北京冬奧會(huì )高考物理考點(diǎn)(2)

　　03.冰壺比賽為什么要擦地？

　　冰壺可稱(chēng)其之為集技巧與智慧于一體的體育運動(dòng)，被大家譽(yù)為冰上的“國際象棋”。

　　中國冰壺隊于2003年成立，短短十幾年的發(fā)展中成績(jì)斐然。

　　老規矩，聊一下冰壺運動(dòng)中的物理知識。

　　知識點(diǎn)1 冰壺賽道表面不光滑

　　與速度滑冰、花樣滑冰不同，冰壺賽道冰面非常奇特，并不是平整光滑的表面，甚至還有一層薄薄的冰粒，如同細小的“鵝卵石”，或“小疙瘩”。

　　制冰師每次在制冰時(shí)，會(huì )在光滑如鏡的冰面上噴灑水珠，每一顆水珠通常在2到3毫米大小，這些水珠遇冷迅速凝固成冰粒，此過(guò)程被稱(chēng)之為“打點(diǎn)”。而這樣做的原因讓人費解——為了減小摩擦。

　　學(xué)過(guò)初中物理的人都知道，物體表面越粗糙，動(dòng)摩擦系數越大。那為什么冰壺賽道冰面要做這么多的“小疙瘩”呢？這不是更“粗糙”了嗎？這里涉及到的知識點(diǎn)，曾經(jīng)講過(guò)，即“熔點(diǎn)與壓強”。

　　因為冰壺很沉，大約20千克一個(gè)，壺底是平面，中心凹進(jìn)去一點(diǎn)，放到鋪滿(mǎn)小冰粒的冰面上，接觸點(diǎn)的壓強很大，導致冰的熔點(diǎn)降低而熔化，熔化后的水膜可以減小摩擦。

　　所以冰壺并不是在冰面上滑行，而是在這些“冰粒”上滑行。

　　如果做成光滑的平面，可能會(huì )出現這樣的結果：冰壺底面中間內凹，四周接觸部分的冰熔化后，整個(gè)冰壺會(huì )如同吸盤(pán)一樣“吸”在冰面上。

　　知識點(diǎn)2 為什么要“擦冰”？

　　相信很多人在電視上看過(guò)冰壺比賽，一位隊員表情嚴肅的推出冰壺，冰壺前方還有兩位緊張的大喊并且瘋狂“擦地板”，然后看見(jiàn)冰壺撞開(kāi)對手冰壺，穩穩旋進(jìn)圓心，隊員歡呼······

　　問(wèn)題來(lái)了，運動(dòng)員為什么要“擦地板”呢？這個(gè)過(guò)程實(shí)際叫做“刷冰”，是冰壺比賽重要技術(shù)之一。

　　很多人以為，刷冰是為了清掃冰面，順便給冰壺“注入靈魂”，實(shí)際上并不是。刷冰的主要目的在于，通過(guò)冰刷的摩擦，使冰面溫度升高，造成冰面熔化，在冰表面形成一層水膜，減小摩擦力。

　　賽場(chǎng)上，刷冰面的意義就在于讓冰壺旋轉更少并滑得更遠。而刷冰面的強弱程度則取決于你想讓冰壺留在什么位置。這里面的技巧可比你想象得多很多，這也是該運動(dòng)會(huì )被稱(chēng)作“冰上象棋”的原因。

　　知識點(diǎn)3 冰壺撞擊與動(dòng)量守恒

　　對于普通觀(guān)眾而言，在冰壺比賽上最期待看到的就是冰壺們的“精彩”撞擊。而冰壺撞擊模型，是高中物理“動(dòng)量守恒”和“碰撞”中的重要命題素材。

　　動(dòng)量守恒定律是現代物理學(xué)中的三大基本守恒定律之一，基本描述為：一個(gè)系統不受外力或所受外力之和為零，這個(gè)系統的總動(dòng)量保持不變。

　　m1v1+m2v2=m1v1ˊ+m2v2ˊ

　　考慮到冰壺質(zhì)量很大，滑行過(guò)程中所受阻力很小，因此可以近似理解為符合動(dòng)量守恒定律。

　　04.速度滑冰“壓彎”的原因

　　本部分難度最大，而涉及到的比賽項目是中國冬奧會(huì )隊伍的強勢“奪金點(diǎn)”——短道速滑。

　　了解冬奧會(huì )的人都知道，中國的短道速滑隊戰績(jì)輝煌，堪稱(chēng)中國隊在冬奧會(huì )上的“王者之師"。

　　2002年美國鹽湖城冬奧會(huì )，中國女子短道速滑運動(dòng)員楊揚獲得500米、1000米冠軍，這是中國冬奧會(huì )金牌史第1、2枚金牌。

　　2014年溫哥華冬奧會(huì )上，在主教練李琰的帶領(lǐng)下，由王濛、周洋、張會(huì )、孫琳琳組成的中國女子短道速滑隊，包攬了女子500米、1000米、1500米和3000米接力女子短道速滑項目的全部四枚金牌，創(chuàng )造了歷史。

　　2018年平昌冬奧會(huì )，中國短道速滑隊武大靖獲得500米冠軍。含金量十足！

　　在短道速滑比賽途中，個(gè)人最喜歡的場(chǎng)面就是運動(dòng)員們的“彎道”超車(chē)，要知道短道速滑中彎道大約占總距離的50%，能否掌握彎道技巧對于速滑運動(dòng)員非常重要。

　　運動(dòng)員們過(guò)彎道時(shí)，身體總是大幅度向內傾斜，一邊的身體幾乎貼著(zhù)地面。問(wèn)題來(lái)了：

　　這種“壓彎”的目目的是什么？物理原理又是什么呢？

　　如果用一句話(huà)簡(jiǎn)單解釋“壓彎”原理，就是重力與離心力的力矩平衡，說(shuō)的再簡(jiǎn)單點(diǎn)就是“不壓彎，會(huì )被甩出去”。

　　知識點(diǎn)1 力平衡

　　運動(dòng)員滑冰轉彎看作圓周運動(dòng)，此時(shí)冰刀卡在冰面上時(shí)受到的摩擦力提供向心力。為了方便研究，引入了另一個(gè)虛擬的力，即“離心力”，其大小與向心力相等，方向相反。

　　如下圖，討論力平衡問(wèn)題

　　一通推導完畢，你會(huì )得到上面的式子

　　可以看出，如果轉彎時(shí)的速度很大，為了不被甩出去有兩種方法：

　　增大轉彎半徑r：這也是機動(dòng)車(chē)在高速行駛時(shí)不能急轉彎的原因；

　　增大傾斜角度θ：因為短道速滑的比賽場(chǎng)地彎道固定，所以運動(dòng)員告訴轉彎時(shí)，必然要身體會(huì )大幅向內傾斜。

　　需要補充一點(diǎn)：關(guān)于“壓彎”現象，很多人會(huì )把它的原理等效為高中物理教科書(shū)上的“火車(chē)轉彎”模型。這是不嚴謹的，因為火車(chē)轉彎主要靠?jì)韧鈧辱F軌的高度差實(shí)現，這時(shí)是靠鐵軌傾斜的“支持力”和重力的合力來(lái)提供向心力。

　　而滑冰運動(dòng)員、摩托車(chē)手壓彎時(shí)，支持力一直是豎直向上的。

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