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1、圖2“等時(shí)圓”模型的基本規(guī)律及應(yīng)用(此文章已發(fā)表于考試雜志)前段時(shí)間在網(wǎng)上發(fā)了一個(gè)帖子“等時(shí)圓規(guī)律有哪些應(yīng)用",居然有同志認(rèn)為是“等勢(shì)圓”吧。而在物理教學(xué)中,借助各種模型,把抽象問(wèn)題具體化,把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,能使得物理問(wèn)題便于理解和接受?;诖宋覍?duì)“等時(shí)圓”規(guī)律和應(yīng)用闡述如下:一、何謂“等時(shí)圓”如圖1所示,ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿,a、b、c、d位于同一圓周上,a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn),d點(diǎn)為最低點(diǎn)。每根桿上都套有一個(gè)小滑環(huán)(圖中未畫(huà)出),三個(gè)滑環(huán)分別從a、b、c處釋放(初速為0),用ti、t2、t3依次表示各,t環(huán)到達(dá)d所用的時(shí)間,則()<t2<t3>
2、;t2>t3>t1>t2=t2=t3解析:選任一桿上的環(huán)為研究對(duì)象,受力分析并建立坐標(biāo)如圖所示,設(shè)圓半徑為R,由牛頓第二定律得,mgcosma再由幾何關(guān)系,細(xì)桿長(zhǎng)度L2Rcos1設(shè)下滑時(shí)間為t,則L'at22由以上三式得,t2R可見(jiàn)下滑時(shí)間與細(xì)桿傾角無(wú)關(guān),所以.gD正確。由此題我們可以得出一個(gè)結(jié)論。結(jié)論:物體沿著位于同一豎直圓上的所有光滑弦由靜止下滑,到達(dá)圓周最低點(diǎn)的時(shí)間相等。推論:若將圖1倒置成圖2的形式,同樣可以證明物體從最高點(diǎn)由靜止開(kāi)始沿不同的光滑細(xì)桿到圓周上各點(diǎn)所用的時(shí)間相等。象這樣的豎直圓我們簡(jiǎn)稱(chēng)為“等時(shí)圓”。關(guān)于它在解題中的應(yīng)用,我們看下面的例子:、“等時(shí)
3、圓”的應(yīng)用1、可直接觀察出的“等時(shí)圓”例1:如圖3,通過(guò)空間任一點(diǎn)A可作無(wú)限多個(gè)斜面,若將若干個(gè)小物體從點(diǎn)A分別沿這些傾角各不相同的光滑斜面同時(shí)滑下,那么在同一時(shí)刻這些小物體所在位置所構(gòu)成的面是A.球面B.拋物面C.水平面D.無(wú)法確定解析:由“等時(shí)圓”可知,同一時(shí)刻這些小物體應(yīng)在同一“等時(shí)圓”上,所以A正確。例2:如圖4,位于豎直平面內(nèi)的固定光滑圓軌道與水平面相切于M直,與豎直墻相切于點(diǎn)A,豎直墻上另一點(diǎn)B與M勺連線(xiàn)和水平面的夾角為600,C是圓環(huán)軌道白圓心,D是圓環(huán)上與Mg得很近的一點(diǎn)(DMI小于CM。已知在同一時(shí)刻:a、b兩球分別由A、B兩點(diǎn)從靜止開(kāi)始沿光滑傾斜直軌道運(yùn)動(dòng)到M嵐;c球由C點(diǎn)
4、自由下落到M嵐;d球從D點(diǎn)靜止出發(fā)沿圓環(huán)運(yùn)動(dòng)到 M直。則:(A、a球最先到達(dá)M點(diǎn)、b球最先到達(dá)M點(diǎn)C c球最先到達(dá)M點(diǎn)、d球最先到達(dá)M點(diǎn)解析:設(shè)圓軌道半徑為R,“等時(shí)圓”理論,ta= 4R=2 R ,g . gt b> t a;爐故自由落體運(yùn)動(dòng)tc= J空;而d球滾下是一個(gè)單擺模型,g擺長(zhǎng)為4 2g,所以C正確。CA、B處于等時(shí)圓周上,且 P點(diǎn)處于等時(shí)圓的最低點(diǎn)時(shí),2、運(yùn)用等效、類(lèi)比自建“等時(shí)圓”例3:如圖5所示,在同一豎直線(xiàn)上有A、B兩點(diǎn),相距為h,B點(diǎn)離地高度為H,現(xiàn)在要在地面上尋找一點(diǎn)巳使彳導(dǎo)從A、B兩點(diǎn)分另向點(diǎn)P安放的光滑木板,滿(mǎn)足物體從靜止開(kāi)始分別由A和B沿木板下滑到P點(diǎn)的時(shí)間
5、相等,求O、P兩點(diǎn)之間的距離OP。解析:由“等時(shí)圓”特征可知,當(dāng)即能滿(mǎn)足題設(shè)要求。如圖6所示,此時(shí)等時(shí)圓的半徑為:-hR01PH一2所以O(shè)pr2(h)2JH(Hh)例4:如圖7,AB是一傾角為。的輸送帶,P處為原料輸入口,為避免粉塵飛揚(yáng),在P與AB輸送帶間建立管道(假使光滑),使原料從p處以最短的時(shí)間到達(dá)輸送帶上,則管道與豎直方向的夾角應(yīng)為多大解析:借助“等時(shí)圓”,可以過(guò)P點(diǎn)的豎直線(xiàn)為半徑作圓,要求該圓與輸送帶AB相切,如圖所示,C為切點(diǎn),。為圓心。顯然,沿著PC弦建立管道,原料從P處到達(dá)C點(diǎn)處的時(shí)間與沿其他弦到達(dá)“等時(shí)圓”的圓周上所用時(shí)間相等。因而,要使原料從P處到達(dá)輸送帶上所用時(shí)間最短,需
6、沿著PC建立管道。由幾彳S關(guān)系可得:PC與豎直方向間的夾角等于。三、“形似質(zhì)異”問(wèn)題的區(qū)分1、還是如圖1的圓周,如果各條軌道不光滑,它們的摩擦因數(shù)均為小小滑環(huán)分別從a、b、c處釋放(初速為0)到達(dá)圓環(huán)底部的時(shí)間還等不等解析:bd的長(zhǎng)為2Rcos。,bd面上物體下滑的加速度為a=gcos0-gsin0,4Rcosgsinggtan??梢?jiàn)t與。有關(guān)。cO,其下端都固定于底部2、如圖9,圓柱體的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)有三塊長(zhǎng)度不同的滑板a。b。300、450、600。若有三個(gè)圓心0,而上端則擱在倉(cāng)庫(kù)側(cè)壁,三塊滑塊與水平面的夾角依次為小孩同時(shí)從a、b、c處開(kāi)始下滑(忽略阻力),則(Aa處小孩最先到O點(diǎn)B、b處小孩最先到O點(diǎn)Cc處小孩最先到。點(diǎn)D、a、c處小孩同時(shí)到。點(diǎn)解析:三塊滑塊雖然都從同一圓柱面上下滑,但a、b、c
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