高中物理动态问题分类解析

2011-07-25 03:20:00贺怡

物理教师 2011年10期

贺怡

(甘肃华亭一中,甘肃华亭 744100)

高中物理学中的动态问题,涉及到的物理量多,各个物理量相互关联,彼此影响,物理过程复杂多变又相互嵌套.学生在分析此类问题时往往感觉理不出头绪,大有顾此失彼之感,成为学习的难点.此类问题能很好地考查学生对知识掌握的全面程度及逻辑推理能力,因此在历年高考中,出现频率较高.下面结合典型例题,对高中阶段常见的7种类型的动态问题作出归类分析和总结.

1 共点力平衡中的动态平衡问题

图1

例1.重 G的光滑小球静止在固定斜面和竖直挡板之间,如图1所示.若挡板逆时针缓慢转到水平位置,在该过程中,斜面和挡板对小球的弹力的大小F1、F2各如何变化?

解析:由于挡板是缓慢转动的,可以认为每个时刻小球都处于静止状态,因此所受合力为零.应用三角形定则,G、F1、F2三个矢量应组成封闭三角形,其中 G的大小、方向始终保持不变;F1的方向不变;F2的起点在G的终点处,而终点必须在F1所在的直线上,由图2可知,挡板逆时针转动90°过程中,F2矢量也逆时针转动 90°,因此 F1逐渐变小,F2先变小后变大.(当F2⊥F1,即挡板与斜面垂直时,F2最小)

图2

图3

总结:力的图解法是解决动态平衡类问题的常用分析方法.应用的关键是画好力的矢量三角形.这种方法的优点是形象直观.

例2.如图3所示整个装置静止时,绳与竖直方向的夹角为30°.AB连线与OB垂直.若使带电小球 A的电荷量加倍,带电小球B重新稳定时绳的拉力为多大?

总结:相似三角形法是解决平衡问题常用的一种方法.当处于平衡(或动态平衡)的物体所受3个力均受到某一几何约束时,每个力的方向必与某一特定的方向相同,则力的三角形必与某一几何三角形相似,其对应边成比例.正确的受力分析,画出力的三角形并寻找与其相似的几何三角形便成为解题的关键.

2 机车加速过程的动态分析

机车的两种加速问题.

例3.质量为2 t的农用汽车,发动机额定功率为30 kW,汽车在水平路面行驶时能达到的最大时速为54 km/h.若汽车以额定功率从静止开始加速,当其速度达到v=36 km/h时的瞬时加速度是多大?

总结:当汽车从静止开始沿水平面加速运动时,有两种不同的加速过程,但分析时采用的基本公式都是 P=Fv和F-f=ma,但要注意两种加速运动过程的最大速度的区别.

3 一定质量理想气体体积、温度、压强的动态分析

图4

例4.一定质量的理想气体的状态变化过程如图4所示的 p-T图线,在 AB、BC、CA3个阶段中,吸热过程有________.

解析:A→B为等容变化过程,温度降低,压强减小,则内能减小,此过程气体没有做功,因此一定要放出热量.B→C为等压升温过程,气体内能增大,由气态方程可知,气体体积变大,要对外做功,由热力学第一定律得气体一定要从外界吸收热量.用同样的方法可推知 C→A过程要放出热量.该题答案为(B)、(C).

总结:(1)一定质量的气体,在温度不变时,体积增大,压强减小.(2)一定质量的气体,在体积不变时,温度升高,压强增大.(3)一定质量的气体,在压强不变时,温度升高,体积增大.(4)一定质量的某种理想气体内能由温度决定.

4 平行板电容器的动态分析

图5

电容器和电源连接如图5,改变板间距离、改变正对面积或改变板间电解质材料,都会改变其电容,从而可能引起电容器两板间电场的变化.这里一定要分清两种常见的变化.

例5.一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,在两极板间有一正电荷(电荷量很小)固定在P点,如图6所示,以E表示两极板间的场强,U表示电容器的电压,W表示正电荷在P点的电势能.若保持负极板不动,将正极板移到图中虚线所示的位置,则

(A)U变小,E不变. (B)E变大,W变大.

(C)U变小,W不变. (D)U不变,W不变.

图6

带电荷量 Q不变,两极间场强E保持不变,由于板间d距离减小,据U=Ed可知,电容器的电压U变小.由于场强E保持不变,因此,P点与接地的负极板即与地的电势差保持不变,即点P的电势保持不变,因此电荷在P点的电势能 W保持不变.所以本题应选(A)、(C).

总结:电容式传感器在测量中有着重要的应用,因此在复习中不可忽视.关键在于抓住所测物理量与电容器中电容的联系,问题就迎刃而解了.

5 闭合电路的动态分析

图7

闭合电路中只要有一只电阻的阻值发生变化,就会影响整个电路,使总电路和每一部分的电流、电压都发生变化.讨论依据是:闭合电路欧姆定律、部分电路欧姆定律、串联电路的电压关系、并联电路的电流关系.分析的基本思路是“部分→整体→部分”,即从阻值变化的部分入手,由串、并联规律判断的变化情况,再由欧姆定律判断和的变化情况,最后再由部分电路欧姆定律判断各部分量的变化情况.即

总结:(1)总电路上R增大时总电流I减小,路端电压U增大;(2)变化电阻本身和总电路变化规律相同;(3)和变化电阻有串联关系(通过变化电阻的电流也通过该电阻)的看电流(即总电流减小时,该电阻的电流、电压都减小);(4)和变化电阻有并联关系的(通过变化电阻的电流不通过该电阻)看电压(即路端电压增大时,该电阻的电流、电压都增大).

6 电磁感应中的动态分析

这类问题覆盖面广,题型也多种多样,但解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态,如速度、加速度取最大值或最小值的条件等,基本思路是见图8.

图8

图9

例6.如图9所示,AB、CD 是两根足够长的固定平行金属导轨,两导轨间的距离为L,导轨平面与水平面的夹角为θ,在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场,磁感应强度为B,在导轨的 AC端连接一个阻值为 R的电阻,一根质量为m、垂直于导轨放置的金属棒ab,从静止开始沿导轨下滑,求此过程中ab棒的最大速度.已知ab与导轨间的动摩擦因数为μ,导轨和金属棒的电阻都不计.

解析:ab沿导轨下滑过程中受4个力作用,即重力mg,支持力 FN、摩擦力 Ff和安培力F安,ab由静止开始下滑后,将是v↑→E↑→I↑→F安↑→a↓(↑为增大符号),所以这是个变加速过程,当加速度减到 a=0时,其速度即增到最大v=vm,此时必将处于平衡状态,以后将以vm匀速下滑有ab下滑时因切割磁感线,要产生感应电动势,根据电磁感应定律