專題十一--物理問題的一般分析方法高三物理上.doc

專題十一 物理問題的一般分析方法命題趨勢與原來的考試不同，“綜合能力測試”多以現實生活中有關的理論問題和實際問題立意命題，要求更加真實和全面地模擬現實。試題要求學生的能力主要不是對事物的結局或某一側面進行描述，而是注重對事物整體的結構、功能和作用的認識，以及對事物發(fā)展過程的分析理解。解答這類問題，構建物理模型是關鍵，而且是難點。由于情境的新穎，原來儲存在頭腦中的模型無法直接應用，完全要憑借自己的思維品質來構建模型，對考生的能力是一個極大的考驗。實際上這也是命題者的用心所在，因為考生構建模型的情況，能真實地反映他的理解能力、分析綜合能力、獲取知識的能力等多種能力。教學目標：1通過專題復習，掌握物理問題的一般分析方法，提高構建物理模型的能力。2能夠從實際問題中獲取并處理信息，把實際問題轉化成物理問題，提高分析解決實際問題的能力。教學重點：通過專題復習，掌握物理問題的一般分析方法，提高構建物理模型的能力。教學難點：能夠從實際問題中獲取并處理信息，把實際問題轉化成物理問題，提高分析解決實際問題的能力。教學方法：講練結合，計算機輔助教學教學過程：一、知識概要審視物理情景 構建物理模型 轉化為數學問題 還原為物理結論互相關聯(lián)的物理狀態(tài)和物理過程構成了物理問題，解決物理問題的一般方法可歸納為以下幾個環(huán)節(jié)： 在這幾個環(huán)節(jié)中，根據問題的情景構建出物理模型是最關鍵的、也是較困難的環(huán)節(jié)。由問題情景轉化出來的所謂“物理模型”，實際上就是由理想的對象參與的理想的過程。如質點的自由落體運動、質點的勻速圓周運動、單擺的簡諧運動、點電荷在勻強電場中的運動、串并聯(lián)電路等等。這種物理模型一般由更原始的物理模型構成。原始的物理模型可分為如下兩類：對象模型（質點、輕桿、輕繩、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、理想電表、理想變壓器、勻強電場、勻強磁場、點光源、光線、原子模型等）過程模型（勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、平拋運動、簡諧運動、簡諧波、彈性碰撞、自由落體運動、豎直上拋運動等）物理模型所謂“建模”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化成理想的物理模型。正確構建物理模型應注意以下幾點：（1）養(yǎng)成根據物理概念和物理規(guī)律分析問題的思維習慣。結合題目描述的現象、給出的條件，確定問題的性質；同時抓住現象的特征尋找因果關系。這樣能為物理模型的構建打下基礎。（2）理想化方法是構建物理模型的重要方法，理想化方法的本質是抓住主要矛盾，近似的處理實際問題。因此在分析問題時要養(yǎng)成比較、取舍的習慣。（3）要透徹掌握典型物理模型的本質特征、不斷積累典型模型，并靈活運用他們。如研究碰撞時，總結出彈性碰撞和完全非彈性碰撞兩個模型，但后來發(fā)現一些作用時間較長的非碰撞類問題，也有相同的數學形式，這就可以把這些問題也納入到這兩個模型中去，直接應用這兩個模型的結論。在粒子散射實驗中，粒子與重金屬原子核的作用是非接觸性的靜電力作用，由于動能守恒也可納入彈性碰撞模型。二、考題回顧1（04年天津理綜）公路上勻速行駛的貨車受一擾動，車上貨物隨車廂底板上下振動但不脫離底板。一段時間內貨物在堅直方向的振動可視為簡諧運動，周期為T。取豎直向上為正方向，以某時刻作為計時起點，即，其振動圖象如圖所示，則（ ）A 時，貨物對車廂底板的壓力最大B 時，貨物對車廂底板的壓力最小C 時，貨物對車廂底板的壓力最大D 時，貨物對車廂底板的壓力最小答案：C2（04全國理綜23題16分）在勇氣號火星探測器著陸的最后階段，著陸器降落到火星表面上，再經過多次彈跳才停下來。假設著陸器第一次落到火星表面彈起后，到達最高點時高度為h，速度方向是水平的，速度大小為v0，求它第二次落到火星表面時速度的大小，計算時不計火星大氣阻力。已知火星的一個衛(wèi)星的圓軌道的半徑為r，周期為T。火星可視為半徑為r0的均勻球體。解：以g表示火星表面附近的重力加速度，M表示火星的質量，m表示火星的衛(wèi)星的質量，m表示火星表面出某一物體的質量，由萬有引力定律和牛頓第二定律，有 設v表示著陸器第二次落到火星表面時的速度，它的豎直分量為v1，水平分量仍為v0，有 由以上各式解得 3（04全國理綜）若以表示水的摩爾質量，表示在標準狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積，為在標準狀態(tài)下水蒸氣的密度，NA為阿佛加德羅常數，m、分別表示每個水分子的質量和體積，下面是四個關系式： 其中A和都是正確的 B和都是正確的C和都是正確的 D和都是正確的答案：B4（04年上海）在光滑水平面上的O點系一長為L的絕緣細線，線的另一端系一質量為m、帶電量為q的小球.當沿細線方向加上場強為E的勻強電場后，小球處于平衡狀態(tài).現給小球一垂直于細線的初速度v0，使小球在水平面上開始運動.若v0很小，則小球第一次回到平衡位置所需時間為 .答案：（提示：構建為單擺模型）5（04年廣東）一雜技演員，用一只手拋球.他每隔0.40s拋出一球，接到球便立即把球拋出，已知除拋、接球的時刻外，空中總有四個球，將球的運動看作是豎直方向的運動，球到達的最大高度是（高度從拋球點算起，取g=10m/s2） （ ）A 1.6m B 2.4m C3.2m D4.0m答案：C6（04年廣東）已經證實，質子、中子都是由上夸克和下夸克的兩種夸克組成的，上夸克帶電為，下夸克帶電為，e為電子所帶電量的大小，如果質子是由三個夸克組成的，且各個夸克之間的距離都為，試計算質子內相鄰兩個夸克之間的靜電力（庫侖力）解：質子帶電為+e，所以它是由2個上夸克和1個下夸克組成的。按題意，三個夸克必位于等邊三角形的三個頂點處（如圖所示）。這時上夸克與上夸克之間的靜電力應為 代入數值，得 =46N，為斥力。 上夸克與下夸克之間的靜電力為 代入數值，得=23N，為引力。 三、典題例析【例題1】如圖所示，在光滑的水平面上靜止著兩小車A和B，在A車上固定著強磁鐵，總質量為5 kg，B車上固定著一個閉合的螺線管。B車的總質量為10 kg?，F給B車一個水平向左的100 Ns瞬間沖量，若兩車在運動過程中不發(fā)生直接碰撞，則相互作用過程中產生的熱能是多少？命題意圖：以動量守恒定律、能量守恒定律、楞次定律等知識點為依托，考查分析、推理能力，等效類比模型轉換的知識遷移能力。錯解分析：通過類比等效的思維方法將該碰撞等效為子彈擊木塊（未穿出）的物理模型，是切入的關鍵，也是考生思路受阻的障礙點。解題方法與技巧：由于感應電流產生的磁場總是阻礙導體和磁場間相對運動，A、B兩車之間就產生排斥力，以A、B兩車為研究對象，它們所受合外力為零.動量守恒，當A、B車速度相等時，兩車相互作用結束，據以上分析可得：I=mBvB=（mA+mB）v，vB= m/s=10 m/s，v=6.7 m/s從B車運動到兩車相對靜止過程，系統(tǒng)減少的機械能轉化成電能，電能通過電阻發(fā)熱，轉化為焦耳熱.根據能量轉化與守恒：Q=mBv2-（mA+mB）v2=10102-15（）2 J=166.7 J【例題2】在原子反應堆中抽動液態(tài)金屬或在醫(yī)療器械中抽動血液等導電液體時，由于不允許傳動的機械部分與這些液體相接觸，常使用一種電磁泵，圖所示為這種電磁泵的結構.將導管放在磁場中，當電流通過導電液體時，這種液體即被驅動。如果導管中截面面積為ah，磁場的寬度為L，磁感應強度為B，液體穿過磁場區(qū)域的電流強度為I求驅動力造成的壓強差為多少？ 命題意圖：考查攝取信息構建模型的實踐創(chuàng)新能力。錯解分析：考生慣于已知物理模型的傳統(tǒng)命題的求解，在此無法通過原型啟發(fā)，將液體類比為磁場中導體，建立起熟知的物理模型，無法使問題切入。解題方法與技巧：此題的題源背景是電磁泵問題，它的原理是，當電流流過液體時，液體即為載流導體，在磁場中將受到安培力作用，力的方向由左手定則判定，所以液體將沿v的方向流動。液體通電后可視為導體，從電磁場的原理圖中可抽象出如圖所示的模型，既通電導體在磁場中受力模型.以載流導體為研究對象，根據安培力公式，載流導體受到的安培力（即液體受力）為：F=BIh 由壓強公式，得p= 且S=ah 由得p=【例題3】精密測量電子比荷的現代方法之一是雙電容法，其裝置如圖2所示，在真空管中由陰極K發(fā)射電子，其初速度可忽略不計。此電子被陰極K與陽極A間的電場加速后穿過屏障D1上的小孔，然后依次穿過電容器C1、屏障D2上的小孔和第二個電容器C2而射到熒光屏F上。陽極與陰極之間的電勢差為U，分別在電容器C1、C2上加有頻率為f的完全相同的正弦式交變電壓，C1、C2中心間的距離為L，選擇頻率f使電子束在熒光屏上的亮點不發(fā)生偏轉。試證明電子的比荷為（其中n為正整數）。解題方法與技巧：由題意，研究對象必然是電子，其對象模型顯然是帶電的質點；對其過程模型的構建，可按先后順序考慮；首先是在電場中的變加速運動，這是我們能處理的模型；接著進入電容器，遇到偏轉電場，由于電容器上加的是變化電壓，那么其中的電場是不穩(wěn)定的，隨時間變化的，電子沿電場方向的運動不是勻變速運動，這是我們沒辦法處理的。但考慮到電子加速后，速度很大，通過電容器的時間極短，如果忽略這一段時間內的電壓變化，那么可把電子通過電容器的過程抽象為帶電質點在穩(wěn)定勻強電場中的物理模型，電場的強度取決于進入電場的時機?，F在有兩個電容器，而且要求電子最后不偏轉，那么電子在電容器中的運動是否有更具體的物理模型呢？模型很簡單，就是進入每個電容器的時機都正好是電場強度等于零的時候，電子作勻速直線運動通過兩個電容器。電子進入第一個電容器的時刻t1應滿足條件U0sin2ft1 =0，即2ft1=n1。其中n1是自然數。同樣，進入第二個電容器的時刻t2應滿足條件U0sin2ft2 =0，即2ft1=n2。其中n2是自然數。所以，當t2-t1=，即時，電子束不發(fā)生偏轉，其中n是正整數。又因為 所以 點評：該題讓我們又一次體驗到了理想化方法的重要性。帶電粒子在電容器中運動，一般是要考慮偏轉，但該題卻是不偏轉，因此構想出這一模型確是該題的難點。【例題4】 如圖（1）所示，有兩塊大小不同的圓形薄板（厚度不計），質量分別為M和m，半徑分別為R和r，兩板之間用一根長為0.4m的輕繩相連結。開始時，兩板水平放置并疊合在一起，靜止于高度為0.2m處。然后自由下落到一固定支架C上，支架上有一半徑為R（rR 3時，兩板獲得向上的共同速度；當k3時，兩板獲得向下的共同速度；當k=3時，v=0，兩板瞬時速度為零，接著再自由下落?！纠}5】 某商場安裝了一臺傾角為30的自動扶梯，該扶梯在電壓為380V的電動機帶動下以0.4m/s的恒定速率向斜上方移動，電動機的最大輸出功率為4.9kW。不載人時測得電動機中的電流為5A，若載人時扶梯的移動速率與不載人時相同，則這臺自動扶梯可同時乘載的最多人數為 。（設人的平均質量為60kg，g=10m/s2）解題方法與技巧：忽略電動機內阻的熱損耗，電動機的輸入功率和輸出功率相等。即空載時維持扶梯運行的電功率為 W故可用于載送乘客的多余功率為kW扶梯斜向上作勻速運動，故每位乘客受重力mg和支持力F作用，且F =mg。電動機通過扶梯支持力對人做功，其功率為P，P=Fvcosa =mgcos（90-30）=120W，故同時乘載的最多人數為 點評：本題取自日常社會生活問題，怎樣把這個同學們所熟悉的實際問題轉化為物理模型，從而運用有關功能關系來解決它，這是一種實際應用能力。四、能力訓練1如圖所示，AB為半徑R=2 m的一段光滑圓槽，A、B兩點在同一水平 面上，且長20 cm，將小球由A點釋放，則它運動到B點所用的 時間為多少？（g取10 m/s2）2真空中，速度v=6.4107 m/s的電子束水平地射入兩平行金屬板間，如圖所示。極板長度L=8.010-2 m，間距d=5.010-3 m，極板不帶電時，電子束將沿兩極板的中線通過，若兩極板間加50 Hz的交流電壓U=Umsint，當所加電壓的最大值Um超過某一數值U0時，將開始出現以下現象：電子束有時通過極板，有時間斷（不能通過），求U0的大小。3一人做“蹦極”運動，用原長15 m的橡皮繩拴住身體往下躍，若此人質量為50 kg，從50 m高處由靜止下落，運動停止瞬間所用時間為4 s，則橡皮繩對人的平均作用力約為_。（g取10 m/s2）4若正常人心臟在一次搏動中泵出血液70 mL，推動血液流動的平均壓強為1.6104 Pa，設心臟主動脈的內徑為2.5 cm，每分鐘搏動75次，求：（1）心臟推動血液流動的平均功率是多大？（2）血液從心臟流出的平均速度是多大？5如圖所示，一塊寬為a、厚為h的金屬導體放在磁感應強度為B的勻強磁場中，磁場方向與金屬導體上下表面垂直.若金屬導體中通有電流強度為I、方向自左向右的電流時，金屬導體前后兩表面會形成一個電勢差，已知金屬導體單位長度中的自由電子數目為n，問：金屬導體前后表面哪一面電勢高？電勢差為多少？6有一種磁性加熱裝置，其關鍵部分由焊接在兩個等大的金屬圓環(huán)上的n根間距相等的平行金屬條組成，成“鼠籠”狀，如圖所示.每根金屬條的長度為l，電阻為R，金屬環(huán)的直徑為D、電阻不計。圖中虛線表示的空間范圍內存在著磁感應強度為B的勻強磁場，磁場的寬度恰好等于“鼠籠”金屬條的間距，當金屬環(huán)以角速度繞過兩圓環(huán)的圓心的軸OO旋轉時，始終有一根金屬條在垂直切割磁感線?！笆蠡\”的轉動由一臺電動機帶動，這套設備的效率為，求電動機輸出的機械功率。7人從一定高度落地容易造成骨折，一般成人脛骨的極限抗壓力強度約為1.5107 N/m2，脛骨的最小橫截面積一般為3.2 cm2.假若一質量為50 kg的人從一定高度雙足落地，落地時下蹲其重心又下降15 cm，試計算這個高度超過多大時，就會導致脛骨骨折.8電磁泵是應用磁力來輸送導電液體（如液態(tài)金屬、血液等）的裝置，它不需要機械活動組件.如圖所示是電磁泵輸送導電液體原理的