17.
過山車是一項(xiàng)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(yàn)到冒險的快感,還有助于理解力學(xué)定律.實(shí)際上,過山車的運(yùn)動包含了許多物理學(xué)原理,人們在設(shè)計(jì)過山車時巧妙地運(yùn)用了這些原理.如果能親身體驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(yùn)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(jī)械裝置的推力推上最高點(diǎn)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(shí)上,從這時起,帶動它沿軌道行駛的唯一的“發(fā)動機(jī)”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(diǎn)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?yàn)楦叨认陆盗耍,但能量不會消失,而是轉(zhuǎn)化成了動能,也就是運(yùn)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(jī)械能(動能和重力勢能).這就是為什么在設(shè)計(jì)中隨后的小山丘比開始時的小山丘略矮一點(diǎn)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(shí)上,下降的感受在過山車的尾部車廂最為強(qiáng)烈.因?yàn)樽詈笠还?jié)車廂通過最高點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn),從而就會產(chǎn)生一種要被拋離的感覺,因?yàn)橹匦恼诩铀傧蛳逻\(yùn)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(diǎn)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(yùn)動最快,動能最大,說明物體的動能同速度大小有關(guān).
(3)設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)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(jī)械能.
(4)在過山車運(yùn)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(diǎn)時,乘坐在車尾部(選填“車中部”、“車尾部”)通過時速度最大.