高中物理利用图像解决问题方法课件Word文档格式.docx

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通过图像分析物理规律，还要研究图线的斜率、图线包围的面积、图线和横、纵坐标交点的坐标（截距）、起点、终点、拐点、渐近线等几何要素的物理意义，从而可以对图像反映的物理状态、物理过程和物理图景有更深入的理解.

【例１】从同一地点开始，甲乙两物体同时沿同一方向作直线运动的图像如右上图所示，试问：

⑴在ｔ=3s时刻，两物体的速度各是多大？

⑵在前6s内，两物体的运动情况如何？

解析图像的横坐标轴表示时间ｔ，单位为ｓ；

纵坐标轴表示速度v，单位为m/s.这是速度—时间图像.

⑴由图像可知，在t=3s时刻甲物体的速度v甲＝２m/s,乙物体的速度v乙＝２m/s.

⑵在前6ｓ内，甲物体一直做速度为的v甲＝２m/s的匀速直线运动.乙物体做初速度

为零、加速度（用右下图中的直线ＯＤ的斜率表示）a＝

=

m/s2≈0.67m/s2的匀加速直线运动.

因为v－ｔ图线和时间轴ｔ之间包围的面积表示位移，在第３s末，图线甲和图线乙相交、所围面积差值最大（等于△OAB的面积），表示两物体速度相等时物体乙落后于物体甲的距离最大.在第６s末，图中△BDE和△OAB面积相等，使得代表物体乙位移的△ODF的面积和代表物体甲位移的矩形OAEF面积相等，说明甲、乙此刻完成了相同的位移，物体乙追上了物体甲.

【例２】家用电热灭蚊器中电热部分的主要元件是PCT元件.PCT元件是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ与温度t的关系如图所示.由于这种特性，因此PCT元件具有发热、控温双重功能.

请分析元件消耗电功率的变化规律以及何时温度能够达到稳定？

解析根据图像，开始时，PCT元件温度较低，通电后，元件产生的热量比散发的热量多，温度t升高，电阻率ρ下降，电流增大，元件消耗的功率随之增加，产生的热量更多，温度t继续上升，元件的电阻率ρ继续下降，电流更强，功率再增，等温度升到t1时，元件的电阻率ρ不再下降，温度t再升高，其电阻率ρ反而增大，使通过元件的电流减小，消耗的功率也减少，发热量随之减少.此时，温度越高，电阻率ρ增加的越快，电流减小得越多，发热量也减少得越多，直到发热量与散热量相等，电阻率ρ不再变化，元件的温度便稳定了.

总之，电热元件消耗的电功率先增加后减少，稳定温度ｔ是介于ｔ１和ｔ２之间某一值.

【例３】如图所示，一宽40cm的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里.一边长为ｌ＝20cm的正方形导线框abcd位于纸面内，以垂直于磁场边界的恒定速度ｖ＝20cm/s通过磁场区域，在运动过程中，线框有一边始终与磁场区域的边界平行.取它刚进入磁场的时刻t=0，试画出穿过导线框的磁通量Φ随时间ｔ变化的曲线、导线框中感应电流i随时间ｔ变化的曲线以及垂直作用在ab边的、牵引导线框通过磁场区域的外力Ｆ随时间ｔ变化的曲线.

解析设导线框以恒定速度v进入磁场区域后，经过时间ｔ后，它的ab边到磁场区域的左边界的距离为x，则x=vt.那么，穿过导线框的磁通量Φ1=BS=Blx=Blvt，与时间t成正比，当导线框完全进入磁场区域，穿过导线框的磁通量达到最大值Φ2=Bl2，此过程经历时间t1=

s=1s.在整个导线框通过磁场区域的t2=1s时间里，穿过导线框的磁通量保持为Φ2=Bl2.然后ab边离开磁场区域，穿过导线框的磁通量随时间减小：

Φ3=Bl2－Blvt，经历时间ｔ3＝１s.根据以上分析画出的穿过导线框的磁通量Φ随时间t变化的曲线如图甲所示：

当正方形导线框刚进入匀强磁场区域时，其ab边开始切割磁感线，产生感应电动势E=vBl，方向由指b向a.由于导线框边切割磁感线的速度v不变，所以线框中感应电流大小为

也恒定不变，感应电流沿逆时针方向.经过时间t1=1s后，线框的cd边进入磁场区域，穿过导线框的磁通量保持不变，在cd边穿过磁场区域t2=1s的时间里，线框中没有感应电流，即i=0.接着ab边穿出磁场，只有cd边切割磁感线，线框中又产生大小为

的感应电流，但方向相反，为顺时针方向，经历时间t3=1s.最后cd边穿出磁场区域.线框中不再产生感应电流.

根据以上分析，并规定沿逆时针的电流方向为正方向，则可得出导线框中感应电流i随时间t变化的曲线如图乙所示：

当正方形导线框刚进入匀强磁场区域时，其ab边开始切割磁感线，产生感应电流大小为I=

恒定不变，沿逆时针方向，根据左手定则，他受到的安培力大小为FA=BlI、方向向左，恒定不变，因此，由二力平衡条件，对ab边所施外力大小也为F=BlI、方向向右.经过1s后，导线框完全进入磁场区域，感应电流消失，导线框不受安培力作用，因此不需外力：

F=0也能继续做匀速直线运动.再过1s时间，只有cd边切割磁感线，产生的感应电流大小仍为I=

恒定不变，沿顺时针方向，根据左手定则，它受到的安培力大小为FA=BlI，方向仍旧向左，恒定不变，因此，由二力平衡条件，对所施外力大小也为F=BlI，方向还是向右.规定向左为力F的正方向，由此画出的垂直作用在ab边的、牵引导线框通过磁场区域的外力F随时间t变化的曲线如图丙所示.

二、利用图像解决物理问题探索物理规律

利用我们掌握的物理知识和描绘物理图像的方法，在解决某些物理问题时往往比用“解析法”简单、快捷、直观，常常可以达到事半功倍的效果.

【例４】一物体放在光滑水平面上，初速度为零.先对物体施加一向东的水平恒力Ｆ，历时１s；

随即把此力方向改为向西，大小不变，历时１s；

接着又把此力改为向东，大小不变，历时１s.如此反复，只改变力的方向，不改变力的大小，共历时１min，在此1min内物体的运动情况是：

A.物体时而向东运动，时而向西运动，在１min末静止于初始位置以东.

B.物体时而向东运动，时而向西运动，在１min末静止于初始位置.

C.物体时而向东运动，时而向西运动，在１min末继续向东运动.

弗兰克－赫兹实验在此使用是否有点偏?

C.物体一直向东运动，从不向西运动，在１min末静止于初始位置以东.

解析规定向东为正方向.由于物体受力大小不变、方向改变，因此加速度也是大小不变、方向改变，所以能够画出如图所示的v－ｔ图像，据此立即可确定选项Ｄ是正确的.

探索物理规律，更是图像法的重要功能.物理学中的弗兰克－赫兹实验就是著名的一例.

在20世纪初，从一些实验中知道：

如果给原子足够的能量，就可以使电子从原子的束缚中脱离出来而使原子电离，这个能量称之为“电离能”.当原子和入射的电子碰撞获得能量而电离时，就可以通过测量使电子加速的电压进而测定原子的电离能.

1914年，在德国柏林大学工作的科学家弗兰克（1882－1964）和赫兹（1887－1975）为测量电离能设计了如图所示的实验：

在玻璃真空管内充入少量水银蒸气，由灯丝发射出来的热电子被灯丝和栅极之间的电压Ｕ加速，然后又被加在集电极和栅极之间的反向电压减速.电压Ｕ可以调节和测量.由于有反向电压，电子在任何时候都不会到达集电极.设想在栅极和集电极之间的电子和汞原子碰撞，就会使一些汞原子电离成为汞离子，电场便将汞离子向集电极方向加速，于是在电流表Ｇ上可测出电流来.

用这个装置做实验，他们可得到如图所示的曲线.

图线显示，随着栅极和灯丝之间的加速电压Ｕ由零开始增加，集电极的电流逐渐上升.当Ｕ＝４.9V时，集电极电流突然下降；

继续增大加速电压U，集电极电流随之回升，当U=9.8V时，集电极电流第二次突然下降；

再继续增大加速电压U，集电极电流又随之回升，当U=14.7V时，集电极电流第三次突然下降.图线表现出一个明显的周期性：

加速电压在增大的过程中，每隔４.9V集电极电流就下降一次.也就是说，在加速电压和集电极电流之间，存在着一种因果关系.

分析这个因果关系，他们做出的判断是：

用电子轰击汞原子并没有使汞原子电离，而是使电子损失一份特定的能量，即电子在和汞原子相碰时，电子只能损失４.9eV的能量，换句话说，汞原子在改变能量状态时，只能吸收4.9eV的能量.根据这个分析，弗兰克和赫兹又重新设计了实验，测定汞蒸气受到电子轰击时辐射的谱线波长.其结果是：

当加速电压大于4.9V时，汞蒸气才产生辐射，而且只辐射能量为4.84eV、波长为2536×

10－１０ｍ的谱线，相当精确地证实了他们的判断.

这个实验结果揭示了在原子尺度的范围内，能量的改变是以某种最小单元一份一份地改变的.也就是说，原子只能处于一系列不连续的能量状态中，它只能从一个状态变到另一个状态，变化的能量一定是某一个确定值.这个实验成功地证实了1913年丹麦科学家玻尔提出的原子理论，并因此获得了1925年诺贝尔物理学奖.

三、高考对图像法的考查

图像在中学物理中有着广泛应用，所以有关以图像及其运用为背景的命题，成为历届高考考查的热点，它要求考生能做到三会：

⑴会识图：

认识图像，理解图像的物理意义；

⑵会做图：

依据物理现象、物理过程、物理规律作出图像，且能对图像变形或转换；

⑶会用图：

能用图像分析实验，用图像描述复杂的物理过程，用图像法来解决物理问题.

通常我们遇到的图像问题可以分为几大类：

⑴物理图像的选择

⑵物理图像的描绘（可称之为“作图题”）

⑶利用物理图像转换问题机制

⑷明确并理解图像的各数学特征的物理意义

⑸利用图像法求解物理问题（可称之为“用图题”）

⑹运用物理图像处理实验数据，分析实验误差

【例5】太原直飞昆明的航班由波音737飞机执行.右面的上、下两图分别给出了某次飞行全过程中飞机的竖直分速度和水平分速度的速度图象.根据图象求：

⑴飞机在途中匀速飞行时的巡航高度（离地面的高度）是多高？

⑵从太原到昆明的水平航程为多远？

解题思路飞机只有在起飞和降落期间才有竖直方向的分速度.速度曲线和横轴间的面积大小可表示位移大小

答案⑴8400m⑵1584km

思维诊断本题易出现的错误有⑴不熟悉速度图像，总以为速度图像就是物体的运动轨迹，把下图当成飞机的运动轨迹，220当成飞行高度，130当成水平航程⑵不注意单位的统一，图中的横轴单位是min，应转换成s.⑶部分学生不会求曲线下的面积.应该利用梯形面积公式：

（上底+下底）×

高÷

2.

【例6】

（理综2002—18）质点所受的力F随时间变化的规律如图所示,力的方向始终在一条直线上,已知t=0时质点的速度为零.在图示的t1、t2、、t3和t4各时刻中,那一时刻质点的动能最大？

A.t1B.t2C.t3D.t4

命题立意考查学生对图线（函数图线）的认识能力和依据图线进行分析、推理和判断的能力.

解题思路首先可看出，试题给出了力随时间的变化图线，就不难想到它就是加速度随时间的变化图线；

已知初速度为零，所以凡是加速度为正时，速度增大，从而动能一定不断增大；

当加速度为负时，速度减小从而动能一定不断减小.由图可看出力是周期性的，而且正、负对称，由此可做出正确的判断.答案是B

【例7】

（河南、广东2001-20）如图所示，一对平行光滑轨道放置的水平面上，两轨道间距ｌ＝0.20ｍ，电阻R=1.0Ω.有一导体杆静止地放在轨道上，与两轨道垂直，杆及轨道的电阻均可不计，整个装置处于磁感强度Ｂ＝0.50Ｔ的匀强磁场中，磁场方向垂直轨道面向下.现用一外力沿轨道方向拉杆，使之做匀加速运动，测得外力与时间的关系如图所示.求杆的质量和加速度a.

命题立意要求学生把理论推导与实验结果相结合，找出所要求的有关物理量.对一个具体的物理问题，一方面进行理论上的推导；

另一方面又进行实验测量（得出某些数据或曲线），然后把两者结合起来，做出某些判断.这是研究工作中常经历的过程，也一种常用的方法.本题是这种研究方法的体现.

解题思路导体杆从静止起，经时间t后的速度v=at，这时导体杆受的安培力为

.由牛顿第二定律得

.从图像中取两个方便的点：

s时

N和t2=20s时F2=3N，代入以上方程即可解得质量m和加速度a.答案

m/s2m=0.1kg

思维诊断考生不会利用题目所给的

图像，不会充分利用图像所给的信息.本题中不要想推导出

间的关系式.

【例8】

（2003-7）一弹簧振子沿x轴振动，振幅为4cm.振子的平衡位置位于x轴上的O点.图1中的a、b、c、d为四个不同的振动状态：

黑点表示振子的位置，黑点上的箭头表示运动的方向.图2给出的①、②、③、④四条振动图线可用于表示振动图像

A.若规定状态a时t=0则图像为①

B.若规定状态b时t=0则图像为②

C.若规定状态c时t=0则图像为③

D.若规定状态d时t=0则图像为④

命题立意考查学生是否理解振动图线的物理意义

解题思路由图1看出每个点离开平衡位置的距离，以及它的运动方向，再根据振动图线表示的物理意义进行判断.答案AD

思维诊断题干说明，图2中的四条振动图线①、②、③、④都可以表示所考查的弹簧振子的振动图像，但这四条图线并不完全相同，它们的差别仅是t=0时刻的振动状态不同.简谐振动的振动图线表示振子振动的位移（指离开平衡位置的位移）随时间变化的图像（独舞的录像），由于时间的零点即t=0时刻可取在振子的不同状态，对应的振动图线就不完全相同.

【例9】

（江苏2003-19）图1所示为一根竖直悬挂的不可伸长的轻绳，下端栓一小物块A，上端固定在C点且与一能测量绳的拉力的测力传感器相连.已知有一质量为m0的子弹B沿水平方向以速度v0射入A内（未穿透），接着两者一起绕C点在竖直面内做圆周运动.在各种阻力都可忽略的条件下测力传感器测得绳的拉力F随时间t的变化关系如图2所示.已知子弹射入的时间极短，且图2中t=0为A、B开始以相同速度运动的时刻.根据力学规律和题中（包括图）提供的信息，对反映悬挂系统本身性质的物理量（例如A的质量）及A、B一起运动过程中的守恒量，你能求得哪些定量的结果？

命题立意利用开放性设问方式，考查学生探索性解决新问题的能力.同时，学生要能够利用试题中文字叙述和图表所提供的信息来分析和解决问题.

解题思路首先要能读懂试题的意思，能够弄清试题所要求的问题是什么.再根据试题图线中的信息，以及小球作圆周运动过程中的最高点和最低点应用牛顿定律和机械能守恒定律建立方程，即可求得最后结果.

答案由图2可直接看出，A、B一起做周期性运动，运动周期为T=2t0.用m、m0分别表示A、B的质量，l表示绳长，v1、v2分别表示它们在圆周最低、最高点的速度，F1、F2分别表示运动到最低、最高点时绳的拉力大小，根据动量守恒有mv0=（m+m0）v1，根据牛顿定律有：

F1-（m+m0）g=（m+m0）

F2+（m+m0）g=（m+m0）

，由机械能守恒有：

2l（m+m0）g=

（m+m0）v12-

（m+m0）v22，由图2知，F2=0，F1=Fm，由以上各式解得，反映系统性质的物理量是

，

，系统总机械能是E=

（m+m0）v12，得E=3m02v02g/Fm

自测题

1.两个物体a、b同时开始沿同一条直线运动。

从开始运动起计时，它们的位移图象如右图所示。

关于这两个物体的运动，下列说法中正确的是

A.开始时a的速度较大，加速度较小

B.a做匀减速运动，b做匀加速运动

C.a、b速度方向相反，速度大小之比是2∶3

D.在t=3s时刻a、b速度相等，恰好相遇

2.两个物体a、b从同一位置、同一时刻开始沿同一条直线运动。

从该时刻起计时，它们的速度图象如右图所示。

下列说法中正确的是

A.t=3s时刻两物体相遇B.t=6s时刻两物体相遇

C.它们的运动方向始终相反D.a物体的速度变化较快

3.如图，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示.F>

0为斥力，F<

0为引力.a、b、c、d为x轴上四个特定的位置.现把乙分子从a处由静止释放，则

A.乙分子从a到b做加速运动，由b到c做减速运动

B.乙分子从a到c做加速运动，到达c时速度最大

C.乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减少

D.乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增加

4.甲、乙、丙三辆汽车在同一条平直公路上行驶，先后以相同的速度通过同一个路标。

从通过此路标开始，甲做匀速直线运动，乙先加速后减速运动，丙先减速后加速运动，它们到达下一个路标时的速度又相同。

关于它们通过两个路标之间所用的时间长短，下列说法中正确的是

A.甲用的时间最短B.乙用的时间最短

C.丙用的时间最短D.它们用的时间相同

5.利用传感器和计算机可以测量快速变化的力的瞬时值.右图是用这种方法获得的弹性绳中拉力随时间的变化图线.实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后放手让小球自由下落.由此图线所提供的信息，以下判断正确的是

A.t2时刻小球速度最大

B.t1~t2期间小球速度先增大后减小

C.t3时刻小球动能最小

D.t1与t4时刻小球动量一定相同

6.如图所示，一根轻弹簧竖直直立在水平面上，下端固定.在弹簧正上方有一个物块从高处自由下落到弹簧上端O，将弹簧压缩.当弹簧被压缩了x0时，物块的速度减小到零.从物块和弹簧接触开始到物块速度减小到零过程中，物块的加速度大小a随下降位移大小x变化的图像，可能是下图中的

A.B.C.D.

7.一带正电的微粒放在电场中，场强的大小和方向随时间变化的规律如图所示.带电微粒只在电场力的作用下由静止开始运动.则下列说法中正确的是

A.微粒在0-1s内的加速度与1-2s内的加速度相同

B.微粒将沿着一条直线运动

C.微粒做往复运动

D.微粒在第1s内的位移与第3s内的位移相同

8.为了测定用某种物质制成的线形材料的电学特性，取了一段由该物质制成的线形材料，测量其两端的电压和通过的电流，根据实验数据描绘出的伏安特性曲线如图所示.那么这种物质可能是

A.某种纯金属B.某种半导体

C.某种超导体D.某种绝缘材料

9.闭合回路的磁通量φ随时间t变化的图像分别如图①-④所示，关于回路中产生的感应电动势的下列论述，其中正确的是

①②③④

A.图①回路中感应电动势恒定不变B.图②回路中感应电动势恒定不变

C.图③回路中0-t1时间内的感应电动势小于t1-t2时间内的感应电动势

D.图④回路中感应电动势先变大，再变小

10.右图中的图线a是某一蓄电池组的伏安特性曲线，图线b是一只某种型号的定值电阻的伏安特性曲线.若已知该蓄电池组的内阻为2.0Ω，则这只定值电阻的阻值为______Ω.现有4只这种规格的定值电阻，可任意选取其中的若干只进行组合，作为该蓄电池组的外电路，所组成的这些外电路中，输出功率最大时是_______W.

11.利用右图所示电路可以测出电压表的内阻.电源的内阻可以忽略不计，R为电阻箱.当R取不同阻值时，电压表对应有不同读数U.多次改变电阻箱的阻值，所得到的

_R图像应该是下图中的哪一个

12.如图所示，质量为m=2.0kg的物体静止在水平面上，物体跟水平面间的动摩擦因数为μ=0.20.从t=0时刻起，物体受到一个水平力F的作用而开始运动，前8s内F随时间t变化的规律如图所示.求：

⑴画出物体在前8s内的v-t图像.⑵前8s内物体所受摩擦力的总冲量If是多大？

13.如图所示，xoy坐标系y轴左侧和右侧分别有垂直于纸面向外、向里的匀强磁场，磁感应强度均为B，一个围成四分之一圆形的导体环oab，其圆心在原点o，半径为R，开始时在第一象限.从t=0起绕o点以角速度ω逆时针匀速转动.试画出环内感应电动势E随时间t而变的函数图像（以顺时针电动势为正）.

14.细绳的一端在外力作用下从t=0时刻开始做简谐运动，激发出一列简谐横波.在细绳上选取15个点，图1为t=0时刻各点所处的位置，图2为t=T/4时刻的波形图（T为波的周期）.在图3中画出t=3T/4时刻的波形图.

15.为了测定一节干电池的电动势和内电阻，现准备了下列器材：

①待测干电池（电动势约1.5V，内阻约1.0Ω）②电流表G（满偏电流3.0mA，内阻10Ω）

③安培表A（量程0~0.60A，内阻0.10Ω）④滑动变阻器R1（0~20Ω，10A）

⑤滑动变阻器R2（0~100Ω，1A）⑥定值电阻R3=990Ω⑦电键和导线若干

⑴为了能较为准确地进行测量，也为了操作方便，实验中应选用的滑动变阻器是__.

⑵请在方框中画出实验电路图.

⑶右图为某同学根据正确的电路图作出的I1-I2图线（I1为电流表G的示数，I2为安培表A的示数），由该图线可得：

被测干电池的电动势E=_____V，内电阻r=_____Ω.

16.在倾角为θ的足够长的斜面上，有一个带风帆的滑板从静止开始沿斜面下滑，滑板的总质量为m，与斜面间的动摩擦因数为μ，滑板上的风帆受到的空气阻力与滑板下滑的速度成正比，即f=kv．⑴试求滑块下滑的最大速度vm.⑵若m=2kg，θ=30°

，g=10m/s2，滑块从静止开始沿斜面下滑的速度图线如下图所示，图中斜线是t=0时刻速度图线的切线，由此求μ和k的值.

斜线、曲线不平滑

图像法答案

1.C2.B3.BC4.B5.B6.D7.BD8.A9.B10.65011.A

12.⑴求出前4s内a1=3m/s2或4s末v4=12m/s,求出第5s内a2=7m/s2或5s末v5=5m/s,求出第5s后a3=2m/s2或还能滑行2.5s

⑵前7.5s内一直有滑动摩擦力作用而且方向一直向左，If=30Nžs

13.开始的四分之一周期内，oa、ob中的感应电动势方向相同，大小应相加；

第二个四分之一周期内穿过线