Question

9．如圖所示，過山車是一項富有刺激性的娛樂工具．那種風(fēng)馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷．如果你對物理學(xué)感興趣的話，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學(xué)定律．實際上，過山車的運動包含了許多物理學(xué)原理，人們在設(shè)計過山車時巧妙地運用了這些原理．如果能親身體驗一下由能量守恒、加速度和力交織在一起產(chǎn)生的效果，那感覺真是妙不可言．這次同物理學(xué)打交道不用動腦子，只要收緊你的腹肌，保護好腸胃就行了．當(dāng)然，如果你受身體條件和心理承受能力的限制，無法親身體驗過山車帶來的種種感受，你不妨站在一旁仔細(xì)觀察過山車的運動和乘坐者的反應(yīng)．
在剛剛開始時，過山車的小列車是依靠一個機械裝置的推力推上最高點的，但在第一次下行后，就再也沒有任何裝置為它提供動力了．事實上，從這時起，帶動它沿軌道行駛的唯一的“發(fā)動機”將是重力勢能，即由重力勢能轉(zhuǎn)化為動能、又由動能轉(zhuǎn)化為重力勢能這樣一種不斷轉(zhuǎn)化的過程構(gòu)成的．重力勢能是物體因其所處位置而自身擁有的能量，它是由于物體和地球的引力相互作用而產(chǎn)生的．對過山車來說，它的重力勢能在處于最高點時達(dá)到了最大值，也就是當(dāng)它爬升到“山丘”的頂峰時最大．當(dāng)過山車開始下降時，它的重力勢能就不斷地減少（因為高度下降了），但能量不會消失，而是轉(zhuǎn)化成了動能，也就是運動的能量．不過，在能量的轉(zhuǎn)化過程中，由于過山車的車輪與軌道的摩擦而產(chǎn)生了熱量，從而損耗了少量的機械能（動能和重力勢能）．這就是為什么在設(shè)計中隨后的小山丘比開始時的小山丘略矮一點的原因．
過山車最后一節(jié)小車廂里是過山車贈送給勇敢的乘客最為刺激的禮物．事實上，下降的感受在過山車的尾部車廂最為強烈．因為最后一節(jié)車廂通過最高點時的速度比過山車頭部的車廂要快，這是由于過山車中部的重心最高時，重力勢能最大，而當(dāng)尾部到達(dá)最高點時，重心位置已經(jīng)不在最高位置，已經(jīng)有一部分重力勢能轉(zhuǎn)化為動能了．這樣，乘坐在最后一節(jié)車廂的人就能夠快速地達(dá)到和跨越最高點，從而就會產(chǎn)生一種要被拋離的感覺，因為重心正在加速向下運動．尾部車廂的車輪是牢固地扣在軌道上的，否則在到達(dá)頂峰附近時，小車廂就可能脫軌飛出去．中前部的車廂情況就不同了，過山車的重心在“身后”，在短時間內(nèi)，它雖然處在下降的狀態(tài)，但是它要“等待”重心越過高點被重力推動．
（1）過山車上升階段，其重力勢能增加．（填“增加”、“減少”、“不變”）
（2）過山車在軌道的最低處，運動最快，動能最大，說明物體的動能同速度大小相關(guān)．
（3）設(shè)計師所設(shè)計的過山車軌道中，過山車依次通過的豎直回環(huán)的高度一次比一次低的原因是過山車的車輪與軌道的摩擦產(chǎn)生熱量，從而損耗了少量的機械能．
（4）在過山車運行起來以后，坐在過山車不同位置的乘客，通過某一豎直回環(huán)的最高點時，乘坐在車尾部（ 選填“車中部”、“車尾部”）通過時速度最大．

Answer 1

分析 （1）影響重力勢能大小的因素是質(zhì)量和高度；
（2）影響動能大小的因素是質(zhì)量和速度；
（3）改變物體內(nèi)能的方式時做功和熱傳遞；克服摩擦做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；
（4）車尾部所經(jīng)過的圓環(huán)長度大于車頭和車中部所見過的圓環(huán)長度．

解答 解：（1）過山車上升階段，質(zhì)量不變，高度增加，所以山車的重力勢能增加；
（2）翻滾過山車運動到最低點時，重力勢能最小，但速度最快，動能最大，所以說明物體的動能與速度大小有關(guān)；
（3）山車的重力勢能在處于最高點時達(dá)到最大值，當(dāng)它開始下行時，它的勢能不斷減小，動能不斷增大；由于摩擦，損耗了少量的機械能，所以過山車依次通過的豎直回環(huán)的高度一次比一次低；
（4）在過山車運行起來以后，坐在過山車不同位置的乘客，通過某一豎直回環(huán)的最高點時，由于車尾部所經(jīng)過的圓環(huán)周長最長，所以乘坐在車尾部通過時速度最大．
故答案為：（1）增加；（2）速度大小；（3）過山車的車輪與軌道的摩擦產(chǎn)生熱量，從而損耗了少量的機械能；（4）車尾部．

點評 本題考查借用過山車考查動能和勢能的大小變化，解答此題的關(guān)鍵是知道影響動能和勢能的因素．