⑦
(3)设线圈产生的电动势为E1,其电阻为R,平行板电容器两端的电压为U,t时间内磁感应强度的变化量为
B,
由法拉第电磁感应定律得
⑧
由全电路的欧姆定律得E1=I(R+2R),⑨
由部分电路的欧姆定律得U=I2R
由匀强场强和电压的关系得U=Ed⑩
经过时间t,磁感应强度变化量的取值范围,
由以上三式可得:
:
0<
点评:
这道力电综合题,考查了运动,电路,电场,磁场等方面知识。
解决问题要运用动能定理,楞次定律,法拉第电磁感应定律,全电路欧姆定律,部分电路欧姆定律,匀强场强和电压关系,向心力公式,平行板电容器知识。
只要基础知识掌握牢靠,准确运用公式、定理、定律,就能正确求解。
[例2](07年四川理综卷25题)目前,滑板运动受到青少年的追捧。
如图
是某滑板运动员在一次表演时的一部分赛道在竖直平面内的示意图,赛道光滑,FGI为圆弧赛道,半径R=6.5m,G为最低点并与水平赛道BC位于同一水平面,
KA、DE平台的高度都为h=1.8m。
B、C、F处平滑连接。
滑板a和b的质量均
为m,m=5kg,运动员质量为M,M=45kg。
表演开始,运动员站在滑板b上,先让滑板a从A点静止下滑,t1=0.1s
后再与b板一起从A点静止下滑。
滑上BC赛道后,运动员从b板跳到同方向运
动的a板上,在空中运动的时间t2=0.6s(水平方向是匀速运动)。
运动员与a板一
起沿CD赛道上滑后冲出赛道,落在EF赛道的P点,沿赛道滑行,经过G点时,
运动员受到的支持力N=742.5N。
(滑板和运动员的所有运动都在同一竖直平面
内,计算时滑板和运动员都看作质点,取g=10m/s2)
(1)滑到G点时,运动员的速度是多大?
(2)运动员跳上滑板a后,在BC赛道上与滑板a共同运动的速度是多大?
(3)从表演开始到运动员滑至I的过程中,系统的机械能改变了多少?
分析:
这是一道力学综合题,分析综合从三个方面着手,首先挖掘隐含条件;其次分析运动过程,建立物理模型;再分析相关条件。
首先挖掘隐含条件:
赛道在竖直平面内,赛道光滑,FGI为圆弧赛道,G为最低点并与水平赛道BC位于同一水平面,KA、DE平台的高度都为h。
B、C、F处平滑连接。
滑板a和b的质量均为m,运动员质量为M。
运动员站在滑板b上,先让滑板a从A点静止下滑,t1=0.1s后再与b板一
起从A点静止下滑。
滑上BC赛道后,运动员从b板跳到同方向运动的a板上,
在空中运动的时间t2=0.6s(水平方向是匀速运动)。
运动员与a板一起沿CD赛道
上滑后冲出赛道,落在EF赛道的P点。
沿赛道滑行,经过G点时,运动员受到的支持力N=742.5N。
滑板和运动
员的所有运动都在同一竖直平面内,滑板和运动员都看作质点。
其次分析运动过程,建立物理模型:
滑板a从A点静止下滑,运动员站在
滑板b上从A点静止下滑,做的是无摩擦的变速运动;滑上BC赛道后,运动员从b板跳到同方向运动的a板上,水平方向是匀速运动;运动员与a板一起沿CD赛道上滑做的是无摩擦的变速运动;冲出赛道,落在EF赛道的P点,做的是抛体运动;运动员同a板在FGI圆弧赛道做的是圆周运动。
再分析相关条件:
试题题干叙述长,必须抓住主要矛盾,各个击破。
无摩擦
的变速运动,系统的机械能守恒;运动员从b板跳到同方向运动的a板上,水平
方向动量守恒;第
(2)问要注意相对速度和对地速度;第(3)问要注意落在
EF赛道的P点时,系统有能量损失,而人在从a板跳出时,系统有能量增加。
解答:
(1)运动员在最低点G点,所受支持力和重力的合力作为运动员做圆周运动的向心力
FN–G=
VG=
VG=6.5m/s
(2)由机械能守恒,滑板a在BC赛道上的速度是Va=
=6m/s
运动员与滑板b晚0.1s从A点静止下滑,在BC赛道上,滑板a与滑板b间的
距离是S=6×0.1=0.6m
运动员跳离滑板b,经0.6s跳上滑板a,跳上滑板a前相对滑板a的速度是S/t2=1m/s,对地的速度是V=7m/s。
根据动量守恒定律MV+mVa=(M+m)V’V’=6.9m/s。
(3)表演开始时的机械能是运动员和滑板a、滑板b在A点所具有的重力势能(M+m+m)gh
运动员滑至I后,运动员和滑板a具有的机械能是等于在G点具有的动能
(M+m)VG2
滑板b具有的动能是
mVb’2。
把滑板b和运动员作为研究对象,根据动量守恒定律(M+m)Vb=mVb’+MVVb=Va=
=6m/sVb’=-3m/s。
运动员跳离滑板b后,由于︳Vb’︱<6m/s,滑板b不能滑出A点,只能在ABCD赛道上来回运动。
系统的机械能改变是
(M+m)VG2+
mVb’2-(M+m+m)gh=88.75J
点评:
该题把力学中的重点知识都考到了,分层设三个问,环环相扣,在细
节上做了文章。
运动员从b板跳到同方向运动的a板上,这是一个斜抛运动,但解题时只研究水平方向。
系统的机械能增加了88.75J,是人在从a板跳出时,系统的能量增加大于落在EF赛道的P点时系统的能量损失。
该题联系生活实际,考查了理解能力、推理能力、分析综合能力,使学生从生活走向物理。
二、求解高考物理计算题,培养应用数学处理物理问题能力
[例3](08年四川理综卷24题)如图,一半径为R的光滑绝缘半球面开口向下,固定在水平面上。
整个空间存在匀强磁场,磁感应强度方向竖直向下。
一电荷量为q(q>0)、质量为m的小球P在球面上做水平的匀速圆周运动,圆心为O’。
球心O到该圆周上任一点的连线与竖直方向的夹角为θ(0<θ<
。
为了使小球能够在该圆周上运动,求磁感应强度大小的最小值及小球P相应的速率。
重力加速度为g。
分析:
这是一道力电综合题,分析综合从三个方面着手,首先挖掘隐含条件,其次分析运动过程,建立物理模型;再分析相关条件。
首先挖掘隐含条件:
光滑绝缘半球面;整个空间存在匀强磁场,磁感应强度方向竖直向下;电荷量为q(q>0)、质量为m的小球P在球面上做水平的匀速圆周运动。
其次分析运动过程,建立物理模型:
小球P在光滑绝缘球面上做水平的匀速圆周运动。
再分析相关条件:
该圆周的圆心为O’。
P受到向下的重力mg、球面对它沿OP方向的支持力N和磁场的洛仑兹力f。
在P点所处位置建立正交直角坐标系,原点在P点所处位置,x轴的正方向指向O’。
竖直方向的合力为零,水平方向的合力为小球P在球面上做水平的匀速圆周运动的向心力。
解答:
设v为小球运动的速率。
洛仑兹力f的方向指向O’。
根据牛顿第二定律
①
根据向心力公式
②
小球P受到的洛仑兹力
f=qvB③
由①②③式得
④
这是一元二次方程,求磁感应强度大小的最小值,即求二次函数的极值
由于v是实数,必须满足b2-4ac≥0
≥0⑤
由此得
B≥
⑥
可见,为了使小球能够在该圆周上运动,磁感应强度大小的最小值为
⑦
此时,△=0,v=-b/2a,带电小球做匀速圆周运动的速率为
⑧
由⑦⑧式得
⑨
点评:
挖掘隐含条件,正确进行受力分析,建立物理模型,正确建立坐标系,正确运用牛顿第二定律,向心力公式,洛仑兹力公式,就能得到
的一元二次方程。
此时的数学知识重要,要应用一元二次方程判别式知识,才能正确求解此题。
平时做题时就要有意识的培养应用数学知识解物理计算题的能力。
[例4](08年四川理综卷25题)一倾角为θ=45°的斜面固定于地面,斜面顶端离地面的高度h0=1m,斜面底端有一垂直于斜面的固定挡板。
在斜面顶端自由释放一质量m=0.09kg的小物块(视为质点)。
小物块与斜面之间的动摩擦因数μ=0.2。
当小物块与挡板碰撞后,将以原速返回。
重力加速度g=10m/s2。
在小物块与挡板的前4次碰撞过程中,挡板给予小物块的总冲量是多少?
分析:
这是一道力学综合题,分析综合从三个方面着手,首先挖掘隐含条件;其次分析受力情况,建立物理模型;再分析相关条件。
首先挖掘隐含条件:
在斜面顶端自由释放一质量m的小物块(小物块初速为零);小物块与斜面之间的动摩擦因数为μ(运动过程中能量要损失);小物块与挡板碰撞后,将以原速返回(碰撞过程中能量不损失)。
其次分析受力情况,建立物理模型:
小物块从高为h0处由静止开始沿斜面向下运动,受重力mg、斜面的支持力N和摩擦力f,共三个力的作用。
可用动能定理、能量守恒定律或牛顿第二定律求出小物块与挡板碰撞前的速度,再用动量定理求冲量。
再分析相关条件:
小物块与挡板的前4次碰撞过程,挡板给予小物块的总冲量。
解答:
解法一:
设小物块从高为h0处由静止开始沿斜面向下运动,到达斜面底端时速度为v。
由能量守恒定律得
①
以沿斜面向上为动量的正方向。
根据动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量
②
设碰撞后小物块所能达到的最大高度为h’,则
③
同理,有
④
⑤
由①、④式可得(v’/v)2=(h’/h0)
由①、③式可得(h’/h0)=(tgθ-μ)/(tgθ+μ)
式中,v’为小物块再次到达斜面底端时的速度,I’为再次碰撞过程中挡板给小物块的冲量。
由②、⑤式得(I’/I)=(v’/v)
⑥
式中
⑦
由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,由①式整理得首项为
⑧
总冲量为
⑨
由
⑩
得
⑾
代入数据得
N·s
解法二:
设小物块从高为h0处由静止开始沿斜面向下运动,小物块受到重力,斜面对它的摩擦力和支持力,小物块向下运动的加速度为a。
由牛顿第二定律得
①
设小物块与挡板碰撞前的速度为v,则
②
以沿斜面向上为动量的正方向。
按动量定理,碰撞过程中挡板给小物块的冲量为
③
由①②③式得
④
设小物块碰撞后沿斜面向上运动的加速度大小为a’.
由牛顿第二定律
⑤
小物块沿斜面向上运动的最大高度为
⑥
由②⑤⑥式得
0⑦
式中
⑧
同理,小物块再次与挡板碰撞所获得的冲量
⑨
由④⑦⑨式得
⑩
由此可知,小物块前4次与挡板碰撞所获得的冲量成等比级数,
首项为
⑾
总冲量为
⑿
由
⒀
得
⒁
代入数据得
N·s⒂
点评:
此题是0八年高考四川省理科综合试卷中物理试题的压轴题,该题涉及到高中物理力学的重点知识:
运动和力,功和能,动量和冲量,可从多个途径入手求解,由于有多次碰撞,使题的难度增加。
应用数学等比级数知识求解,再次增加题的求解难度。
可见培养学生应用数学知识求解物理计算题能力的重要性。
理科综合考试的物理计算题一共三道,试题考查主要知识是力学和电学,有完整的力学知识题,有力学和电磁学综合知识题。
挖掘隐含条件,受力分析,过程分析,状态分析,电路分析,电磁分析,建立物理模型是正确解题的关键。
试题的求解和运用数学知识紧密联系,数学有困难的同学将很难完整解答。
试题的模型是较常见的,如圆周运动问题、斜面问题,碰撞问题,抛体问题
等,但都有变化。
多数试题是分层设问,一些学生能对试题的不同难度的问能够下笔求解,但完整求解困难。
近年四川高考试题都遵循“平和、不偏、不怪、不擦边、不超纲”的原则。
以上是通过对近年高考四川省理科综合试卷中的物理计算题解析,谈培养学生求解高考物理计算题能力。
为在2010届高考物理复习中,加强基础知识复习,加强常规试题训练,加强学科之间互补,举一反三,触类旁通,以不变应万变,提供一点帮助。