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2025年高考物理總復(fù)習(xí)北京冬奧會(huì)中的物理考點(diǎn)速收藏冰刀與熔點(diǎn)冰刀是冰上運(yùn)動(dòng)的核心裝備之一,速度滑冰、花樣滑冰、冰球運(yùn)動(dòng)都離不開(kāi)冰刀。了解滑冰的人都知道,冰刀的刀刃是比較鋒利的,甚至說(shuō)是比較危險(xiǎn)的。2010溫哥華冬奧會(huì)女子3000米接力賽,中國(guó)代表隊(duì)勇奪金牌,在隊(duì)員們忘情慶祝,與教練擁抱過(guò)程中,王濛無(wú)意間給隊(duì)友破了相,隊(duì)友張會(huì)的臉被割傷,事后縫了十針。

你去網(wǎng)上搜一下“冰刀劃傷”就會(huì)發(fā)現(xiàn),冰刀傷人的案例在賽場(chǎng)上,甚至是訓(xùn)練場(chǎng)上時(shí)常發(fā)生。那么問(wèn)題來(lái)了,既然危險(xiǎn),為什么要把冰刀做的這么鋒利呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),冰刀設(shè)計(jì)的很薄,首先是為了蹬冰啟動(dòng)、加速時(shí)的抓地力。畢竟刀刃是嵌入冰里的,蹬冰時(shí)可以提供一個(gè)垂直于冰刀的反作用力。除此之外,最常見(jiàn)的解釋是:增大與冰面的壓強(qiáng)從而降低冰的熔點(diǎn),使得接觸點(diǎn)的冰熔化成水膜從而減小摩擦。知識(shí)點(diǎn)1

干摩擦與濕摩擦干摩擦是發(fā)生在固體與固體之間的摩擦,濕摩擦是發(fā)生在固體與液體或氣體之間的摩擦,相同壓力下,后者的摩擦系數(shù)比前者小很多。比如,為了減小機(jī)械之間的摩擦,工業(yè)上通常會(huì)加潤(rùn)滑油,這就是利用濕摩擦較小的特點(diǎn)。再比如,剛被濕拖把清掃過(guò)的地面非常的滑,也是因?yàn)榱祟愃频脑怼1谋砻?,比大多?shù)的物體表面都要光滑(據(jù)說(shuō)表層有一層很薄的水膜),但是對(duì)于滑冰而言還不夠,如果能在冰的表面撒一層水,其摩擦系數(shù)會(huì)進(jìn)一步減小。但現(xiàn)在存在一個(gè)問(wèn)題,如果真的在低溫冰面上灑水,水也會(huì)很快凝固。那怎么辦呢?總不能在冰面上灑潤(rùn)滑油吧?

這時(shí)候就需要第二個(gè)知識(shí)點(diǎn)幫你解答。知識(shí)點(diǎn)2

冰的熔點(diǎn)與壓強(qiáng)對(duì)于冰這種晶體來(lái)講,熔化時(shí)體積是變小的,在壓強(qiáng)比較大的時(shí)候,水更傾向變?yōu)轶w積更小的液態(tài),換句話說(shuō)其熔點(diǎn)會(huì)降低。這一點(diǎn),可以從水的三相圖中得到答案。冰刀之所以做得鋒利,是為了通過(guò)減小受力面積從而增大與冰面的壓強(qiáng),如此原來(lái)接觸點(diǎn)部分的冰熔點(diǎn)降低會(huì)迅速熔化,從而起到潤(rùn)滑作用。劃過(guò)的冰面,因?yàn)楸秾?duì)冰面壓強(qiáng)的消失熔點(diǎn)回升,熔化后的水又迅速結(jié)冰了,這就是復(fù)冰現(xiàn)象。在初中物理課中,老師可能會(huì)演示一個(gè)叫做“繩子穿冰塊”的物理實(shí)驗(yàn)。02:242:24這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,被繩子勒住的地方壓強(qiáng)大,接觸處的冰因熔點(diǎn)降低而熔化,當(dāng)繩子穿過(guò)之后熔點(diǎn)回升又重新凝固了。拓展知識(shí)

捏雪球你想過(guò)沒(méi)有,原本松軟的雪,為什么捏一下就可以變成硬的雪球?雪是微小的冰晶,受到外部擠壓時(shí)熔點(diǎn)降低,發(fā)生熔化。捏成雪球后不再給它壓力,熔化的部分又重新結(jié)冰,把其余沒(méi)有融化的凍結(jié)成型,所以捏好后的雪球可以保持形狀。滾雪球時(shí)也是利用雪球本身重力,實(shí)現(xiàn)雪“熔化”→“凝固”的過(guò)程。花樣滑冰與角動(dòng)量守恒花樣滑冰是一項(xiàng)集優(yōu)雅,舞姿以及體育技巧于一體的極具觀賞性體育項(xiàng)目,選手往往在優(yōu)美的音樂(lè)和高度的滑行中做個(gè)各種高難度的動(dòng)作。

花樣滑冰里最有趣的物理現(xiàn)象是:運(yùn)動(dòng)員原地旋轉(zhuǎn)時(shí),雙手展開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)速不快,但將手收近身體時(shí)旋轉(zhuǎn)速度會(huì)越來(lái)越快。這是為什么?這里面涉及到的物理概念有:角速度、角動(dòng)量、角動(dòng)量守恒。知識(shí)點(diǎn)1

角速度角速度是圓周運(yùn)動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)在Δt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角為Δθ,即為描述物體繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢的物理量,用符號(hào)ω表示。知識(shí)點(diǎn)2

角動(dòng)量角動(dòng)量是指質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量p對(duì)O點(diǎn)之動(dòng)量矩(通常稱為角動(dòng)量),簡(jiǎn)記為L(zhǎng)。當(dāng)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其角動(dòng)量等于:其中的

J

為剛體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,有時(shí)也用

I

表示。這里需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然不同形狀的剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法不同,但從下表能看出,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與旋轉(zhuǎn)半徑r有關(guān),r變大時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也變大。注:角動(dòng)量知識(shí)點(diǎn)是大學(xué)才學(xué)到的。知識(shí)點(diǎn)3

角動(dòng)量守恒如果物體所受合外力矩等于零,或者不受外力矩作用,物體的角動(dòng)量保持不變,這個(gè)結(jié)論叫做角動(dòng)量守恒。用以上原理,咱們來(lái)解釋花滑旋轉(zhuǎn)模型:在光滑的冰面上旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí),若忽略摩擦力、空氣阻力,那么初始的角動(dòng)量視為固定值,初始手臂伸展轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I。在身體收緊時(shí),就是將旋轉(zhuǎn)半徑r變小的過(guò)程,即轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小,根據(jù)角動(dòng)量守恒,角速度自然就變大,所以就轉(zhuǎn)的越來(lái)越快啦!這個(gè)神奇的原理,不懂滑冰的人也可以體驗(yàn)一下:一個(gè)人坐在能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的凳子(轉(zhuǎn)臺(tái))上,手握啞鈴或其他重物,開(kāi)始時(shí)平舉雙臂,使人和凳子一起以某固定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。然后人迅速收縮雙臂,這時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)人轉(zhuǎn)的更快了!

值得一提的是,在2020年12月9日的中國(guó)空間站《天宮課堂》上,航天員葉光富也做了一個(gè)角動(dòng)量實(shí)驗(yàn);

張開(kāi)雙臂,轉(zhuǎn)得慢;縮回雙臂,轉(zhuǎn)得快。在失重環(huán)境中轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有摩擦力影響,這個(gè)實(shí)驗(yàn)更加容易成功,這可能是世界上最標(biāo)準(zhǔn)的角動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)了,好羨慕哦~

冰壺比賽為什么要擦地?冰壺可稱其之為集技巧與智慧于一體的體育運(yùn)動(dòng),被大家譽(yù)為冰上的“國(guó)際象棋”。中國(guó)冰壺隊(duì)于2003年成立,短短十幾年的發(fā)展中成績(jī)斐然。老規(guī)矩,聊一下冰壺運(yùn)動(dòng)中的物理知識(shí)。知識(shí)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(xì)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)程被稱之為“打點(diǎn)”。而這樣做的原因讓人費(fèi)解——為了減小摩擦。WHAT?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(shù)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(shí)點(diǎn),曾經(jīng)講過(guò),即“熔點(diǎn)與壓強(qiáng)”。因?yàn)楸鶋睾艹?,大約20千克一個(gè),壺底是平面,中心凹進(jìn)去一點(diǎn),放到鋪滿小冰粒的冰面上,接觸點(diǎn)的壓強(qiáng)很大,導(dǎo)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(xiàn)這樣的結(jié)果:冰壺底面中間內(nèi)凹,四周接觸部分的冰熔化后,整個(gè)冰壺會(huì)如同吸盤一樣“吸”在冰面上。知識(shí)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(duì)員表情嚴(yán)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(duì)手冰壺,穩(wěn)穩(wěn)旋進(jìn)圓心,隊(duì)員歡呼······問(wèn)題來(lái)了,運(yùn)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(zhuǎn)更少并滑得更遠(yuǎn)。而刷冰面的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)會(huì)被稱作“冰上象棋”的原因。知識(shí)點(diǎn)3

冰壺撞擊與動(dòng)量守恒對(duì)于普通觀眾而言,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(xiàn)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(tǒng)不受外力或所受外力之和為零,這個(gè)系統(tǒng)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。多說(shuō)無(wú)益,做一道簡(jiǎn)單的物理題:速度滑冰“壓彎”的原因本部分難度最大,而涉及到的比賽項(xiàng)目是中國(guó)冬奧會(huì)隊(duì)伍的強(qiáng)勢(shì)“奪金點(diǎn)”——短道速滑。了解冬奧會(huì)的人都知道,中國(guó)的短道速滑隊(duì)?wèi)?zhàn)績(jī)輝煌,堪稱中國(guó)隊(duì)在冬奧會(huì)上的“王者之師"。中國(guó)短道速滑隊(duì)2002年美國(guó)鹽湖城冬奧會(huì),中國(guó)女子短道速滑運(yùn)動(dòng)員楊揚(yáng)獲得500米、1000米冠軍,這是中國(guó)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(guó)女子短道速滑隊(duì),包攬了女子500米、1000米、1500米和3000米接力女子短道速滑項(xiàng)目的全部四枚金牌,創(chuàng)造了歷史。2018年平昌冬奧會(huì),中國(guó)短道速滑隊(duì)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(yùn)動(dòng)員們的“彎道”超車,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(duì)于速滑運(yùn)動(dòng)員非常重要。運(yùn)動(dòng)員們過(guò)彎道時(shí),身體總是大幅度向內(nèi)傾斜,一邊的身體幾乎貼著地面。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(shí)點(diǎn)1

力平衡運(yùn)動(dòng)員滑冰轉(zhuǎn)彎看作圓周運(yùn)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↓↓↓因此在水平方向上,摩擦力f等于離心力v2m/r。知識(shí)點(diǎn)2

力矩平衡除了力的平衡分析,接下來(lái)還要對(duì)力矩平衡進(jìn)行分析。如果滑冰轉(zhuǎn)彎時(shí)人的身體是直立的,上半身會(huì)因?yàn)閼T性會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)而被“甩出去”。你肯定有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn):車轉(zhuǎn)彎時(shí),車內(nèi)的乘客容易向外傾倒,這時(shí)候一般人的上半身會(huì)不自覺(jué)的向內(nèi)傾斜做出“抵抗”。不僅僅是滑冰運(yùn)動(dòng)員,摩托車過(guò)彎時(shí)也有明顯“壓彎”現(xiàn)象。如圖,為了保持平衡,以冰刀和地面接觸點(diǎn)為圓心,重力的力矩應(yīng)該等于離心力的力矩。

一通推導(dǎo)完畢,你會(huì)得到上面的式子↑↑↑可以看出,如果轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度很大,為了不被甩出去有兩種方法:①增大轉(zhuǎn)彎半徑r:這

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