例1:研究“蹦极”运动时,在运动员身上装好传感器,用于测量运动员在不同时刻下落的高度及速度。如图2甲所示,运动员及所携带装备的总质量为60kg,弹性绳原长为10m。运动员从蹦极台自由下落,根据传感器测到的数据,得到如图2乙所示的速度—位移图像。
(1)运动员下落过程中在什么位置动能最大?试从运动和力的关系讨论运动员在该位置受力有什么特点。
(2)运动员下落动能最大时和落到最低点时,绳的弹性势能分别为多大?请陈述运用相关定律解决问题的条件。
【考核目标】本题第(1)问主要考查物理学科核心素养中“物理观念”的运动与相互作用观念和“科学思维”中的证据意识。学生要能从图像中获取证据,利用运动与相互作用的知识解决实际问题。第(2)问主要考查物理学科核心素养中“科学思维”的模型建构和科学推理能力。学生要能根据问题情境确定运动的模型,通过科学推理解决问题。
【任务描述】本题情境源于生活中的“蹦极”运动。当运动员从平台下落时,如果忽略空气阻力,可视为做自由落体运动。当弹性绳绷直后,绳开始对运动员施加拉力作用,绳的拉力随绳伸长量的增加而增大。在绳的拉力小于运动员重力时,运动员仍做加速运动;当拉力增大到等于重力时,运动员所受合外力为0;在继续向下运动中,拉力大于重力,运动员开始做减速运动。因此,当拉力等于重力时,运动员的速度最大,动能最大;当运动员位于最低点时,速度为0,动能为0,此时绳的弹性势能最大。整个下落过程中忽略空气阻力,可认为机械能守恒,运用机械能守恒定律可得绳的弹性势能。
【评价方案】对于第(1)问前半部分,可根据学生能否利用图像正确回答问题的情况给分;对于第(1)问后半部分,可根据学生回答是否清楚、正确的情况,给予不同的分数。对于第(2)问,若学生认为空气阻力可忽略不计,并能运用机械能守恒定律正确解得绳的弹性势能,可给一定分数;若学生不仅解得正确结果,而且根据图像提供的信息,通过计算和推理,以此说明空气阻力可忽略不计,从而满足机械能守恒定律的条件,这表明该学生达到更高水平,可给更高分数。
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