上海高中物理-體育運(yùn)動中的力學(xué)問題

上海高中物理一一體育運(yùn)動中的力學(xué)問題豐富多彩的體育運(yùn)動與物理知識有著密切的聯(lián)系，能否用科學(xué)的觀點(diǎn)來審視體育運(yùn)動中的有關(guān)問題，是對學(xué)生科學(xué)文化素質(zhì)的一種檢驗(yàn)。由于學(xué)生對各種體育運(yùn)動均有直觀感受，有關(guān)情境較易理解，容易喚起學(xué)生的興奮點(diǎn)，因此近年來高考常以體育運(yùn)動為知識背景命題，學(xué)以致用，以便考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析、解決實(shí)際問題的能力。以體育運(yùn)動為背景的試題，涉及到中學(xué)物理的知識有：質(zhì)點(diǎn)、勻速直線運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、平拋運(yùn)動、圓周運(yùn)動、牛頓運(yùn)動定律、動量定理、功能關(guān)系等。本文結(jié)合近幾年的高考物理試題做一解析，供同學(xué)們復(fù)習(xí)參考。一、蹦極運(yùn)動例1“蹦極”運(yùn)動是勇敢者的運(yùn)動，蹦極運(yùn)動員將彈性長繩系在雙腳上，彈性繩的另一端固定在高處的跳臺上，運(yùn)動員從跳臺上跳下后，會在空中上下往復(fù)多次，最后停在空中，如果把運(yùn)動員視為質(zhì)點(diǎn)，忽略運(yùn)動員起跳時(shí)的初速度和水平方向的運(yùn)動，把運(yùn)動員、彈性繩、地球作為一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)動員從跳臺上跳下后，以下說法正確的是（ ）（1）第一次反彈后上升的最大高度一定低于跳臺的高度（2）第一次下落到最低位置處系統(tǒng)的動能為零，彈性勢能最大（3）跳下后系統(tǒng)動能最大時(shí)刻的彈性勢能為零（4）最后運(yùn)動員停在空中時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能最?。ˋ）（1）（3） （B）（2）（3） （C）（3）（4） （D）（1）（2）（4）解析由于運(yùn)動過程中不斷克服空氣阻力做功，系統(tǒng)的機(jī)械能不斷減少，所以Q）（4）正確，第一次下落到最低處速度為零，動能為零，彈性繩伸長量最大，彈性勢能最大，（2）正確，故選（D）。評注“蹦極”運(yùn)動囊括了整個(gè)力學(xué)的精華部分，通過對其深入研究，不僅能夠把力學(xué)知識串聯(lián)起來，而且可以借此培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力和解決實(shí)際問題的能力，可收到良好的復(fù)習(xí)檢測效果。二、跳水運(yùn)動例2—跳水運(yùn)動員從離水面10m高的平臺上躍起，舉雙臂直體離開臺面，此時(shí)其重心位于從手到腳全長的中點(diǎn)，躍起后重心升高0.45m達(dá)到最高點(diǎn)。落水時(shí)身體豎直，手先入水（在此過程中運(yùn)動員水平方向的運(yùn)動忽略不計(jì)），從離開跳臺到手觸水面，他可以用于完成空中動作的時(shí)間是 s（計(jì)算時(shí)可以把運(yùn)動員看作全部質(zhì)量集中在重心的一個(gè)點(diǎn)，取結(jié)果保留二位有效數(shù)字）。解析運(yùn)動員的跳水過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，主要是豎直方向的上下運(yùn)動，但也有水平方向的運(yùn)動，更有運(yùn)動員做的各種動作。構(gòu)建運(yùn)動模型，應(yīng)抓住主要因素?，F(xiàn)在要討論的是運(yùn)動員在空中的運(yùn)動時(shí)間，這個(gè)時(shí)間從根本上講與運(yùn)動員所做的動作以及水平運(yùn)動無關(guān)，應(yīng)由豎直分運(yùn)動決定，因此忽略運(yùn)動員的動作，把運(yùn)動員當(dāng)成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)忽略他的水平運(yùn)動，當(dāng)然，這兩點(diǎn)題目都作了說明，所以一定程度上，“建?！钡囊笠呀?jīng)有所降低，但我們應(yīng)該理解這樣處理的原因。這樣，我們把問題提煉成了質(zhì)點(diǎn)作豎直上拋運(yùn)動的物理模型。國1國1在定性的把握住物理模型之后，應(yīng)把這個(gè)模型細(xì)化，使之更清晰，可畫出示意圖如圖1。由圖可知，運(yùn)動員作豎直上拋運(yùn)動，上升高度h=0.45m；從最高點(diǎn)下降到手觸到水面，下降的高度為H=10.45m.下面分段處理該運(yùn)動。運(yùn)動員躍起上升的時(shí)間為2kg=0.3s2kg=0.3s從最高點(diǎn)下落至手觸水面，所需時(shí)間為2hg2x10.45…2hg2x10.45… 日1,4s10所以運(yùn)動員在空中用于完成動作的時(shí)間約為*=?+與=X1S評注本題以“跳臺跳水”為背景，要求考生對簡化后的過程進(jìn)行定量分析。解決問題的關(guān)鍵是認(rèn)真閱讀試題信息，將題目描述的過程抽象成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的豎直上拋運(yùn)動過程。三、原地跳起例3 （2005年高考理綜物理試題）原地跳起時(shí)，先屈腿下蹲，然后突然蹬地，從開始蹬地到離地是加速過程（視為勻加速），加速過程中重心上升的距離稱為“加速距離”，離地后重心繼續(xù)上升，在此過程中重心上升的最大距離稱為“豎直高度”，現(xiàn)有下列數(shù)據(jù)：人原地上跳的“加速距離”LS d1=O.50m,“豎直高度"血1=1°都；跳蚤原地上跳的“加速距離”出二0000S0^，“豎直高度”，

%=0.10端。假想人具有與跳蚤相等的起跳加速度，而“加速距離”仍為0.50m。則人上跳的“豎直高度”是多少？解析設(shè)跳蚤起跳的加速度為口，離地時(shí)的速度為□，則對加速過程和離地后上升過程分別有v2=2ad2,v2=2gh2若假想人具有和跳蚤相同的加速度a,在這種假想下人離地時(shí)的速度為V,與此相應(yīng)的豎直高度為H,則對加速過程和離地后上升過程分別有爐==2gH由以上各式可得 /代入數(shù)值，得 用=62.5附評注本題取材于跳蚤原地起跳的仿生學(xué)問題。題述已作了簡化處理，將起跳過程看成是向上的勻加速起動和起跳后的豎直上拋運(yùn)動，連接兩階段的物理量是速度。試題富有時(shí)代感，不偏不怪，很好地考查了學(xué)生靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識，聯(lián)想遷移的思維能力，不失為一道“起點(diǎn)高、落點(diǎn)低”的好題。四、蹦床運(yùn)動例4蹦床是運(yùn)動員在一張繃緊的彈性網(wǎng)上蹦跳、翻滾并做各種空中動作的運(yùn)動項(xiàng)目。一個(gè)質(zhì)量為60kg的運(yùn)動員，從離水平網(wǎng)面3.2m高處自由落下，著網(wǎng)后沿豎直方向蹦回到離水平網(wǎng)面5.0m高處。已知運(yùn)動員與網(wǎng)接觸的時(shí)間為1.2s。若把在這段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)對運(yùn)動員的作用力當(dāng)作恒力處理，求此力的大小。解析將運(yùn)動員看成質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，從高“1處下落，剛接觸網(wǎng)時(shí)的速度的大小匕二歷侗下）①彈跳后到達(dá)的高度為剛離網(wǎng)時(shí)的速度的大小彈跳后到達(dá)的高度為剛離網(wǎng)時(shí)的速度的大小V2=接觸過程中運(yùn)動員受到向下的重力mg和網(wǎng)向上的彈力F。選取豎直向上為正方向，由動量定理，得金一堿八明內(nèi)一（一叫）③i小河+質(zhì)由以上三式解得 ￡代入數(shù)值得77=15x10N評注本題以“蹦床”為背景，要求學(xué)生對簡化后的物理過程進(jìn)行定量分析，并認(rèn)真閱讀題中的信息，將運(yùn)動員和蹦床的接觸、分離過程抽象為一個(gè)碰撞過程，并進(jìn)行理想化處理。解題時(shí)還需注意動量定理表達(dá)式的矢量性。五、排球運(yùn)動例5某排球運(yùn)動員站在離網(wǎng)3m線上，正對網(wǎng)前跳起將球水平擊出（不計(jì)空氣阻力），擊球點(diǎn)的高度為2.5m,如圖2所示。已知排球場總長為18m,網(wǎng)高度為2m。試問擊球的速度在什么范圍內(nèi)才能使球既不觸網(wǎng)也不越界？圖？4 Fq圖？4 Fqasre解析球被擊后的運(yùn)動可以看作平拋運(yùn)動。當(dāng)球剛好觸網(wǎng)而過時(shí)，餐二3*飛行時(shí)間vx=—=3 ^/￡下限速度 ‘1當(dāng)球剛好打在邊界線上時(shí)，x當(dāng)球剛好打在邊界線上時(shí)，x2=12m故為應(yīng)滿足：^/sZv0<12^/s評注排球是學(xué)生很熟悉的一項(xiàng)日常體育運(yùn)動，排球被水平擊出后做平拋運(yùn)動，當(dāng)水平速度較小時(shí)，水平射程較小，可能觸網(wǎng)；當(dāng)水平速度較大時(shí)，水平射程較大，可能越界，所以為存在一個(gè)范圍。對排球恰好觸網(wǎng)和壓線這兩種臨界狀態(tài)進(jìn)行分析，求出擊球速度的臨界值是求解本題時(shí)的關(guān)鍵。六、雜技表演例6（2005年高考理綜物理試題）如圖3所示，一對雜技演員（都視為質(zhì)點(diǎn)）乘秋千（秋千繩處于水平位置）從A點(diǎn)由靜止出發(fā)繞O點(diǎn)下擺，當(dāng)擺到最低點(diǎn)B時(shí)，女演員在極短時(shí)間內(nèi)將男演員沿水平方向推出。然后自己剛好能回到高處A。求男演員落地點(diǎn)C與0點(diǎn)的水平距離$。已知男演員質(zhì)量活1。和女演員質(zhì)量明口之比加^口=2,秋千的質(zhì)量不計(jì)，秋千的擺長為R,C點(diǎn)比O點(diǎn)低5R。1313解析設(shè)分離前男女演員在秋千最低點(diǎn)B的速度為“，由機(jī)械能守恒定律12（溶1 =5（即1+溶設(shè)剛分離時(shí)男演員速度的大小為巧，方向與也相同；女演員速度的大小為內(nèi)，方向與也相反，據(jù)動量守恒，有（響+?。_二遍n「叫巴分離后，男演員做平拋運(yùn)動，設(shè)男演員從被推出到落在C點(diǎn)所需的時(shí)間為t,根據(jù)題給條件，由運(yùn)動1飛AR=—或，s=yj學(xué)規(guī)律2m2m2gR=^m2根據(jù)題給條件，女演員剛好回到A點(diǎn)，由機(jī)械能守恒定律已知明1：溶口=2,由以上各式可得s=8R。評注本題考查了學(xué)生將實(shí)際的雜技表演抽象為物理過程情境，建立物理模型的能力，涉及到的物理知識有：機(jī)械能守恒定律、動量守恒定律、平拋運(yùn)動的規(guī)律等。七、滑水板運(yùn)動例7在電視節(jié)目中，我們?？吹揭环N精彩而刺激的水上運(yùn)動——滑水運(yùn)動，如圖4所示，運(yùn)動員在快艇的水平牽引下，腳踏傾斜滑板在水上滑行，運(yùn)動員在水上優(yōu)美灑脫的身姿，嫻熟的技術(shù)，如行云流水，給人以美的享受，我們常會為運(yùn)動員精彩的表演而喝彩。運(yùn)動員在快艇的水平牽引下腳踏傾斜滑板在水上勻速滑行，設(shè)滑板光滑，滑板的滑水面積為S?；迮c水平方向的夾角為巴水的密度為p,不計(jì)空氣阻力。理論研究表明：水對滑板的作用力大小“"中即?1n°日，方向垂直于板面，式中v為快艇的牽引速度。若運(yùn)動員受的重力為G,則快艇的水平牽引速度v,應(yīng)多大？解析快艇的牽引速度與運(yùn)動員的速度是相等的，要求快艇的牽引速度，應(yīng)該如何選取研究對象呢？只能選滑板與運(yùn)動員整體作為研究對象，對這個(gè)研究對象進(jìn)行受力分析，并畫出受力圖，滑板與運(yùn)動員共受到三個(gè)力的作用，重力G,水對滑板的彈力N（N的方向與滑板垂直）及繩子對運(yùn)動員所受的拉力F,水對滑板的阻力不計(jì)。因?yàn)榭焱ё鰟蛩龠\(yùn)動，所以滑板與運(yùn)動員所受的合力必為零。對此研究對象建立平衡方程，即可求出快艇的水平牽引速度的大小。選滑板和運(yùn)動員整體為研究對象，其受力情況如圖乙所示，由平衡條件得國 ①由題意知“二都—白②將②代入①得日評注本題涉及到的問題情景是“快艇滑水”。解題時(shí)，應(yīng)注意利用題中提供的已知信息：“水對板的