專題(十二) 物理圖象、方法技巧、物理題型
一、物理圖象
(一)大綱解讀
高考考綱明確指出,必要時考生能運(yùn)用幾何圖形、函數(shù)圖像進(jìn)行表達(dá)、分析。由于圖象在中學(xué)物理的特點:能形象地表述物理規(guī)律;能直觀地描述物理過程;鮮明地表示物理量之間的相互關(guān)系及變化趨勢.所以有關(guān)以圖象及其運(yùn)用為背景的命題,成為歷屆高考考查的熱點。圖象法要求學(xué)生能做到三會:(1)會識圖:認(rèn)識圖象,理解圖象的物理意義;(2)會做圖:依據(jù)物理現(xiàn)象、物理過程、物理規(guī)律作出圖象,且能對圖象變形或轉(zhuǎn)換;(3)會用圖:能用圖象分析實驗,用圖象描述復(fù)雜的物理過程,用圖象法來解決物理問題.
(二)高考預(yù)測
物理圖象圖型是數(shù)與形結(jié)合的產(chǎn)物,是具體與抽象相結(jié)合的體現(xiàn),它能夠直觀、形象、簡潔、生動地展現(xiàn)兩個物理量之間的關(guān)系,清楚地表達(dá)物理過程和物理規(guī)律,是分析物理問題的方法之一,具有其它表達(dá)方法所不能比擬的優(yōu)點,又能夠考查學(xué)生對所學(xué)過的物理規(guī)律理解和應(yīng)用的熟練程度,因此它在近幾年高考在出現(xiàn)的頻率較高,單獨考查的較少,常與其它知識有機(jī)地柔和的一起,是近幾年高考命題中的熱點,大約占總分的13%,在復(fù)習(xí)時不容忽視,預(yù)測也是2009年高考命題點。
(三)圖象問題解題思路
物理圖象圖型是描述和解決物理問題的重要手段之一,若巧妙運(yùn)用, 可快速解決實際問題,有些題目用常規(guī)方法來解,相當(dāng)繁瑣,若能結(jié)合圖象圖型,往往能起到化難為易的奇效。下面是圖象問題解題思路:
1.從圖象中獲取有效信息,把握物理量間的依賴關(guān)系。
2.由圖象展現(xiàn)物理情境,找準(zhǔn)各段圖線對應(yīng)的物理過程,挖掘“起點、終點、拐點”等隱含條件。如由s-t圖象和v-t圖象判斷物體的運(yùn)動情況。
3.由提供的物理情境畫相應(yīng)的圖象,利用物理圖象,增強(qiáng)對物理過程的理解,再對物理過程進(jìn)行定性分析。
4.對圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
(四)典型例題
1.判斷物體的運(yùn)動情況
例1:如圖所示,是從一輛在水平公路上行駛著的汽車后方拍攝的汽車后輪照片。從照片來看,汽車此時正在 ( )
A.直線前進(jìn) B.向右轉(zhuǎn)彎
C.向左轉(zhuǎn)彎 D.不能判斷
本題簡介:本題是考查學(xué)生知識和能力的一道好題,體現(xiàn)新課改大背景下,物理高考的命題方向,是高考的熱點。
解析:從汽車后方拍攝的后輪照片從圖2上可以看到汽車的后輪發(fā)生變形,汽車不是正在直線前進(jìn),而是正在轉(zhuǎn)彎,根據(jù)慣性、圓周運(yùn)動和摩擦力知識,可判斷出地面給車輪的靜摩擦力水平向左,所以汽車此時正在向左轉(zhuǎn)彎,應(yīng)選擇答案C。
點撥:本題是注重知識與能力的雙重體現(xiàn),是“起點高而落點低”的應(yīng)用型試題,預(yù)測今后高考在這方面會有突破。
2.F-t圖像
例2(2008年天津)一個靜止的質(zhì)點,在0~4s時間內(nèi)受到力F的作用,力的方向始終在同一直線上,力F隨時間t的變化如圖所示,則質(zhì)點在(。
A.第2s末速度改變方向
B.第2s末位移改變方向
C.第4s末回到原出發(fā)點
D.第4s末運(yùn)動速度為零
答案:D
解析:這是一個物體的受力和時間關(guān)系的圖像,從圖像可以看出在前兩秒力的方向和運(yùn)動的方向相同,物體經(jīng)歷了一個加速度逐漸增大的加速運(yùn)動和加速度逐漸減小的加速運(yùn)動,2少末速度達(dá)到最大,從2秒末開始到4秒末運(yùn)動的方向沒有發(fā)生改變而力的方向發(fā)生了改變與運(yùn)動的方向相反,物體又經(jīng)歷了一個加速度逐漸增大的減速運(yùn)動和加速度逐漸減小的減速的和前2秒運(yùn)動相反的運(yùn)動情況,4秒末速度為零,物體的位移達(dá)到最大,所以D正確。
3.V-t圖像問題問題
例3(2008年廣東)某人騎自行車在平直道路上行進(jìn),圖中的實線記錄了自行車開始一段時間內(nèi)的v-t圖象,某同學(xué)為了簡化計算,用虛線作近似處理,下列說法正確的是( 。
A.在t1時刻,虛線反映的加速度比實際的大
B.在0-t1時間內(nèi),由虛線計算出的平均速度比實際的大
C.在t1-t-2時間內(nèi),由虛線計算出的平均速度比實際的大
D.在t3-t-4時間內(nèi),虛線反映的是勻速運(yùn)動
答案:BD
解析:在v-t圖線中,圖線上某點的斜率反映的是該點加速度的大小,t1時刻虛線的斜率較小,實線的斜率較大。而v-t圖線中所圍成的“面積”就是對應(yīng)那個過程的位移,求出了位移的大小也就知道了平均速度的大小,選項BD是正確的。
誤區(qū)警示:在分析圖線時一定要注意觀察縱橫坐標(biāo)的物理意義,不能就看圖線的模樣,分析圖線斜率、截距、面積所代表的物理意義。
4.判斷物理量的變化
例4、在輕繩的兩端各栓一個小球,一人用手拿者上端的小球站在5層樓陽臺上,放手后讓小球自由下落,兩小球相繼落地的時間差為T,如果站在6層樓的陽臺上,同樣放手讓小球自由下落,則兩小球相繼落地時間差將( )
A .不變 B. 變大 C. 變小 D .無法判斷
本題簡介:v-t圖象是高中物理是的II要求,是解決物理方法之一,是高考的熱點。
解析:正確選項應(yīng)是C。兩小球都是自由落體運(yùn)動,可在v-t圖象中作出速度隨時間的關(guān)系曲線,如圖所示,設(shè)人在5樓陽臺上釋放小球后,兩球落地時間差為△t1,圖中陰影部分面積為△h,若人在6樓陽臺上釋放小球后,兩球落地時間差△t2,要保證陰影部分面積也是△h;從圖中可以看出一定有△t2〈△t1。所以,兩小球相繼落地時間差將變小。
5.分子運(yùn)動問題
例5甲分子固定在坐標(biāo)原點O,乙分子位于x軸上,若選無限遠(yuǎn)為分子勢能的零點,分子勢能與兩分子間距離的關(guān)系如圖中的曲線所示,a、b、c、d為x軸上四個特定的位置,現(xiàn)將乙分子從a點處由靜止釋放(Oa間距稍小于10r),則( )
A.乙分子從a到b做加速運(yùn)動,由b到c做減速運(yùn)動
B.乙分子從a到c做加速運(yùn)動,到c時速度最大
C.乙分子由a到b的過程中,兩分子間的作用力表現(xiàn)為引力
D.乙分子由a到c的過程中,兩分子間的作用力表現(xiàn)為引力
本題簡介:帶電粒子在電場中的運(yùn)動是高考的重點內(nèi)容,是高考的重點和熱點。
解析:乙分子從a處由靜止釋放運(yùn)動到b,分子勢能減小,分子間作用力表現(xiàn)為引力作用,在b時分子力為零,分子勢能最小,從a到b乙分子做加速增大的做加速運(yùn)動;同理乙分子從b到c,分子勢能增加,分子間作用力表現(xiàn)為斥力,乙分子做加速增大的減速運(yùn)動,故本題答案應(yīng)該選AC
點撥:分子力和分子勢能是熱學(xué)的難點,也是高考的熱點,復(fù)習(xí)時應(yīng)重視
6.新式游標(biāo)卡尺測量長度問題
例6有一種新式游標(biāo)卡尺,游標(biāo)尺的刻度與傳統(tǒng)的舊式游標(biāo)尺明顯不同,新式游標(biāo)尺的刻度有10分度、20分度、50分度三種規(guī)格,新式游標(biāo)卡尺也有相應(yīng)的三種,但刻度卻是:19mm等分成10份、39mm等分成20份、99mm等分成50份。
①以“39mm等分成20份”的新式游標(biāo)卡尺為例,它的精度是 mm。
②用新式游標(biāo)卡尺測量某一物體的厚度,測量時游標(biāo)的示數(shù)如圖所示,其讀數(shù)是 mm。
本題簡介:用新式游標(biāo)卡尺測量長度,能較好考查學(xué)生活學(xué)活用,是今后高考的命題趨勢。
解析:新式游標(biāo)卡尺的測量原理和傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺相同,新式20分度游標(biāo)卡尺其游標(biāo)尺上20個分度只有
注意:使用游標(biāo)卡尺測量長度不能估讀
點撥:靈活應(yīng)用所學(xué)知識去解決測量物體長度實際問題,培養(yǎng)學(xué)生能力,是本題的出發(fā)點。
7.以紙帶為紐帶測物體速度和加速度的問題
例7.在做“研究勻變速直線運(yùn)動”的實驗時,某同學(xué)得到一條用電火花計時器打下的紙帶如圖1所示,并在其上取了A、B、C、D、E、F、G 7個計數(shù)點,每相鄰兩個計數(shù)點間還有4個點圖中沒有畫出,電火花計時器接220V、 50Hz交流電源.他經(jīng)過測量并計算得到電火花計時器在打B、C、D、E、F各點時物體的瞬時速度如下表:
(1)設(shè)電火花計時器的周期為T,計算vF的公式為vF=___________;
(2)根據(jù)(1)中得到的數(shù)據(jù),以A點對應(yīng)的時刻為t=0,試在圖2所示的坐標(biāo)系中合理選擇好標(biāo)度,作出v-t圖象,利用該圖象求物體的加速度a= m/s2;
(3)當(dāng)時電網(wǎng)中交變電流的頻率變?yōu)?0Hz電壓變?yōu)?10V,那么做實驗的這個同學(xué)測得的物體加速度的測量值與實際值相比 ___(選填:“偏大”、“偏小”或“不變”)。
本題簡介:本題是以紙帶為紐帶測物體速度和加速度的問題,近幾年高考中不斷出現(xiàn),預(yù)測是2009年高考的熱點。
解析:(1)根據(jù)勻變速直線運(yùn)動規(guī)律,F(xiàn)點的速度應(yīng)等于E、G間的平均速度,所以得:.
(2)通過描點作出如圖所示的v-t圖象,圖線的斜率表示物體的加速度,大小是:
m/s2.
(3)由實驗原理知,如果當(dāng)時電網(wǎng)中交變電流的電壓變成210V,但因頻率不變,周期不變,即便做實驗的同學(xué)不知道,那么加速度的測量值沒有影響.
點撥:這道題主要考查對勻變速直線運(yùn)動的理解,勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律是高考的熱點,在今后的高考中,出現(xiàn)的幾率較大,應(yīng)重視。在復(fù)習(xí)過程中,應(yīng)著重視實驗,重視概念、規(guī)律形成過程的理解,搞清知識的來龍去脈,弄清其實質(zhì),對這類問題就可迎而解。
8.用單擺測重力加速度問題
例8(2008年上海)在“用單擺測重力加速度”的實驗中:
(1)某同學(xué)的操作步驟為:a.取一根細(xì)線,下端系住直徑為d的金屬小球,上端固定在鐵架臺上。b.用米尺量得細(xì)線長度lc.在擺線偏離豎直方向5°位置釋放小球。d.用秒表記錄小球完成n次全振動的總時間t,得到周期T=t/n。 e.用公式計算重力加速度。
按上述方法得出的重力加速度值與實際值相比___(選填“偏大”、“相同”或“偏小”)。
(2)已知單擺在任意擺角θ時的周期公式可近似為,式中T0為擺角趨近于0°時的周期,a為常數(shù)。為了用圖像法驗證該關(guān)系式,需要測量的物理量有____________;若某同學(xué)在實驗中得到了如圖所示的圖線,則圖像中的橫軸表示______。
本題簡介:本題綜合考查了實驗的全過程,要求學(xué)生綜合性理解實驗過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗結(jié)果的分析,進(jìn)一步深化了目的,將理想化的單擺模型向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化,將要求學(xué)生以物理規(guī)律為核心,設(shè)計實驗過程,得到實驗測得量,運(yùn)用科學(xué)探究的理念,進(jìn)而與圖表信息轉(zhuǎn)化,得到規(guī)律的體現(xiàn)。
解析:(1)由于在計算擺長時,只記了擺線長,沒有記擺球半徑,所以結(jié)果偏小。(2)從物理關(guān)系可以看出,需要測的物理量有T′(或t、n)、θ。圖中的函數(shù)關(guān)系應(yīng)為: ,所以橫軸為T′。
點撥:單擺周期公式的理解是解題的基礎(chǔ),物理關(guān)系與圖表信息的相互轉(zhuǎn)化是解題的關(guān)鍵。
二、隔離法
1.隔離法含義:把復(fù)雜的問題分割成幾個簡單的部分或把物體系分成幾個單一的物體,分別對這些簡單現(xiàn)象或物體進(jìn)行研究,并找出各個環(huán)節(jié)間的聯(lián)系,此種研究方法稱為“隔離法”。
2.隔離法的適用情況:(1)求解某段運(yùn)動中物體的運(yùn)動規(guī)律;(2).求解物體間的相互作用;
例題如圖所示,質(zhì)量為M的木箱放在水平面上,木箱中的立桿上套著一個質(zhì)量為m的小球,開始時小球在桿的頂端,由靜止釋放后,小球沿桿下滑的加速度為重力加速度的1/2,即a=g,則小球在下滑的過程中,木箱對地面的壓力為多少?
解析:木箱對地面的壓力決定于木箱的重力及立桿受到小球的作用力。木箱靜止,小球加速下滑,二者沒有共同的加速度,用“整體法”列方程解題對大多數(shù)同學(xué)則難以理解,如把小球隔離出來,以小球為研究對象,由牛頓第二定律列方程則易于理解。
以小球m為研究對象,受重力mg及摩擦力,由牛頓第二定律得:mg-=ma,以木箱M為研究對象,受重力Mg地面支持力及小球給予的摩擦力,木箱處于平衡狀態(tài),則有:--Mg=0,由牛頓第三定律得:=,由上述三式可得:=g,由牛頓第三定律可知:木箱對地面的壓力大小為==g
點評:本題是隔離加速度不同的木箱和小球,然后根據(jù)牛頓定律列方程求解。
三、整體法
1.“整體法”的含義:
在研究一個復(fù)雜現(xiàn)象(復(fù)雜過程)時,若這些復(fù)雜現(xiàn)象(復(fù)雜過程)的中間過程或中間環(huán)節(jié)對整個現(xiàn)象沒影響,則可對整個過程或整個系統(tǒng)進(jìn)行整體研究,此種研究方法稱為“整體法”。
2.整體法適用的情況:
(1)當(dāng)只涉及研究系統(tǒng)而不涉及系統(tǒng)內(nèi)部某些物體的力和運(yùn)動時(2)當(dāng)只涉及運(yùn)動的全過程而不涉及某段運(yùn)動時(3)當(dāng)運(yùn)用適用于系統(tǒng)的物理規(guī)律解題時(如動量守恒定律機(jī)械能守恒定律)可整體分析對象和整體研究過程
例1(2008年海南)如圖所示,質(zhì)量為M的楔形物塊靜置在水平地面上,其斜面的傾角為θ.斜面上有一質(zhì)量為m的小物塊,小物塊與斜面之間存在摩擦.用恒力F沿斜面向上拉小物塊,使之勻速上滑.在小物塊運(yùn)動的過程中,楔形物塊始終保持靜止.地面對楔形物塊的支持力為
A.(M+m)g B.(M+m)g-F
C.(M+m)g+Fsinθ D.(M+m)g-Fsinθ
解析:本題可用整體法的牛頓第二定律解題,豎直方向由平衡條件:Fsinθ+N=mg+Mg,則N= mg+Mg-Fsinθ 。
答案:D
點評:本題是用取研究對象整體法,若逐個物體分析列式,求解則很復(fù)雜.應(yīng)用了整體分析方法,就很容易得出結(jié)果.
例2 如圖所示,金屬桿在離地高處從靜止開始沿弧形軌道下滑,導(dǎo)軌平行的水平部分有豎直向上的勻強(qiáng)磁場B,水平部分導(dǎo)軌上原來放有一根金屬桿b,已知桿的質(zhì)量為,b桿的質(zhì)量為水平導(dǎo)軌足夠長,不計摩擦,求:(1)和b的最終速度分別是多大?(2)從開始到達(dá)到最終速度整個過程中回路釋放的電能是多少?
解析:(1)下滑過程中機(jī)械能守恒: ①
進(jìn)入磁場后,回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,、b都受安培力作用,作減速運(yùn)動,b作加速運(yùn)動,經(jīng)一段時間,、b速度達(dá)到相同,之后回路的磁通量不發(fā)生變化,感應(yīng)電流為零,安培力為零,二者勻速運(yùn)動,勻速運(yùn)動的速度即為、b的最終速度,設(shè)為,由過程中、b系統(tǒng)所受合外力為零,動量守恒得: ② 由①②解得最終速度.
(2)由能量守恒知,回路中產(chǎn)生的電能等于、b系統(tǒng)機(jī)械能的損失,所以,
.
點評:本題運(yùn)用了研究對象和研究過程整體法,并以兩桿整體的受力及全過程運(yùn)動和能量為主要線索列方程求解。
四、建立物理模型法
1.物理模型:就是將帶有實際色彩的物理對象或物理過程通過抽象、理想化、簡化和類比等方法轉(zhuǎn)化成理想的物理模型。原始的物理模型可分為如下兩類:
例題如圖所示,寬為d、質(zhì)量為M的正方形木靜止在光滑水平面上,一質(zhì)量m的小球由靜止開始沿“Z”字通道從一端運(yùn)動到另一端,求木塊-和小球的對地位移。
解析:把小球和木塊看成一個系統(tǒng),由于水平方向所受合外力為零,則水平方向動量守恒.設(shè)小球的水平速度為v1、木塊的速度為v2,則有 mv1=Mv2
若小球?qū)Φ匚灰茷?s1、木塊對地位移為s2,則有 ms1=Ms2
且 s1+s2=d 解得
點撥:本題屬于人船模型。利用人船模型及其典型變形,可使許多動量守恒問題的分析思路和解答步驟變得極為簡單,有時可直接看出答案。
五、等效法
等效是指不同的物理現(xiàn)象、模型、過程等在物理意義、作用效果或物理規(guī)律方面是相同的。它們之間可以相互替代,而保證結(jié)論不變。等效的方法是面對一個較為復(fù)雜的問題,提出一個簡單的方案或設(shè)想,而使它們的效果完全相同,從而將問題化難為易,求得解決。
例題如圖甲,閉合線圈上方有一豎直放置的條形磁鐵,磁鐵的N 極朝下。當(dāng)磁鐵向下運(yùn)動時(但未插入線圈內(nèi)部),
A.線圈中感應(yīng)電流的方向與圖中箭頭方向相同,磁鐵與線圈相互吸引
B.線圈中感應(yīng)電流的方向與圖中箭頭方向相同,磁鐵與線圈相互排斥
C. 線圈中感應(yīng)電流的方向與圖中箭頭方向相反,磁鐵與線圈相互吸引
D.線圈中感應(yīng)電流的方向與圖中箭頭方向相反,磁鐵與線圈相互排斥
解析:當(dāng)條形磁鐵向下運(yùn)動時,磁通量會逐漸增加,在導(dǎo)線中會產(chǎn)生感應(yīng)電流,而感應(yīng)電流的出現(xiàn),又會使得線圈由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生磁場,此時,可以將線圈等效成一個條形磁鐵,如圖乙所示,而這個條形磁鐵對上面一個條形磁鐵的作用效果應(yīng)該等效與阻礙磁通量的增加,所以會對之產(chǎn)生排斥作用,所以可首先判斷出“線圈等效條形磁鐵”的極性為“上N下S”,再通過“右手定則”去判斷出電流方向為圖示方向。故B選項是正確的。
點評:此題是把線圈等效條形磁鐵來確定磁鐵與線圈的作用力
六、假設(shè)法
例題 (07全國理綜卷Ⅰ)如圖所示,質(zhì)量為m的由絕緣材料制成的球與質(zhì)量為M=
解析:設(shè)在第n次碰撞前絕緣球的速度為vn-1,碰撞后絕緣球、金屬球的速度分別為vn、Vn。由于碰撞過程中動量守恒、碰撞前后動能相等,設(shè)速度向左,則
解得:
第n次碰撞后絕緣球的動能為:
E0為第1次碰撞前的動能,即初始能量
絕緣球在θ=θ0=60°與θ=45°處的勢能之比為
經(jīng)n次碰撞后有:
易算出(0.81)2=0656,(0.81)3=0.531,因此,經(jīng)過3次碰撞后θ小于45°
點評:通過本題導(dǎo)出聯(lián)系相鄰兩次作用的遞推關(guān)系式,再把結(jié)論推廣,后結(jié)合數(shù)學(xué)知識求解。
七、假設(shè)法
假設(shè)法解題是指假設(shè)一種情況成立,進(jìn)一步推導(dǎo),如果推出矛盾,則假設(shè)的情況不成立,如果不能推出矛盾,則假設(shè)的情況成立。在解題中這是一種“退一步”的策略,卻能收到“海闊天空”的效果。
例題(07河北模擬)一根張緊的水平彈性長繩上的、兩點,相距
A.
解析:由題意知,(…)(…)所以波速為當(dāng) 時 當(dāng) 時.假設(shè)則即因為和都是偶數(shù),所以矛盾。設(shè)則即矛盾。本題答案為BD.
點撥:本題考察機(jī)械波的多解,由于只有四個選項,可以假設(shè)取整數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)來進(jìn)行確定。
八、對稱法??
利用對稱法分析解決物理問題,可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和推導(dǎo),直接抓住問題的本質(zhì),快速簡便地解決問題.利用對稱法解題的思路的關(guān)鍵是尋找研究對象的對稱性特點。?
例題(2008年上海)如下左圖所示,平行于y軸的導(dǎo)體棒以速度v向右勻速直線運(yùn)動,經(jīng)過半徑為R、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域,導(dǎo)體棒中的感應(yīng)電動勢ε與導(dǎo)體棒位置x關(guān)系的圖像是( 。
解析:在x=R左側(cè),設(shè)導(dǎo)體棒與圓的交點和圓心的連線與x軸正方向成θ角,則導(dǎo)體棒切割有效長度L=2Rsinθ,電動勢與有效長度成正比,故在x=R左側(cè),電動勢與x的關(guān)系為正弦圖像關(guān)系,由對稱性可知在x=R右側(cè)與左側(cè)的圖像對稱。答案:A
點撥:由于磁場區(qū)域是個圓面積,因此導(dǎo)體棒切割有效長度左右是對稱的。
九、極值法
極端法就是在解題過程中,對試題給定的已知條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹笨浯蟆,從而使試題原來所表示的物理現(xiàn)象和規(guī)律更加明顯,較快地得到物理問題的正確解答的一種解題方法。求解極值問題的方法從大的角度可分為物理方法和數(shù)學(xué)方法.
物理方法包括(1)利用臨界條件求極值;(2)利用問題的邊界條件求極值;(3)利用矢量圖求極值;
數(shù)學(xué)方法包括(1)用三角函數(shù)關(guān)系求極值;(2)用二次方程的判別式求極值;(3)用不等式的性質(zhì)求極值.
特別提示:極端法只有在所研究的變量發(fā)生單調(diào)、連續(xù)變化,并存在理論極限時才適用。
例1.已知兩個位置固定的點電荷之間有相互作用的斥力,它們的帶電量分別為q1和q2,若將這些電量在它們之間重新分配,以使它們間的斥力最大,則它們所帶的電量應(yīng)分別為q1/= ,q2/= 。
解析:由庫侖定律可知:F=K,由于r,K均為定值,只有當(dāng)Q1Q2的乘積最大時,F(xiàn)最大。
只有當(dāng)q/1=q2/=時,庫侖力F最大。
點評:和為定值的函數(shù),由平均值不等式:“若a、b之和為一定值時,只有當(dāng)a=b時,兩者的乘積最大”
例2.(08唐山模擬)設(shè)想人類開發(fā)月球,不斷把月球的礦藏搬運(yùn)到地球上,假設(shè)經(jīng)過長時間的開采后,地球仍可看作是均勻的球體,月球仍沿開采前的圓軌道運(yùn)動,則與開采前相比( 。
A.地球與月球間的萬有引力將增大
B.地球與月球間的萬有引力將減小
C.月球繞地球運(yùn)動的周期將變長
D.月球繞地球運(yùn)動的周期將變短
解析:設(shè)開始時地球的質(zhì)量為M0,月球的質(zhì)量為m0,月球繞地球做圓周運(yùn)動的軌道半徑為R.則月球與地球之間的萬有引力為:。
從實際出發(fā),因,當(dāng)月球的礦藏搬運(yùn)到地球上后,地球的質(zhì)量M比月球的質(zhì)量m變的更大,即兩個質(zhì)量相差越來越大,則M與m的乘積越來越小,故地球與月球間的萬有引力將減小.B選項正確.
月球繞地球運(yùn)動的周期,依題意R不變,而地球質(zhì)量M越來越大,故月球繞地球運(yùn)動的周期將變短.D選項正確.
點撥:對于兩個大于零的變量、,若其和為一定值C,則當(dāng)時,其積取最大值.如果、的數(shù)值相差的越大,其積越小。
十、控制變量法
物理學(xué)對于多因素(多變量)的問題常常采用控制因素(變量)的辦法,即把多因素的問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠單因素的問題,分別加以研究,最后再綜和解決,這種方法叫控制變量法。
例題:(2008年廣東)伽利略在著名的斜面實驗中,讓小球分別沿傾角不同、阻力很小的斜面從靜止開始滾下,他通過實驗觀察和邏輯推理,得到的正確結(jié)論有( 。
A.傾角一定時,小球在斜面上的位移與時間成正比
B.傾角一定時,小球在斜面上的速度與時間成正比
C.斜面長度一定時,小球從頂端滾到底端時的速度與傾角無關(guān)
D.斜面長度一定時,小球從頂端滾到底端所需的時間與傾角無關(guān)
解析:傾角一定時,小球在斜面上的位移與時間的平方成正比,在斜面上的速度與時間成正比,故選項A錯誤,選項B正確。斜面長度一定時,小球從頂端滾到底端時的速度與傾角有關(guān),從頂端滾到底端所需時間與傾角有關(guān),故選項C、D錯誤。
答案:B
點撥:本題在研究小球運(yùn)動時分別保持傾角一定時和斜面長度一定時。
㈠ 開放型試題
十一、高考新題型
題型1、如圖所示,有一束帶正電的粒子,質(zhì)量為m,電量為q,以平行于Ox軸的速度從y軸上的a點射入第1象限區(qū)域,為了使這束正電荷粒子能經(jīng)過x軸上的b點,可以在第1象限某處加一個方向沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場為E,沿y方向無限長,沿x方向?qū)挒閟,已知,Oa=L,Ob=2s,求所加電場的右邊界線與b點的距離?(粒子重力不計)
解析:正電荷粒子穿過電場時,粒子做類平拋運(yùn)動,沿y方向的側(cè)位移距離為y0,
(1)若y0=L,則b點恰在電場的右邊界線上,即電場的右邊界線與b的距離為x1=0,如圖2甲所示。
(2)若y0>L,則b點應(yīng)在電場內(nèi),設(shè)此時電場的右邊界與b點距離為x2,則,解得,如圖2乙所示;
(3)若y0<L,則b點必在電場外右側(cè),設(shè)電場的右邊界與b點距離為x3,帶電粒子在b點速度方向與x軸正方向的夾角為θ,則,,故,如圖2丙所示。
㈡STS試題
題型2、高頻焊接是一種常用的焊接方法,圖1是焊接的原理示意圖。將半徑r=
(1)0~2.0´10-2s和2.0´10-2s~3.0´10-2s時間內(nèi)環(huán)形金屬工件中感應(yīng)電動勢各是多大;
(2)0~2.0´10-2s和2.0´10-2s~3.0´10-2s時間內(nèi)環(huán)形金屬工件中感應(yīng)電流的大小,并在圖3中定量畫出感應(yīng)電流隨時間變化的i-t圖象(以逆時針方向電流為正);
(3)在t=0.10s內(nèi)電流通過焊接處所產(chǎn)生的焦耳熱。
解析:(1)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,在0~2.0´10-2s內(nèi)的感應(yīng)電動勢為
E1=,解得:E1=3.14V
在2´10-2s ~3´10-2s時間內(nèi)的感應(yīng)電動勢為E2=,解得:E2= 6.28V
(2)環(huán)形金屬工件電阻為R=2prR0+9´2prR0=20prR0 =6.28´10-3Ω
由閉合電路歐姆定律,在0~2.0´10-2s內(nèi)的電流為
I1==
在2.0´10-2s ~3.0´10-2s時間內(nèi)的電流為
I2==
i-t圖象如圖4所示.
(3)設(shè)環(huán)形金屬工件中電流的有效值為I,焊縫接觸電阻為R1,在一個周期內(nèi)焊接處產(chǎn)生的焦耳熱為:I2RT=
解得:I=
在t=0.10s內(nèi)電流通過焊接處所產(chǎn)生的焦耳熱為Q=I2R1t
而R1=9´2prR0=5.65´10-3Ω,解得:Q=2.8´102J
點評:解題STS試題一般可以按以下三步來做:1、提煉信息:大刀闊斧地削去一些屏蔽思維的枝節(jié)內(nèi)容,從而在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中清晰地呈現(xiàn)出問題的主干,使看似復(fù)雜的問題簡明化。
㈢開放性試題
題型3頻閃攝影是研究變速運(yùn)動常用的實驗手段。如圖所示,將照相機(jī)正對磚塊壘起的墻壁,控制好實驗條件,如小球運(yùn)動的平面跟墻壁平行,非常接近又不會發(fā)生觸碰等,得到如圖所示的小球以墻壁為背景做平拋運(yùn)動時的頻閃照片。照片中的白點表示小球在三個不同時刻的位置。已知墻壁的磚縫都是水平或是豎直的,磚縫的寬度不計 ,磚塊的長和高分別為和,頻閃儀每隔時間T閃光一次。那么根據(jù)照片和三個點的位置你可知道哪些量?
解析:平拋運(yùn)動是從水平拋出,只受重力的運(yùn)動,水平方向可看作勻速直線運(yùn)動,豎直方向可看作自由落體運(yùn)動。從照片上看,水平方向在T時間內(nèi)小球運(yùn)動的水平距離都等于磚塊的長度,所以可計算出小球平拋的初速度
從照片上看,小球在豎直方向,在相鄰T時間內(nèi)的豎直位移分別是磚塊高的3倍 和5倍,即: 根據(jù)初速度為零的勻變速直線運(yùn)動規(guī)律 和可得:小球平拋的初始位置和小球做平拋運(yùn)動的重力加速度,,即 ,所以小球運(yùn)動的重力加速度為
也就可以知道當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭.
根據(jù) ,而可以算出圖中從上到下3個點的速度的大小分加是:
根據(jù)可以算出小球在圖上3個點速度的方向
點評:研究平拋運(yùn)動的方法是將其分解為水平分運(yùn)動和豎直分運(yùn)動,所以解決平拋運(yùn)動問題時,要分別研究它的兩個分運(yùn)動的情況,特別是要注意抓住豎直分運(yùn)動勻(初速度為零,加速度為g,勻變速直線運(yùn)動規(guī)律)這一解決問題的關(guān)鍵,根據(jù)平拋運(yùn)動特點和實際情況,靈活解決實際問題。
㈣科學(xué)探究型試題
題型4、取一輕質(zhì)彈簧,上端固定在鐵架臺上,下端系一金屬小球,如圖甲所示。把小球
沿豎直方向拉離平衡位置后釋放,小球?qū)⒃谪Q直方向做簡諧運(yùn)動(此裝置也稱為豎直彈簧振子)。一位同學(xué)用此裝置研究豎直彈簧振子的周期T與小球質(zhì)量m的關(guān)系,并猜想T2與m成正比。他多次換用質(zhì)量不同的小球進(jìn)行實驗并測得相應(yīng)的周期,具體數(shù)據(jù)如下表。
m/kg
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
T/s
0.35
0.50
0.61
0.71
0.79
0.87
0.94
T2/s2
0.13
0.25
0.37
0.50
0.62
0.76
0.88
(1)請你根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在圖乙中作出T2與m的關(guān)系圖線。
(2)假設(shè)圖乙中圖線的斜率為k,則T與m的關(guān)系式為 。
(3)求得的斜率k的值為 。
解析:(1)由表中數(shù)據(jù)描點并用直線連接得到作出T2-m圖線如圖;
(2)若圖線的斜率為k,則T與m的關(guān)系式為,即;
(3)在圖線上取相距較遠(yuǎn)的兩點可計算出圖線的斜率,如。0,0)和(0.70,0.88)可計算出斜率k=1.26。
。〞r間:90分鐘 滿分:120分)
一、選擇題(本題包括8個小題。每小題給出的四個選項中,有的只有一個選項正確,有的有多個選項正確,全部選對的得6分,選對但不全的得3分,有選錯得得0分。共48分)
1.某科技館中有一個展品,該展品放在較暗處,有一個不斷均勻滴水的龍頭(剛滴出的水滴速度為零).在平行光源的照射下,只要耐心地緩慢調(diào)節(jié)水滴下落的時間間隔,在適當(dāng)?shù)那闆r下,參觀者可以觀察到一種奇特的現(xiàn)象:水滴好像都靜止在各自固定的位置不動(如圖1中A 、B 、C 、D 所示,刻度尺上數(shù)值的單位是cm
, g=
A.持續(xù)發(fā)光的光源
B.間歇發(fā)光,間隔時間為0.14s
C.間歇發(fā)光,間隔時間為0.20s
D.間歇發(fā)光,間隔時間為1.40s
2.一物體做加速直線運(yùn)動,依次通過A、B、C三點,AB=BC。物體在AB段加速度為a1,在BC段加速度為a2,且物體在B點的速度為,則( 。
A.a1> a2
B.a1=
a
3. 如圖2所示,晾曬衣服的繩子兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點,繩子的質(zhì)量及繩與衣架掛鉤間摩擦均忽略不計,衣服處于靜止?fàn)顟B(tài)。如果保持繩子A端、B端在桿上位置不變,將右側(cè)桿平移到虛線位置(A、B兩繩仍為繃直狀態(tài)),穩(wěn)定后衣服仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。則( )
A.A繩的拉力變大
B.B繩的拉力變大
C.繩對掛鉤拉力的合力變小
D.繩對掛鉤拉力的合力不變
4. (2009屆開封市一摸)在豎直方向的勻強(qiáng)磁場中,水平放置一個面積不變的單匝金屬圓線圈,規(guī)定線圈中感應(yīng)電流的正方向如圖7所示,取線圈中磁場B的方向向上為正,當(dāng)磁場中的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間t如圖8所示變化時,圖9中的四圖中正確表示線圈中感應(yīng)電流變化的是( )
5.某實驗小組的同學(xué)在電梯的天花板上固定一根彈簧秤,使其測量掛鉤向下,并在鉤上懸掛一個重為10N 的鉤碼.彈簧秤彈力隨時間變化的規(guī)律可通過一傳感器直接得出,如圖4所示.則下列分析正確的是( )
A.從時刻t1到t2,鉤碼處于失重狀態(tài)
B.從時刻t3到t4,鉤碼處于超重狀態(tài)
C.電梯可能開始在15 樓,先加速向下,接著勻速向下,再減速向下,最后停在1 樓
D.電梯可能開始在1 樓,先加速向上,接著勻速向上,再減速向上,最后停在15 樓
6.如圖所示,縱坐標(biāo)表示兩個分子間引力、斥力的大小,橫坐標(biāo)表示兩個分子間的距離,圖中兩條曲線分別表示兩分子間引力、斥力的大小隨分子間距離的變化關(guān)系,e為兩曲線的交點,則下列說法正確的是( 。
A.ab為斥力曲線,cd為引力曲線,e點橫坐標(biāo)的數(shù)量級為10-
B. ab為引力曲線,cd為斥力曲線,e點橫坐標(biāo)的數(shù)量級為10-
C.若兩個分子間距離大于e點的橫坐標(biāo),則分子間作用力表現(xiàn)為斥力
7. 如圖所示,一輕彈簧固定在一豎直放置的圓桶底部,桶壁光滑,現(xiàn)在從桶口自由釋放一小球,小球直徑略小于桶的直徑,小球下落一段距離后落在彈簧上,當(dāng)小球?qū)椈蓧嚎s到最低點時球的加速度為,則
A.=0 B.= C.> D.0<<
8. 如圖所示,接有燈泡L的平行金屬導(dǎo)軌水平放置在勻強(qiáng)磁場中,一導(dǎo)體桿與兩導(dǎo)軌良好接觸并做往復(fù)運(yùn)動,其運(yùn)動情況與彈簧振子做簡諧運(yùn)動的情況相同。圖中O位置對應(yīng)于彈簧振子的平衡位置,P、Q兩位置對應(yīng)于彈簧振子的最大位移處。若兩導(dǎo)軌的電阻不計,則
A.桿由O到P的過程中,電路中電流變大
B.桿由P到Q的過程中,電路中電流一直變大
C.桿通過O處時,電路中電流方向?qū)l(fā)生改變
D.桿通過O處時,電路中電流最大
二、實驗題(共3小題,共24分。把答案填寫橫線上,或措置裕如 要求做答)
9..(4分)用游標(biāo)為50分度的卡尺,測定某圓筒的內(nèi)徑時,卡尺上的示數(shù)如圖所示,可讀出圓筒的內(nèi)徑為____________mm。
10.(6分)用伏安法測一節(jié)電池的電動勢和內(nèi)電阻時,得到的U-I圖線如圖12所示,則根據(jù)圖線可知:干電池的電動勢為 V,內(nèi)電阻是 Ω。圖線中的a點對應(yīng)的外電阻是 Ω,電源此時內(nèi)部熱耗功率為 W。圖線中的b點對應(yīng)的外電阻是 Ω,電源此時的輸出功率為 W。
11. (14分)一直流電壓表,量程為1 V,內(nèi)阻為1 000Ω,現(xiàn)將一阻值為5000~7000Ω之間的固定電阻R1與此電壓表串聯(lián),以擴(kuò)大電壓表的量程.為求得擴(kuò)大后量程的準(zhǔn)確值,再給定一直流電源(電動勢E為6~7 V,內(nèi)阻可忽略不計),一阻值R2=2000Ω的固定電阻,兩個單刀開關(guān)S1、S2及若干線.
(1)為達(dá)到上述目的,將答題卡上對應(yīng)的圖連成一個完整的實驗電路圖.
(2)連線完成以后,當(dāng)S1與S2均閉合時,電壓表的示數(shù)為0.90 V;當(dāng)S1閉合,S2斷開時,電壓表的示數(shù)為0.70 V,由此可以計算出改裝后電壓表的量程為 V,電源電動勢為 V.
三、本題共3小題;共48分。解答應(yīng)寫出必要的文字說明、方程式和重要演算步驟。只寫出最后答案的不能得分。有數(shù)值計算的題。答案中必須明確寫出數(shù)值和單位.
12. (14分)如圖所示,一個質(zhì)量為m、電量為q的帶電小球,在一個豎直向上的勻強(qiáng)電場中由A從靜止開始向上做勻加速直線運(yùn)動,運(yùn)動一段時間到達(dá)B點時,電場方向突然改變向下,但大小未變,經(jīng)過相同的時間小球剛好回到出發(fā)點,求該電場的電場強(qiáng)度E。
半徑/cm
質(zhì)量/m0
角速度/rad?s-1
圈數(shù)
轉(zhuǎn)動動能/J
4
1
2
8
4
1
3
18
4
1
4
32
4
2
2
16
4
3
2
24
4
4
2
32
8
1
2
16
12
1
2
24
16
1
2
32
(1)根據(jù)題給數(shù)據(jù)計算砂輪的轉(zhuǎn)動動能Ek,并填在上面的表格里。
(2)由上述數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該砂輪的轉(zhuǎn)動動能Ek與質(zhì)量m、角速度ω、半徑r的關(guān)系式為_____________。
(3)以上實驗運(yùn)用了物理學(xué)中的一個重要的思維方法是:_________________!
13. (16分)探究能力是物理學(xué)研究的重要能力之一.有同學(xué)通過設(shè)計實驗來探究物體因繞軸轉(zhuǎn)動而具有的轉(zhuǎn)動動能與哪些因素有關(guān)。他以圓型砂輪為研究對象,研究其轉(zhuǎn)動動能與其質(zhì)量、半徑、角速度等的具體關(guān)系。如圖16所示,砂輪由動力帶動勻速旋轉(zhuǎn)測得其角速度ω,然后讓砂輪脫離動力,用一把彈性尺子與砂輪接觸使砂輪慢慢停下,設(shè)尺和砂輪間的摩擦力恒為,(不計轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量及其與支架間的摩擦)分別取不同質(zhì)量、不同半徑的砂輪,使其以不同角速度旋轉(zhuǎn)的進(jìn)行實驗,最后得到的數(shù)據(jù)如下表所示:
14. (18分) A、B兩滑塊在同一光滑的水平直導(dǎo)軌上相向運(yùn)動發(fā)生碰撞(碰撞時間及短),用閃光照相機(jī),閃光4次攝得的閃光照片如圖所示,已知閃光的時間間隔為,而閃光本身持續(xù)時間極短,在這4次閃光的瞬間,A、B兩滑塊均在0~
(1)碰撞發(fā)生在何處?
(2)碰撞發(fā)生在第一次閃光后多少時間?
(3)兩滑塊的質(zhì)量之比等于多少?
1. B 解析:由圖可知AB、BC、CD的距離分別是
2. C 解析:依題意作出物體的v-t圖象,如圖1所示。圖線下方所圍成的面積表示物體的位移,由幾何知識知圖線②、③不滿足AB=BC。只能是①這種情況。因為斜率表示加速度,所以a1<a2,選項C正確。
3. D 解析:對掛鉤進(jìn)行受力分析,如圖所示,圖中α、β為A、B繩與豎直方向的夾角,兩繩拉力如圖中FA0、FB0所示;當(dāng)右側(cè)桿向左平移,則α、β均變小,兩繩拉力如圖中FA、FB所示;由圖可知,A、B繩的拉力均變小,AB錯;由于掛鉤受力平衡,兩繩對掛鉤的拉力合力一定與衣服對掛鉤的拉力大小相等、方向相反,因此合力不變,D正確。
4. A 解析:從0到的時間內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度從2均勻減小到0,根據(jù)楞次定律和右手定則可判斷出感應(yīng)電流的方法與規(guī)定的方向相反,大小為:;同理,從到T的時間,磁感應(yīng)強(qiáng)度方向向下,大小均勻增大,感應(yīng)電流的磁場方向向上,由右手定則可知感應(yīng)電流的方法與規(guī)定的方向相反,大小為:,故A選項正確。
5. ABC 解析:從F-t圖象上可以看出,在0~t1、t2~t3和t4以后的時間內(nèi),彈簧秤對鉤碼的拉力F等于鉤碼的重力10N;t1~t2這段時間內(nèi),彈簧秤對鉤碼的拉力F小于鉤碼的重力,鉤碼處于失重狀態(tài);t3~t4這段時間內(nèi),彈簧秤對鉤碼的拉力F大于鉤碼的重力,鉤碼處于超重狀態(tài),所以選項ABC正確。
6. B 解析:由圖像的變化快慢可知曲線ab先變化非?,為斥力圖,cd為引力圖,e點是兩曲線的交點,即分子間引力與斥力相等時,此時分子間距離的數(shù)量級為10-
7. C 解析:假設(shè)將小球放在彈簧頂端釋放球,這就是一個常見的彈簧振子,由對稱性知,球到達(dá)最低點的加速度為,本題中彈簧在最低點時壓縮量比假設(shè)的模型大,故答案為C.
8. B 解析:導(dǎo)體桿往復(fù)運(yùn)動,切割磁感線相當(dāng)于電源,其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=Blv,由于桿相當(dāng)于彈簧振子,其在O點處的速度最大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,因此電路中的電流最大。根據(jù)右手定則,電流在P、Q兩處改變方向,此時的電流為零。故選擇B.
9.
解析:由電源的伏安特性曲線讀得電源電動勢為E=1.5V,橫截距表示短路電流I=
a點對應(yīng)的電源輸出電壓為1.0V,電流為
圖線中的b點所對應(yīng)的外電阻Rb上的電壓為0.5V,流過其中的電流為
11. 解析:(1)因為電路中需要得到改裝后電壓表量程與電源電動勢兩個未知數(shù),所以需要兩個電路狀態(tài)聯(lián)立方程求解。連接如圖所示。
(2)當(dāng)當(dāng)S1與S2均閉合時,由閉合電路的歐姆定律得:
即: ①
當(dāng)S1閉合,S2斷開時,由閉合電路的歐姆定律得:
,
即: ②
由①②兩式可得:,
則電壓表的量程:
12. 解析:用圖象求解,做出速度時間圖象如圖所示,從圖象看出從B上升到最高點的時間與由最高點落回A的時間之比為1:2,所以從A運(yùn)動到B的時間與從B上升到最高點的時間之比為1:3,即,又 所以解得
13.
半徑/cm
質(zhì)量/m0
角速度/rad?s-1
圈數(shù)
轉(zhuǎn)動動能/J
6.4
14.4
25.6
12.8
19.2
25.6
25.6
57.6
102.4
(2)EK = kmω2 r2 (k是比例常數(shù)) (3)控制變量法
14. 解析:(1)依題意分析可知:碰撞發(fā)生在第1、2兩次閃光時刻之間,碰撞后B靜止,故碰撞發(fā)生在x=
(2)碰撞后A向左做勻速直線運(yùn)動,設(shè)其速度為,
碰撞到第二次閃光時A向左運(yùn)動
第一次閃光到發(fā)生碰撞時間為,有:
由以上各式可得:
(3)取向右方向為正方向,碰撞前:A的速度,B的速度
碰撞后:A的速度,B的速度
由動量守恒守恒定律可得:
由以上各式可得::=2:3
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