Question

【題目】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__________。（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_____有關(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_________________________________。

（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____________（ 選填“車中部”、“車尾部”）通過時速度最大。

Answer 1

【答案】 增加 速度 由于摩擦力消耗了部分機械能 車尾部

【解析】（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同速度大小有關(guān)；

（3）山車的重力勢能在處于最高點時達到最大值，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）車尾部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，因此，通過某一豎直回環(huán)的最高點時，乘坐在車尾部通過時速度最大。