例谈物理过程的分析方法.pdf

2 o l O年 4月 V o 1 2 8 N o 0 7 中学物理 例 谈 物 理 过 程 的 分 析 方 法 李艳军 迁安市第二中学河北 迁安O 6 4 4 o 0 考生能否准确地分清物理过程是解决物理问 题的关键 反映出学生分析 解决物理问题能力的高 低 因此 历届高考试卷都设置有一系列物理过程分 析的试题 在 日常教学中 我们经常发现有些学生由 于对物理过程分析不清导致思维混乱 不能灵活地 运用已学过的物理知识解决 问题 这部分同学的差 距 绝大部分反映在研究方法和分析习惯上 所以掌 握了科学的物理过程分析方法 也就掌握了成功解 决问题的钥匙 本文就如何分析物理过程向大家介 绍几种方法 仅供参考 1 画好情景示意图 形象展示物理过程 在分析物理过程时 做出通过抽象思维加工和 概括出来的示意图 可以帮助我们建立清晰有序的 物理过程 确立各物理量间的关系 把问题具体化 形象化 示意图可以是运动过程图 受力分析图 状 态变化图 也可 以是投影 法 等效法得到的示意图 等 在审题过程中 要养成画示意图的好习惯 例 1 天空有近似等高的浓云层 为了测量云 层的高度 在水 平地面上与观测者 的距 离为 d 3 0 k m处进行一次爆炸 观测者听到 由空气直接传 来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差 A t 6 0 s 试估算云层下表 面的高度 已知空气中 的声速 1酬 s 解析 求 解此 问题 的关键是明了爆炸声在空 中传播的情景 画出过程 示意图如图 1 A表示爆炸 处 o 表示观测者所在处 图l h表示云层下表面的高度 用 表示爆炸声直接传 到 0 处所经时间 则有 d 1 用 t 表示爆炸声经云层反射到达 0处所经历 时间 因为入射角等于反射角 故有 r 一 2 h v t 2 2 已知 t 2一t l A t 3 联立 1 2 3 式 可得 5 6 h 丢 代人数值得 h 2 0 X i 0 1T I 点评 过程示意图清晰地反映了两个物体运 动的时空关系 为正确解题创造了条件 所以解题时 一 定要养成正确画示意图的习惯 2 运用物理图象分析物理过程 物理图象能够形象 直观地描述物理事件发生 发展 变化的过程 从整体上把物理过程的动态特征 展现得更清楚 应用图象 不仅能进行定性分析 比 较判断 也适用于定量的计算及论证 许多问题 当 用其他方法较难解决时 常能从图象上触发灵感 另 辟蹊径 例 2 如图2所示 两质量相等的物块 A B通 过一轻质弹簧连接 B足够长 放置在水平面上 所 有接触面均光滑 弹簧开始时处于原长 运动过程中 始终处在弹性限度 内 在物块 A 上施加一个水平恒 力 A B从静止开始运动到第一次速度相等的过程 中 下列说法中正确的有 2 A 当A B加速度相等时 系统的机械能最大 B 当 A B加速度相等时 A B 的速度差最大 C 当A B的速度相等时 A的速度达到最大 D 当 A B 的速度相等时 弹簧的弹性势能 最大 解析 处理本题的关键是对物体进行受力分 析和运动过程分析 使用图象处理则可以使问题大 大简化 对 A B在水平方向受力分析如图 3 F 为 弹簧的拉力 两物体运动的 3 一t 图象如图4 t 时 刻 两物体加速度相等 速度差最大 t 时刻两物体 的速度相等 A速度达到最大值 两实线之间围成的 n J t 图 3 中学物理 V o 1 2 8 No 0 7 2 0 1 0年 4月 面积有最大值即两物体的相对位移最大 弹簧被拉 到最长 除重力和弹簧弹力外其它力对系统做正功 系统机械能增加 t 时刻之后拉力依然做正功 即加 速度相等时 系统机械能并非最大值 答案 B D 图 4 点评 图象是一种重要的研究和处理物理问 题的方法 由图象展示物理情景 一定要明了图象表 示的物理意义 找准各段图线对应的物理过程 特别 要明了截距 斜率 图线所围面积 两图线交点等的 物理意义 3 将复杂过程分段处理 对综合性较强 过程较复杂的题 目 一般采用分 段处理 即按照时间和空间的发展顺序 将复杂过程 合理的分解为几个彼此相对独立 又相互联系的阶 段 再根据各个阶段遵从的物理规律逐一列出方程 还要抓住前后阶段相联 系的物理量 将整个 过程链 接到一起 例 3如 图5 所示 倾角为 的斜 面上静止放置 三个质量均为 的木箱 相邻两木 箱的距 离均为 Z 工人用沿斜面的力推 最下面的木箱使之上滑 逐一 与其它木箱碰撞 每次碰撞后木箱都粘在一起运动 整个过程 中工人的推 力不变 最后恰好能推 着三个 木箱匀速上滑 已知木箱与斜面间的动摩擦 因数为 1 重力加速度为 g 设碰撞时间极短 求 图 5 1 工人的推力 2 三个木箱匀速运动的速度 3 在第一次碰撞中损失的机械能 解析 本题过程较为繁琐 可分解为如下五个 过程 过程一 第一个木箱从静止开始运动到与第 二个物体碰撞前 设第一个木箱与第二个木箱碰撞 之前的速度为 加速度为 a 由牛顿第二定律有 F mgs i n O t z mgo a s O m a1 根据运动学公式有 2 a z 过程二 第一个木箱与第二个木箱碰撞 设碰 撞后的速度为 根据动量守恒有 1 1Z 0 2 m y 过程三 前两个木箱一起向上运动与第三个 木箱碰撞前 设此过程加速度为 a 碰撞前的速度 为 由牛顿第二定律有 F 一2mgs i n O一2 t z mgo a s O 2ma2 根据运动学公式有 一 2 a 1 过程四 前两个木箱与第三个木箱碰撞 设碰 撞后三个木箱的共同速度为 根据动量守恒有 2my 3 3 my 4 过程五 三个木箱一块匀速上滑 把三个物体 看作一个整体 根据平衡知识有 F 3 mgs i n O 3 t t mgms O 解题时 将推力 F的表达式按顺序带人上式 即可得 一 4 寺 2 g L s in O I e o s O 设第一次碰撞 中的能量损 失为 z X E 根据能量 守恒有 1 1 寺m y E 2 m y i 带入数据得 a X E mg L s i n 0 t e o s 0 点评 此题 由于过程较多 有的同学不敢或者 无从下手 遇到此类问题 首先在心理上不要畏惧 不要轻易放弃 一定要注意分析物理过程的细节 弄 清了各个过程的运动特点及相关联系 也就找到了 解题的关键 4 注意挖掘隐含条件和临界条件 寻找解题突 破 口 高考物理之所以难 不仅因为物理过程复杂多 变还由于潜在条件的隐蔽性 对于那些具有隐蔽性 的条件 只有全部挖掘出来 才能使一些比较模糊的 物理过程变得具体化 形象化 例 4 某校物理兴趣小组决定举行遥控赛车比 赛 比赛路径如图 6所示 赛车从起点 A 出发 沿水 平直线轨道运动 L后 由B点进入半径为R的光滑 竖直圆轨道 离开竖直圆轨道后继续在光滑平直轨 道上运动到 C点 并能越过壕沟 已知赛车质量 0 1 k g 通电后 以额定功率P 1 5 W 工作 进入 竖直轨道前受到阻力恒为 0 3 N 随后在运动中受 到的阻力均可不记 图中 L 1 0 0 0 m R 0 3 2 m h 1 2 5 m S 1 5 0 m 问 要使赛 车完成 比 赛 电动机至少工作 多长时间 5 7 2 o 1 O 年 4月 V o 1 2 8 No 0 7 中学物理 圈 6 解析 赛车完成比赛 至少工作时间 隐含了 两层意思 一是赛车能通过竖直面并能越过壕沟 二 是电动机使赛车获得的速度最小 设赛车越过壕沟 需要的最小速度为 由平抛运动的规律 1 s O 1 t h 音 Z 解 得 s 3 m s 设赛车恰好越过圆轨道 对应圆轨道最高点的 速度为 最低点的速度为 勘 由牛顿第二定律及 2 机械能守恒定律m g m d 2 告 i 1 优 22 m g 2 R 解得 3 5 g n 4 m s 通过以上分析 赛车既能通过竖直面又能越过 壕沟 进入 圆轨 道前 的速度最 小应该 是 响 4 m s 设电动机工作时间至少为 t 根据功能原理 1 一 P t f L 去m 2 由此可得 t 2 5 3 s 点评 在审题时 不仅要注意那些给出具体数 字或字母的显性条件 更要抓住另外一些叙述性语 言 特别是 恰好 最大 最多 至少 等关键字 眼 这些词往往暗示着临界状态的存在 5 注意物理过程的多样性 许多试题 具有开放性 有多种答案 其原因就 是其物理过程具有多种可能性 如机械波 碰撞 带 电粒子在磁场中的运动等等 考生需要发散思维 对 题中所述条件 物理过程逐个仔细分析 思维要严 密 防止漏解 例 5 过山车是游乐场中常见的设施 图7是 一 种过山车的简易模型 它由水平轨道和在竖直平 面内的三个圆形轨 道组成 B C D 分别是 三个 圆 形轨道的最低点 B C间距与C D 间距相等 半径 R1 2 0 m R2 1 4 m 一个质量为 m 1 0 k g 的小球 视 为质 点 从 轨道 的左侧 A 点 以 0 1 2 0 r n s 的初速度沿轨道向右运动 A B间距 L 6 0 m 小球与水平轨道间的动摩擦 因数 l 0 5 8 2 圆形轨道是光滑的 假设水平轨道足够长 圆形轨 道问不相互重叠 如果小球恰能通过g l 形轨道 B C间距L为1 2 5 m 求在满足上述条件下 如果 要使小球不能脱离轨道 在第三个圆形轨道的设计 中 半径 R 3 应满足的条件 高考题改编 图7 解析 若小球能通过圆轨道的最高点 则小球 一 定不脱离轨道 或是小球运动到与圆心等高处立 即返回 小球也不会脱离轨道 I 轨道半径较小时 小球恰能通过第三个圆轨 道 设在最高点的速度为 应满足 2 mg m 一 Il m g L l 2 L 一 2 m g R 3 告优 一 告 7 7 l 解得 R3 0 4 m 轨道半径较大时 小球上升的最大高度为 R 根据动能定理 一p m g L1 2 L 一mg R3 0一 7 7 z 解得 R3 1 0 m 为了保证圆轨道不重叠 R 最大值应满足 R2 R3 L R3 一R2 解得 R 2 7 9 m 综合 I 要使小球不脱离轨道 则第三个圆 轨道的半径须满足下面的条件 0 R3 0 4 m或 I 0 m R3 2 7 9 m 点评 对于此类问题 一定要深入分析题意 找到将会出现的各种可能情况 并逐一解答出来 防 止漏解 这就要求我们