羅振國(guó)

(泉州市石獅一中 福建 泉洲 362700)

隨著中國(guó)女子冰壺隊(duì)在2008年冬奧賽場(chǎng)上高歌猛進(jìn)，冰壺運(yùn)動(dòng)也逐漸成為觀眾關(guān)注的熱點(diǎn)；物理做為一門廣泛聯(lián)系生活實(shí)際的學(xué)科，自然也不例外.2009年的高考試題中，也對(duì)這項(xiàng)過去鮮為人知的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了考查．作為新課程下的高中生，更應(yīng)積極地關(guān)注這項(xiàng)集智力、心態(tài)和配合于一體的高智商運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的物理知識(shí)．

1 冰壺簡(jiǎn)介

冰壺(Curling)，又稱擲冰壺、冰上溜石，是以團(tuán)隊(duì)為單位在冰上進(jìn)行的一種投擲性競(jìng)賽項(xiàng)目.冰壺為圓壺狀，由不含云母的蘇格蘭天然花崗巖制成，周長(zhǎng)約為91.44 cm，高(壺的底部到頂部)11.43 cm，重量(包括壺柄和壺栓)最大為19.96 kg．

冰壺比賽時(shí)，每場(chǎng)由兩支球隊(duì)對(duì)抗進(jìn)行，每隊(duì)由4名球員組成．比賽共進(jìn)行10局，每局中兩隊(duì)每名球員均有兩個(gè)冰壺，即有兩次擲球機(jī)會(huì)．兩隊(duì)按一壘、二壘、三壘及主力隊(duì)員的順序交替擲球.在一名隊(duì)員擲球時(shí)，由本隊(duì)兩名隊(duì)員手持毛刷在冰壺滑行的前方快速左右擦刷冰面使冰壺能準(zhǔn)確到達(dá)營(yíng)壘的中心．同時(shí)對(duì)方的隊(duì)員為使冰壺遠(yuǎn)離圓心，也可在冰壺的前面擦掃冰面．隊(duì)員投擲時(shí)，身體下蹲，蹬冰腳踏在起蹬器上用力前蹬，使身體跪式向前滑行，同時(shí)手持冰壺從本壘圓心推壺向前.至前衛(wèi)線時(shí)，放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營(yíng)壘中心．?dāng)S壺隊(duì)員在力求將冰壺滑向圓心的同時(shí)，也可在主力隊(duì)員的指揮下用冰壺將對(duì)方的冰壺撞出營(yíng)壘或?qū)?chǎng)上本方的冰壺撞向營(yíng)壘圓心．最后當(dāng)雙方隊(duì)員擲完所有冰壺后，以場(chǎng)地上冰壺距離營(yíng)壘圓心的遠(yuǎn)近決定勝負(fù)，每壺1分，積分多的隊(duì)為勝．場(chǎng)地布局如圖1所示.

圖1

2 關(guān)于冰壺運(yùn)動(dòng)的三個(gè)考查熱點(diǎn)

做為一名新課程下的備考生，不僅要關(guān)注這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)，還要從物理學(xué)的角度來深入理解，因?yàn)樗鼌R集了變速運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能定理、動(dòng)量守恒定律等力學(xué)精華所在．下面筆者將從三個(gè)方面來總結(jié)關(guān)于冰壺運(yùn)動(dòng)的考查熱點(diǎn)．

2.1 單質(zhì)點(diǎn)兩過程問題

根據(jù)冰壺運(yùn)動(dòng)的刷冰規(guī)則，擲壺方之刷冰員可在兩圓心線間為己方任何在移動(dòng)中之水壺前方刷冰，但在圓心線之后，每隊(duì)僅有一名球員可為己方之冰壺刷冰，且僅有主將可為對(duì)方之冰壺刷冰．因?yàn)樗⒈?，冰面的摩擦因?shù)會(huì)變化，所以在冰壺運(yùn)動(dòng)中，冰壺的運(yùn)動(dòng)過程往往是多過程的.在高考的考查中，單質(zhì)點(diǎn)多過程的題目就成為了熱點(diǎn)，解決這類考題的方法可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，但稍麻煩；而采用動(dòng)能定理，過程相對(duì)簡(jiǎn)單，在考試中更值得推薦．

【例1】(2009年高考寧夏、遼寧卷第24題)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?。O(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)可減少至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2 m/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，運(yùn)動(dòng)員用毛刷擦冰面的長(zhǎng)度應(yīng)為多少？(g取10 m/s2)

圖2

解析：設(shè)冰壺在未被毛刷擦過的冰面上滑行的距離為s1，所受摩擦力的大小為f1，在被毛刷擦過的冰面上滑行的距離為s2，所受摩擦力的大小為f2，則有

s1+s2=s

f1=μ1mg

f2=μ2mg

式中s為投擲線到圓心O的距離．

設(shè)冰壺的初速度為v0，由功能關(guān)系，得

聯(lián)立以上各式，解得

代入數(shù)據(jù)得

s2=10 m

點(diǎn)評(píng)：此類問題在高考中頗受重視.動(dòng)能定理作為力學(xué)的精華所在，考查的頻率相對(duì)較高.考生需認(rèn)真閱讀題目，理解題意，將它轉(zhuǎn)化為平時(shí)熟悉的物理模型，正確應(yīng)用動(dòng)能定理，細(xì)心求解．

2.2 變力問題

由于隊(duì)員擲壺時(shí)，身體下蹲，蹬冰腳踏在起蹬器上用力前蹬，使身體跪式向前滑行.同時(shí)手持冰壺從本壘圓心推壺向前，至前衛(wèi)線時(shí)，必須放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營(yíng)壘中心．運(yùn)動(dòng)員為了提高擲壺的質(zhì)量，必須調(diào)整好心態(tài)，控制好力度，擲壺的過程往往是變力作用的．這個(gè)過程也往往成為考查的一個(gè)熱點(diǎn)．

【例2】(2009年高考重慶卷第23題)2009年中國(guó)女子冰壺隊(duì)首次獲得了世界錦標(biāo)賽冠軍，這引起了人們對(duì)冰壺運(yùn)動(dòng)的關(guān)注．冰壺在水平冰面上的一次滑行可簡(jiǎn)化為如下過程.如圖3，運(yùn)動(dòng)員將靜止于O點(diǎn)的冰壺(視為質(zhì)點(diǎn))沿直線OO′推到A點(diǎn)放手，此后冰壺沿AO′滑行，最后停于C點(diǎn)．已知冰面與各冰壺間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，冰壺質(zhì)量為m，AC=L，CO′=r,重力加速度為g.

圖3

(1)冰壺在A點(diǎn)的速率；

(2)冰壺從O點(diǎn)到A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中受到的沖量大?。?/p>

(3)若將BO′段冰面與冰壺間的動(dòng)摩擦因數(shù)減小為0.8μ，原只能滑到C點(diǎn)的冰壺能停于O′點(diǎn)，求A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的距離．

解析：(1)對(duì)冰壺，從A點(diǎn)放手到停止于C點(diǎn).設(shè)在A點(diǎn)時(shí)的速度為v1，應(yīng)用動(dòng)能定理有

解得

(2)對(duì)冰壺，從O到A，設(shè)冰壺受到的沖量為I，應(yīng)用動(dòng)量定理有

I=mv1-0

解得

(3)設(shè)AB之間距離為s，對(duì)冰壺，從A到O′的過程，應(yīng)用動(dòng)能定理

解得

s=L-4r

補(bǔ)充：本題中的第(2)問筆者做了以下修改：

(1)假設(shè)推壺過程運(yùn)動(dòng)員沿水平方向施力，求冰壺從O點(diǎn)到A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)員做了多少功.(如圖4所示)

圖4

解析：(1)對(duì)冰壺，從O到A，用動(dòng)能定理

解得

WF=μmg(L+r)

(2)用動(dòng)量定理

點(diǎn)評(píng)：動(dòng)量定理和動(dòng)能定理可以較方便地解決變力作用下的問題．

2.3 碰撞問題

為了占據(jù)有利形勢(shì)，擲壺隊(duì)員常常用冰壺將對(duì)方的冰壺撞出營(yíng)壘或?qū)?chǎng)上本方的冰壺撞向營(yíng)壘圓心．這類擊壺在專業(yè)術(shù)語(yǔ)中稱為：敲退擊石、晉升擊石、精彩擊石等等．這種擊壺就涉及到物理學(xué)中的碰撞問題，需用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律的相關(guān)知識(shí)以求解．

【例3】圖1是新興的冰上體育比賽“冰壺運(yùn)動(dòng)”的場(chǎng)地(水平冰面)示意圖.若要本隊(duì)獲勝，則需要推出的冰壺使其停留在以O(shè)為圓心的圓心線之內(nèi)，并把對(duì)手的冰壺?fù)舫鰣A心壘之外．已知圓心線半徑r=0.6 m，而圓壘的半徑R=1.8 m.在某次比賽中，甲隊(duì)隊(duì)員以速度v01=3 m/s將質(zhì)量為m=19 kg的冰壺從左側(cè)欄線A處向右推出，冰壺沿中心線運(yùn)動(dòng)并恰好停在O處；乙隊(duì)隊(duì)員以速度v02=5 m/s將質(zhì)量M=20 kg的冰壺也從A處向右推出，冰壺也沿中心線運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)并和甲隊(duì)冰壺發(fā)生碰撞.設(shè)兩個(gè)冰壺均可看成質(zhì)點(diǎn)且碰撞前后均沿中心線運(yùn)動(dòng)，不計(jì)碰撞時(shí)的動(dòng)能損失，兩個(gè)冰壺與水平冰面的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，g取10 m/s2.

(1)求冰壺與水平冰面間的動(dòng)摩擦因數(shù)；

(2)乙隊(duì)的冰壺能否停在圓心線區(qū)域之內(nèi)并把甲隊(duì)冰壺?fù)舫鰣A心壘之外從而取勝?請(qǐng)通過計(jì)算得出結(jié)論．

解析：(1)對(duì)甲隊(duì)運(yùn)動(dòng)員推出的冰壺有

解得

(2)設(shè)乙隊(duì)運(yùn)動(dòng)員推出的冰壺運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)時(shí)的速度為v2，則有

解得

v2=4 m/s

兩冰壺碰撞后，設(shè)甲隊(duì)冰壺的速度v1′，乙隊(duì)冰壺速度為v2′，則由動(dòng)量守恒定律得

Mv2=Mv2′+mv1′

由能量守恒定律得

解得

碰撞后，對(duì)甲隊(duì)冰壺

對(duì)乙隊(duì)冰壺

由于s1>R=1.8 m，s2

點(diǎn)評(píng)：本題涉及到物理中的一維彈性碰撞，考查了動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律．其實(shí)在冰壺運(yùn)動(dòng)中還有很多二維碰撞(斜碰)，專業(yè)術(shù)語(yǔ)中的“削剝擊石”就是二維碰撞，這類題目更加復(fù)雜，也值得關(guān)注．

透過現(xiàn)象看本質(zhì)，我們只有熟練掌握物理中的力與運(yùn)動(dòng)、功和能、動(dòng)量守恒定律等知識(shí)，才能對(duì)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)作出準(zhǔn)確的解釋；所以冰壺運(yùn)動(dòng)作為高考熱點(diǎn)也就順理成章了．