Question

【題目】如圖所示，過山車是一項富有刺激性的娛樂工具。那種風馳電掣、有驚無險的快感令不少人著迷。如果你對物理學感興趣的話，那么在乘坐過山車的過程中不僅能夠體驗到冒險的快感，還有助于理解力學定律。實際上，過山車的運動包含了許多物理學原理，人們在設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。

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，即由重力勢能轉化為動能、又由動能轉化為重力勢能這樣一種不斷轉化的過程構成的。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，也就是當它爬升到“山丘”的頂峰時最大。當過山車開始下降時，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，而是轉化成了動能，也就是運動的能量。不過，在能量的轉化過程中，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。

（3）設計師所設計的過山車軌道中，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；

（3）山車的重力勢能在處于最高點時達到最大值，當它開始下行時，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。