺間的碰撞過(guò)程。選其為素材命制高中物理試題，可對(duì)摩擦力、做功與動(dòng)能變化的關(guān)系、力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系、勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、動(dòng)量守恒定律等知識(shí)進(jìn)行考查，從而培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題中抽象出物理模型以及分析物理過(guò)程的能力，現(xiàn)舉二例說(shuō)明。

1 對(duì)動(dòng)能定理的考查

例1 (2009遼寧、寧夏24)冰壺比賽是在水平冰面上進(jìn)行的體育項(xiàng)目，比賽場(chǎng)地示意如圖2。比賽時(shí)，運(yùn)動(dòng)員從起滑架處推著冰壺出發(fā)，在投擲線AB處放手讓冰壺以一定的速度滑出，使冰壺的停止位置盡量靠近圓心O。為使冰壺滑行得更遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)員可以用毛刷擦冰壺運(yùn)行前方的冰面，使冰壺與冰面間的動(dòng)摩擦因數(shù)減小。設(shè)冰壺與冰面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1=0.008，用毛刷擦冰面后動(dòng)摩擦因數(shù)減少至μ2=0.004。在某次比賽中，運(yùn)動(dòng)員使冰壺C在投擲線中點(diǎn)處以2m/s的速度沿虛線滑出。為使冰壺C能夠沿虛線恰好到達(dá)圓心O點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)員用毛刷擦冰面的長(zhǎng)度應(yīng)為多少?(g取10m/s2)

解析 設(shè)冰壺在未被毛刷擦過(guò)的冰面上滑行的距離為x1，所受摩擦力的大小為f1;在被毛刷擦過(guò)的冰面上滑行的距離為x2，所受摩擦力的大小為f2。則