以“冰壺”為素材命制高中物理試題的研究

冰壺是冬奧會正式比賽項目，場地如圖1。比賽時一隊員手持冰壺，用腳蹬起滑架，獲得一初速度，滑至投擲線時釋放冰壺。這時同隊另兩名隊員手持毛刷，可在冰壺運行的前方用力左右擦刷冰面，以減小冰壺與冰面間的動摩擦因數，使其滑行較遠并準確到達圓壘，獲得積分。但是冰壺進入圓壘后，對方隊員有權在冰壺的前方繼續擦刷冰面，使其滑行更遠，沖出圓壘。為獲取最終勝利，運動員在力求將冰壺投向圓壘的同時，也可根據需要，將己方場地上的冰壺撞進圓壘或將對方冰壺撞出圓壘。

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，冰壺運動包含了豐富的物理知識和物理過程:人對其做功過程，在冰面上減速滑行過程，動摩擦因數的變化過程，冰壺間的碰撞過程。選其為素材命制高中物理試題，可對摩擦力、做功與動能變化的關系、力與運動的關系、勻變速運動的規律、動量守恒定律等知識進行考查，從而培養學生從實際問題中抽象出物理模型以及分析物理過程的能力，現舉二例說明。

1 對動能定理的考查

例1 (2009遼寧、寧夏24)冰壺比賽是在水平冰面上進行的體育項目，比賽場地示意如圖2。比賽時，運動員從起滑架處推著冰壺出發，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，運動員可以用毛刷擦冰壺運行前方的冰面，使冰壺與冰面間的動摩擦因數減小。設冰壺與冰面間的動摩擦因數為μ1=0.008，用毛刷擦冰面后動摩擦因數減少至μ2=0.004。在某次比賽中，運動員使冰壺C在投擲線中點處以2m/s的速度沿虛線滑出。為使冰壺C能夠沿虛線恰好到達圓心O點，運動員用毛刷擦冰面的長度應為多少?(g取10m/s2)

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