物理模型的構(gòu)建

1、物理模型的構(gòu)建隨著高考改革的深入，新高考更加突出對(duì)考生應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力的考查，大量實(shí)踐應(yīng) 用型、信息給予型、估算型命題頻繁出現(xiàn)于卷面，由此，如何于實(shí)際情景中構(gòu)建物理模型借 助物理規(guī)律解決實(shí)際問題則成了一個(gè)重要環(huán)節(jié).難點(diǎn)磁場(chǎng)()如圖30-1所示，AB為半徑R=2 m的一段光滑圓槽，A、B兩點(diǎn)在同一水平面上，且AB長(zhǎng)20 cm，將小球由A點(diǎn)釋放，則它運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)所用的時(shí)間為多少？ (g取 10 m/s2)圖 30-12. ()真空中，速度v=6. 4X 107 m/s的電子束水平地射入兩平行金屬板間，如圖30-2所示.極板長(zhǎng)度圖 30-12. ()真空中，速度v=6. 4X 107 m/s的電子束

2、水平地射入兩平行金屬板間，如圖30-2所示.極板長(zhǎng)度L=8. 0X10-2 m，間距d=5. 0X10-3 m，極板不帶電時(shí)，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=UmsinS,當(dāng)所加電壓的最大值圖 30-2Um超過某一數(shù)值U0時(shí)，將開始出現(xiàn)以下現(xiàn)象：電子束有時(shí)通過極板有時(shí)間斷(不能通過)，求U0的大小.案例探究例()如圖30-3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(qiáng)磁鐵，總質(zhì)量為5 kg,B車上固定著一個(gè)閉合的螺線管.B車的總質(zhì)量為10 kg.現(xiàn)給B車一個(gè)水平向左的100 Ns瞬間沖量，若兩車在運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生直接碰撞，則相互作用過程中產(chǎn)生的熱能是

3、多少?圖 30-3命題意圖：以動(dòng)量守恒定律、能的轉(zhuǎn)化守恒定律、楞次定律等知識(shí)點(diǎn)為依托，考查分析、 推理能力，等效類比模型轉(zhuǎn)換的知識(shí)遷移能力.錯(cuò)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(guān)鍵，也是考生思路受阻的障礙點(diǎn).解題方法與技巧：由于感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是阻礙導(dǎo)體和磁場(chǎng)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，A、B兩 車之間就產(chǎn)生排斥力，以A、B兩車為研究對(duì)象，它們所受合外力為零.動(dòng)量守恒，當(dāng)A、 B車速度相等時(shí)，兩車相互作用結(jié)束，據(jù)以上分析可得：m/s=10 m/s,I 100m/s=10 m/s,I=mBVB=(mA+mBVB=云=10100v= =6. 7 m/s(m

4、m )從B車運(yùn)動(dòng)到兩車相對(duì)靜止過程，系統(tǒng)減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，電能通過電阻發(fā)熱， 轉(zhuǎn)化為焦耳熱.根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒:(mA+mB)v21100=X10X102- X15X()2 J=166. 7 J215圖 30-4例2 ( )在原子反應(yīng)堆中抽動(dòng)液態(tài)金屬或在醫(yī)療器 械中抽動(dòng)血液等導(dǎo)電液體時(shí)，由于不允許傳動(dòng)的機(jī)械部 分與這些液體相接觸，常使用一種電磁泵，圖30-4所示 為這種電磁泵的結(jié)構(gòu).將導(dǎo)管放在磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過 導(dǎo)電液體時(shí)，這種液體即被驅(qū)動(dòng).如果導(dǎo)管中截面面積 為a-h，磁場(chǎng)的寬度為L(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，液體穿過磁場(chǎng)區(qū)域的電流強(qiáng)度為I求 驅(qū)動(dòng)力造成的壓強(qiáng)差為多少？圖 30-4命題意圖：考查

5、攝取信息構(gòu)建模型的實(shí)踐創(chuàng)新能力.B級(jí)要求.錯(cuò)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(chǎng)中導(dǎo)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(dāng)電流流過液體時(shí)，液體即為載流導(dǎo)體，在磁場(chǎng)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U的方向流動(dòng).液體通電后可視為導(dǎo)體，從電磁場(chǎng) 的原理圖中可抽象出如圖30-5所示的模型，既通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力模型.以載流導(dǎo)體為 研究對(duì)象，根據(jù)安培力公式，載流導(dǎo)體受到的安培力(即液體受力)為：F=BIhF由壓強(qiáng)公式，得p=3且 S=a hBI由得p= -a錦囊妙

6、計(jì)理想化模型就是為便于對(duì)實(shí)際物理問題進(jìn)行研究而建立的高度抽象的理想客體.高考命題以能力立意，而能力立意又常以問題立意為切入點(diǎn)，千變?nèi)f化的物理命題都是 根據(jù)一定的物理模型，結(jié)合某些物理關(guān)系，給出一定的條件，提出需要求的物理量的.而我 們解題的過程，就是將題目隱含的物理模型還原，求結(jié)果的過程.運(yùn)用物理模型解題的基本程序：通過審題，攝取題目信息.如：物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理情景、物理狀態(tài)、物 理過程等.弄清題給信息的諸因素中什么是起主要因素.在尋找與已有信息(某種知識(shí)、方法、模型)的相似、相近或聯(lián)系，通過類比聯(lián) 想或抽象概括，或邏輯推理，或原型啟發(fā)，建立起新的物理模型，將新情景問題“難題”轉(zhuǎn) 化為常

7、規(guī)命題.選擇相關(guān)的物理規(guī)律求解.殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練() 一人做“蹦極”運(yùn)動(dòng)，用原長(zhǎng)15 m的橡皮繩拴住身體往下躍，若此人質(zhì)量為50 kg，從50 m高處由靜止下落，運(yùn)動(dòng)停止瞬間所用時(shí)間為4 s，則橡皮繩對(duì)人的平均 作用力約為. (g取10 m/s2)( )若正常人心臟在一次搏動(dòng)中泵出血液70 mL，推動(dòng)血液流動(dòng)的平均壓強(qiáng)為1. 6X104 ?2，設(shè)心臟主動(dòng)脈的內(nèi)徑為2. 5 cm，每分鐘搏動(dòng)75次，求:心臟推動(dòng)血液流動(dòng)的平均功率是多大？血液從心臟流出的平均速度是多大？()如圖30-6所示，一塊寬為。、厚為h的金屬導(dǎo)體放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與金屬導(dǎo)不佇!體上下表面垂直.若金屬導(dǎo)體中通

8、有電流強(qiáng)度為/、方向自左向右的電流時(shí)，金屬導(dǎo)體前后兩表面會(huì)形成一個(gè)電勢(shì)差，圖30-6已知金屬導(dǎo)體單位長(zhǎng)度中的自由電子數(shù)目為，問：金屬導(dǎo)體前后表面哪一面電勢(shì)高?電勢(shì)差為多少？()有一種磁性加熱裝置，其關(guān)鍵部分由焊接在兩個(gè)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“鼠圖 30-7籠”狀，如圖30-7所示.每根金屬條的長(zhǎng)度為/，電阻為R，金屬環(huán)的直徑為。、電阻不計(jì).圖中虛線表示的空間范圍內(nèi)存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的 勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的寬度恰好等于“鼠籠”金屬條的間距，當(dāng)金屬環(huán)以角速度3繞過兩圓 環(huán)的圓心的軸00旋轉(zhuǎn)時(shí)，始終有一根金屬條在垂直切割磁感線.“鼠籠”的轉(zhuǎn)動(dòng)由 一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，這套設(shè)備的效

9、率為n，求電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率.()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(qiáng)度約為1. 5X 107 N/m2，脛骨的最小橫截面積一般為3. 2 cm2.假若一質(zhì)量為50 kg的人從一定高 度雙足落地，落地時(shí)下蹲其重心又下降15 cm，試計(jì)算這個(gè)高度超過多大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致 脛骨骨折.( )電磁泵是應(yīng)用磁力來輸送導(dǎo)電液體(如液態(tài)金屬、血液等)的裝置，它不需要機(jī)械活動(dòng)組件.圖30-8是電磁泵輸送導(dǎo)電液體原理的示意圖，絕緣管道的橫截面為 邊長(zhǎng)。=0. 3 cm的正方形，導(dǎo)電液體在管中緩緩流動(dòng)，在管道中取長(zhǎng)為L(zhǎng)=2. 00 cm的 部分，將它的上下管壁做成可以導(dǎo)電的導(dǎo)體，通以電流I，勺/

10、芋電勝苒并在垂直于管道和電流的方向加一個(gè)橫向磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)，一 芋電勝苒度為B=1. 50 T.要在管道中產(chǎn)生4. 0X103 Pa的壓強(qiáng)推動(dòng)導(dǎo)電液體流動(dòng)，電流強(qiáng)度I應(yīng)為多少?圖 30-8難點(diǎn)30物理模型的構(gòu)建參考答案難點(diǎn)磁場(chǎng)1. 1. 40 s 2. U0=91 V殲滅難點(diǎn)訓(xùn)練1.870880N2.(1) 1. 4 W (2) 0. 18 1.870880N2.(1) 1. 4 W (2) 0. 18 m/s3.用左手定則可知，金屬導(dǎo)體后表面聚集較多的電子，故前表面電勢(shì)較高，自由電子在定向移動(dòng)過程中受電場(chǎng)力和洛倫茲力作用，于是eE=evB,E= ,I=nev,a,口 aBI由以上三式解得：U=ne4.D處于磁場(chǎng)中的金屬條切割磁感線的線速度為V= 3,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為DE=Blv= Bl 3.2通過切割磁感線的金屬條的電流為E(n 1) Blw DI=D R2nRR + n 1磁場(chǎng)中導(dǎo)體受到的安培力為F=B，克服安培力做功的功率為1P =Fv=- F-D，安 2電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率為p=p安/n，(n 1)B 212 2 D 2聯(lián)立以上各式解出P=/4nR5.雙腳脛骨面積最小處能承受沖擊力的最大值F=pS=1. 5X107X2X3. 2X10-4=9. 6X103 N設(shè)人的質(zhì)量為m，下落的安全極限高度是h1,觸地后重心又下降的高度為