淺析高考試題中的冰壺運動

羅振國

(泉州市石獅一中 福建 泉洲 362700)

隨著中國女子冰壺隊在2008年冬奧賽場上高歌猛進，冰壺運動也逐漸成為觀眾關注的熱點；物理做為一門廣泛聯系生活實際的學科，自然也不例外.2009年的高考試題中，也對這項過去鮮為人知的運動進行了考查．作為新課程下的高中生，更應積極地關注這項集智力、心態和配合于一體的高智商運動項目中的物理知識．

1 冰壺簡介

冰壺(Curling)，又稱擲冰壺、冰上溜石，是以團隊為單位在冰上進行的一種投擲性競賽項目.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，每場由兩支球隊對抗進行，每隊由4名球員組成．比賽共進行10局，每局中兩隊每名球員均有兩個冰壺，即有兩次擲球機會．兩隊按一壘、二壘、三壘及主力隊員的順序交替擲球.在一名隊員擲球時，由本隊兩名隊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確到達營壘的中心．同時對方的隊員為使冰壺遠離圓心，也可在冰壺的前面擦掃冰面．隊員投擲時，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，同時手持冰壺從本壘圓心推壺向前.至前衛線時，放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營壘中心．擲壺隊員在力求將冰壺滑向圓心的同時，也可在主力隊員的指揮下用冰壺將對方的冰壺撞出營壘或將場上本方的冰壺撞向營壘圓心．最后當雙方隊員擲完所有冰壺后，以場地上冰壺距離營壘圓心的遠近決定勝負，每壺1分，積分多的隊為勝．場地布局如圖1所示.

圖1

2 關于冰壺運動的三個考查熱點

做為一名新課程下的備考生，不僅要關注這項體育運動，還要從物理學的角度來深入理解，因為它匯集了變速運動、動能定理、動量守恒定律等力學精華所在．下面筆者將從三個方面來總結關于冰壺運動的考查熱點．

2.1 單質點兩過程問題

根據冰壺運動的刷冰規則，擲壺方之刷冰員可在兩圓心線間為己方任何在移動中之水壺前方刷冰，但在圓心線之后，每隊僅有一名球員可為己方之冰壺刷冰，且僅有主將可為對方之冰壺刷冰．因為刷冰后，冰面的摩擦因數會變化，所以在冰壺運動中，冰壺的運動過程往往是多過程的.在高考的考查中，單質點多過程的題目就成為了熱點，解決這類考題的方法可以用牛頓運動定律，但稍麻煩；而采用動能定理，過程相對簡單，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?。O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可減少至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圓心O，運動員用毛刷擦冰面的長度應為多少？(g取10 m/s2)

圖2

解析：設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．

設冰壺的初速度為v0，由功能關系，得

聯立以上各式，解得

代入數據得

s2=10 m

點評：此類問題在高考中頗受重視.動能定理作為力學的精華所在，考查的頻率相對較高.考生需認真閱讀題目，理解題意，將它轉化為平時熟悉的物理模型，正確應用動能定理，細心求解．

2.2 變力問題

由于隊員擲壺時，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.同時手持冰壺從本壘圓心推壺向前，至前衛線時，必須放開冰壺使其自行以直線或弧線軌道滑向營壘中心．運動員為了提高擲壺的質量，必須調整好心態，控制好力度，擲壺的過程往往是變力作用的．這個過程也往往成為考查的一個熱點．

【例2】(2009年高考重慶卷第23題)2009年中國女子冰壺隊首次獲得了世界錦標賽冠軍，這引起了人們對冰壺運動的關注．冰壺在水平冰面上的一次滑行可簡化為如下過程.如圖3，運動員將靜止于O點的冰壺(視為質點)沿直線OO′推到A點放手，此后冰壺沿AO′滑行，最后停于C點．已知冰面與各冰壺間的動摩擦因數為μ，冰壺質量為m，AC=L，CO′=r,重力加速度為g.

圖3

(1)冰壺在A點的速率；

(2)冰壺從O點到A點的運動過程中受到的沖量大小；

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

解析：(1)對冰壺，從A點放手到停止于C點.設在A點時的速度為v1，應用動能定理有

解得

(2)對冰壺，從O到A，設冰壺受到的沖量為I，應用動量定理有

I=mv1-0

解得

(3)設AB之間距離為s，對冰壺，從A到O′的過程，應用動能定理

解得

s=L-4r

補充：本題中的第(2)問筆者做了以下修改：

(1)假設推壺過程運動員沿水平方向施力，求冰壺從O點到A點的運動過程中運動員做了多少功.(如圖4所示)

圖4

解析：(1)對冰壺，從O到A，用動能定理

解得

WF=μmg(L+r)

(2)用動量定理

點評：動量定理和動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

為了占據有利形勢，擲壺隊員常常用冰壺將對方的冰壺撞出營壘或將場上本方的冰壺撞向營壘圓心．這類擊壺在專業術語中稱為：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中的碰撞問題，需用動量守恒定律和能量守恒定律的相關知識以求解．

【例3】圖1是新興的冰上體育比賽“冰壺運動”的場地(水平冰面)示意圖.若要本隊獲勝，則需要推出的冰壺使其停留在以O為圓心的圓心線之內，并把對手的冰壺擊出圓心壘之外．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，甲隊隊員以速度v01=3 m/s將質量為m=19 kg的冰壺從左側欄線A處向右推出，冰壺沿中心線運動并恰好停在O處；乙隊隊員以速度v02=5 m/s將質量M=20 kg的冰壺也從A處向右推出，冰壺也沿中心線運動到O點并和甲隊冰壺發生碰撞.設兩個冰壺均可看成質點且碰撞前后均沿中心線運動，不計碰撞時的動能損失，兩個冰壺與水平冰面的動摩擦因數相同，g取10 m/s2.

(1)求冰壺與水平冰面間的動摩擦因數；

(2)乙隊的冰壺能否停在圓心線區域之內并把甲隊冰壺擊出圓心壘之外從而取勝?請通過計算得出結論．

解析：(1)對甲隊運動員推出的冰壺有

解得

(2)設乙隊運動員推出的冰壺運動到O點時的速度為v2，則有

解得

v2=4 m/s

兩冰壺碰撞后，設甲隊冰壺的速度v1′，乙隊冰壺速度為v2′，則由動量守恒定律得

Mv2=Mv2′+mv1′

由能量守恒定律得

解得

碰撞后，對甲隊冰壺

對乙隊冰壺

由于s1>R=1.8 m，s2

點評：本題涉及到物理中的一維彈性碰撞，考查了動量守恒定律和能量守恒定律．其實在冰壺運動中還有很多二維碰撞(斜碰)，專業術語中的“削剝擊石”就是二維碰撞，這類題目更加復雜，也值得關注．

透過現象看本質，我們只有熟練掌握物理中的力與運動、功和能、動量守恒定律等知識，才能對這項運動作出準確的解釋；所以冰壺運動作為高考熱點也就順理成章了．