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在高中物理的复习,特别是高三一轮复习的过程中,有些相似的问题会用到相似的结论.如果我们在复习的过程中,以问题为线索,丰富与拓展相关的知识,便能逐步培养学生在相似的情景中灵活运用相关物理知识的能力.下面以例说明.
案例1物体经过时间相等的两个匀变速运动回到出发点
问题1物体由A点静止开始以加速度a1做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体速度的大小为vB ,撤去加速度a1立即以反向加速度a2继续做匀变速直线运动.经过相同时间物体回到A点,此时速度的大小为vA.求:a1和a2的大小之比、vA 和vB的大小之比.
结论1设物体从A点静止开始的运动方向为正方向,设经过时间t, 物体的速度达到vB,此后物体做匀减速运动,在物体的速度变为零后,反方向做匀加速运动.
在第一个时间t内x=12a1t2,vB=a1t;
在第二个时间t内-x=a1t·t-12a2t2,-vA=a1t-a2t.
由以上四式可得a1a2=13,vAvB=21.
可见,这个运动的两个运动阶段中的加速度大小之比为1∶3;第一个阶段与第二个阶段的末速度大小之比为1∶2.这个结论在我们处理的具体问题中有一系列的应用.
应用1在光滑的水平面上,物体受水平恒力F1在A点由静止开始做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体速度为vB,撤去水平恒力F1,立即施加反向水平恒力F2.经过相同时间物体又回到A点,此时速度为vA.求: F1和F2的大小之比、vA和vB的大小之比.
此运动的两个运动阶段与问题1相似,运动的两个阶段的时间相等,故F1F2=13, vAvB=21.
应用2在光滑的水平面上,物体受水平恒力F1在A点由静止开始做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体动能为EkB,撤去水平恒力F1,立即施加反向水平恒力F2.经过相同时间物体又回到A点,此时物体动能为EkA.问: (1)水平恒力F1做功W1和水平恒力F2做功W2之比;(2)EkB和EkA之比.
由上题相应结论可得F1F2=13,又由于两恒力都做正功,位移的大小相同,故W1W2=13.又由于vAvB=21,故EkAEkB=41.
应用3在光滑绝缘的水平面上,带电物体在场强为E1的水平匀强电场中,在A点由静止开始运动,一段时间后到达B点,撤去水平匀强电场E1,立即施加反向水平匀强电场E2.经过相同时间物体又回到A点.求: E1和E2的大小之比.
由于在整个运动过程中a1a2=13,故E1E2=13.
应用4质量为m的带正电小球由空中某点自由下落,下落高度h后在空间加上竖直向上的匀强电场,再经过相同时间小球又回到原出发点,不计空气阻力,且整个运动过程中小球从未落地.重力加速度为g.试确定从加电场开始到小球返回原出发点的过程中,小球电势能的变化量.
在此问题中,小球自由落体时的加速度的大小为a1,加了电场后的加速度为a2,则a1a2=13,即mgF电-mg=13,F电=4mg.故从加电场开始到小球返回原出发点的过程中,小球电场力做功为W电=F电h=4mgh,电势能减小了4mgh.
应用5如图1所示,质量为m的物体在沿斜面向上的恒力F作用下,由静止从底端沿光滑的斜面向上做匀加速直线运动,经时间t恒力F做功40 J,此后撤去恒力F,物体又经时间t回到出发点,若以地面为零势能点,则下列说法正确的是
A.开始时物体所受的恒力为F=2mgsinθ
B.撤去力F时,物体的动能为20 J
C.撤去力F时,物体的重力势能为30 J
D.物体回到出发点时的动能为40 J
此问题中,物体先从静止开始做匀加速运动,在撤去恒力F后,物体先做匀减速,再做匀加速运动,由上述结论可得
F合1F合2=F-mgsinθmgsinθ=13,
故F=43mgsinθ,F1=13mgsinθ.
物体在第一个t内,合外力所做的功W1=10 J,Ek1=10 J,回到出发点时的动能为Ek2=40 J.撤去力F时,动能为10 J,WG=ΔEk-WF=10 J-40 J=-30 J,故重力势能的增量为30 J,此题正解为C、D.
这是运动学中一个典型的运动,这个典型运动过程的讨论,得到了相应的结论,而这个结论在处理类似问题时有很多的应用.这些应用即牵涉了力学的问题,又牵涉到能量的问题;即牵涉到了重力场,也牵涉到了电场;既有平面的问题,也有斜面的问题.若我们在复习的过程中,以此问题为线索,带动这一类问题的探索,不失为达到高效复习的有效途径之一.
案例2物体从静止开始经过两个匀变速运动速度变为零.
问题2一物体从静止开始做匀加速运动,加速度大小为a1, 加速的时间为t1, 此后物体做加速度大小为a2的匀减速运动,经过时t2,物体静止.整个过程中物体经过的位移为x.试讨论a1、a2、t1、t2与x之间的关系.
结论2画出物体的v-t图象如图2所示,
则a1t1=a2t2,即a1a2=t2t1(1)
设加速运动和减速运动的位移大小分别为x1和x2,
x1x2=12vmt112vmt2=t1t2(2)
总位移x=vm2(t1 t2)(3)
我们碰到的很多运动学的问题,都可以用(1)、(2)、(3)的讨论方法或结论来处理.
应用1如图3所示,一名消防队员在模拟演习训练中,沿着长为12 m的竖立在地面上的钢管往下滑.已知这名消防队员的质量为60 kg,他从钢管顶端由静止开始先匀加速再匀减速下滑,滑到地面时速度恰好为零.如果他加速时的加速度大小是减速时的2倍,下滑的总时间为3 s, g取10 m/s2,那么该消防员队 A.下滑过程中的最大速度为4 m/s
B.加速与减速过程的时间之比为1∶2
C.加速与减速过程中所受摩擦力的大小之比为1∶7
D.加速与减速过程的位移之比为1∶4
由题意可得 a1a2=21,
故 t1t2=12,t1=1 s,t2=2 s,
x1x2=t1t2=12,
又由于x=vm2(t1 t2),vm=2xt1 t2=8 m/s,
a1=8 m/s2,a2=4 m/s2,
可解得f1f2=17,x1 x2=12.
故此题正解为B、C.
应用2(2013年天津理综)质量为m=4 kg的小物块静止于水平地面上的A点,现用F=10 N的水平恒力拉动物块一段时间后撤去,物块继续滑动一段位移停在B点,A、B两点相距x=20 m,物块与地面间的动摩擦因数μ=0.2,g取10 m/s2,求:(1)物块在力F作用过程发生位移x1的大小;(2)撤去力F后物块继续滑动的时间t.
(1)设物块在力F作用过程发生位移为x1,物块在力F撤去后发生位移为x2,运动时间分别为t1、t2,
则a1=F-μmgm=0.5 m/s2,
a2=μg=2 m/s2,
x1x2=t1t2=a2a1=41,
又因为x1 x2=x,
故x1=16 m,x2=4 m.
(2)根据x2=12a2t22,解得t=t2=2 s.
应用3如图4所示,质量m=2 kg的物体静止于水平地面的A处,A、B间距L=20 m.物体与水平面之间的动摩擦因数μ=0.5.用大小为30 N,与水平方向成37°的力斜向上拉此物体,使物体从A处由静止开始运动并能到达B处,求该力作用的最短时间t.
设F作用的时间为t, 物体先以加速度大小为a做匀加速运动,撤去外力F后,以加速度大小为a’做匀减速运动,经过时间t’到达B处,速度恰好为零.这种情况下,F的作用时间最短.
Fcos37°-μ(mg-Fson37°)=ma,
解得a=11.5 m/s2,
a′=fm=μg,
解得a′=5 m/s2,
xx′=tt′=a′a=1023,
又因为x x′=L,解得x=20033 m.
根据x=12at2,解得t=1.03 s.
以问题为线索的复习方法,是指将使用方法或结论相似的问题放在一起,让学生体会处理这类问题的方法,达到高效复习的目的.在我们平时的复习过程中,其他类似的案例还有很多,我们需要注重这方面的积累.
案例1物体经过时间相等的两个匀变速运动回到出发点
问题1物体由A点静止开始以加速度a1做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体速度的大小为vB ,撤去加速度a1立即以反向加速度a2继续做匀变速直线运动.经过相同时间物体回到A点,此时速度的大小为vA.求:a1和a2的大小之比、vA 和vB的大小之比.
结论1设物体从A点静止开始的运动方向为正方向,设经过时间t, 物体的速度达到vB,此后物体做匀减速运动,在物体的速度变为零后,反方向做匀加速运动.
在第一个时间t内x=12a1t2,vB=a1t;
在第二个时间t内-x=a1t·t-12a2t2,-vA=a1t-a2t.
由以上四式可得a1a2=13,vAvB=21.
可见,这个运动的两个运动阶段中的加速度大小之比为1∶3;第一个阶段与第二个阶段的末速度大小之比为1∶2.这个结论在我们处理的具体问题中有一系列的应用.
应用1在光滑的水平面上,物体受水平恒力F1在A点由静止开始做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体速度为vB,撤去水平恒力F1,立即施加反向水平恒力F2.经过相同时间物体又回到A点,此时速度为vA.求: F1和F2的大小之比、vA和vB的大小之比.
此运动的两个运动阶段与问题1相似,运动的两个阶段的时间相等,故F1F2=13, vAvB=21.
应用2在光滑的水平面上,物体受水平恒力F1在A点由静止开始做匀加速直线运动,一段时间后到达B点,物体动能为EkB,撤去水平恒力F1,立即施加反向水平恒力F2.经过相同时间物体又回到A点,此时物体动能为EkA.问: (1)水平恒力F1做功W1和水平恒力F2做功W2之比;(2)EkB和EkA之比.
由上题相应结论可得F1F2=13,又由于两恒力都做正功,位移的大小相同,故W1W2=13.又由于vAvB=21,故EkAEkB=41.
应用3在光滑绝缘的水平面上,带电物体在场强为E1的水平匀强电场中,在A点由静止开始运动,一段时间后到达B点,撤去水平匀强电场E1,立即施加反向水平匀强电场E2.经过相同时间物体又回到A点.求: E1和E2的大小之比.
由于在整个运动过程中a1a2=13,故E1E2=13.
应用4质量为m的带正电小球由空中某点自由下落,下落高度h后在空间加上竖直向上的匀强电场,再经过相同时间小球又回到原出发点,不计空气阻力,且整个运动过程中小球从未落地.重力加速度为g.试确定从加电场开始到小球返回原出发点的过程中,小球电势能的变化量.
在此问题中,小球自由落体时的加速度的大小为a1,加了电场后的加速度为a2,则a1a2=13,即mgF电-mg=13,F电=4mg.故从加电场开始到小球返回原出发点的过程中,小球电场力做功为W电=F电h=4mgh,电势能减小了4mgh.
应用5如图1所示,质量为m的物体在沿斜面向上的恒力F作用下,由静止从底端沿光滑的斜面向上做匀加速直线运动,经时间t恒力F做功40 J,此后撤去恒力F,物体又经时间t回到出发点,若以地面为零势能点,则下列说法正确的是
A.开始时物体所受的恒力为F=2mgsinθ
B.撤去力F时,物体的动能为20 J
C.撤去力F时,物体的重力势能为30 J
D.物体回到出发点时的动能为40 J
此问题中,物体先从静止开始做匀加速运动,在撤去恒力F后,物体先做匀减速,再做匀加速运动,由上述结论可得
F合1F合2=F-mgsinθmgsinθ=13,
故F=43mgsinθ,F1=13mgsinθ.
物体在第一个t内,合外力所做的功W1=10 J,Ek1=10 J,回到出发点时的动能为Ek2=40 J.撤去力F时,动能为10 J,WG=ΔEk-WF=10 J-40 J=-30 J,故重力势能的增量为30 J,此题正解为C、D.
这是运动学中一个典型的运动,这个典型运动过程的讨论,得到了相应的结论,而这个结论在处理类似问题时有很多的应用.这些应用即牵涉了力学的问题,又牵涉到能量的问题;即牵涉到了重力场,也牵涉到了电场;既有平面的问题,也有斜面的问题.若我们在复习的过程中,以此问题为线索,带动这一类问题的探索,不失为达到高效复习的有效途径之一.
案例2物体从静止开始经过两个匀变速运动速度变为零.
问题2一物体从静止开始做匀加速运动,加速度大小为a1, 加速的时间为t1, 此后物体做加速度大小为a2的匀减速运动,经过时t2,物体静止.整个过程中物体经过的位移为x.试讨论a1、a2、t1、t2与x之间的关系.
结论2画出物体的v-t图象如图2所示,
则a1t1=a2t2,即a1a2=t2t1(1)
设加速运动和减速运动的位移大小分别为x1和x2,
x1x2=12vmt112vmt2=t1t2(2)
总位移x=vm2(t1 t2)(3)
我们碰到的很多运动学的问题,都可以用(1)、(2)、(3)的讨论方法或结论来处理.
应用1如图3所示,一名消防队员在模拟演习训练中,沿着长为12 m的竖立在地面上的钢管往下滑.已知这名消防队员的质量为60 kg,他从钢管顶端由静止开始先匀加速再匀减速下滑,滑到地面时速度恰好为零.如果他加速时的加速度大小是减速时的2倍,下滑的总时间为3 s, g取10 m/s2,那么该消防员队 A.下滑过程中的最大速度为4 m/s
B.加速与减速过程的时间之比为1∶2
C.加速与减速过程中所受摩擦力的大小之比为1∶7
D.加速与减速过程的位移之比为1∶4
由题意可得 a1a2=21,
故 t1t2=12,t1=1 s,t2=2 s,
x1x2=t1t2=12,
又由于x=vm2(t1 t2),vm=2xt1 t2=8 m/s,
a1=8 m/s2,a2=4 m/s2,
可解得f1f2=17,x1 x2=12.
故此题正解为B、C.
应用2(2013年天津理综)质量为m=4 kg的小物块静止于水平地面上的A点,现用F=10 N的水平恒力拉动物块一段时间后撤去,物块继续滑动一段位移停在B点,A、B两点相距x=20 m,物块与地面间的动摩擦因数μ=0.2,g取10 m/s2,求:(1)物块在力F作用过程发生位移x1的大小;(2)撤去力F后物块继续滑动的时间t.
(1)设物块在力F作用过程发生位移为x1,物块在力F撤去后发生位移为x2,运动时间分别为t1、t2,
则a1=F-μmgm=0.5 m/s2,
a2=μg=2 m/s2,
x1x2=t1t2=a2a1=41,
又因为x1 x2=x,
故x1=16 m,x2=4 m.
(2)根据x2=12a2t22,解得t=t2=2 s.
应用3如图4所示,质量m=2 kg的物体静止于水平地面的A处,A、B间距L=20 m.物体与水平面之间的动摩擦因数μ=0.5.用大小为30 N,与水平方向成37°的力斜向上拉此物体,使物体从A处由静止开始运动并能到达B处,求该力作用的最短时间t.
设F作用的时间为t, 物体先以加速度大小为a做匀加速运动,撤去外力F后,以加速度大小为a’做匀减速运动,经过时间t’到达B处,速度恰好为零.这种情况下,F的作用时间最短.
Fcos37°-μ(mg-Fson37°)=ma,
解得a=11.5 m/s2,
a′=fm=μg,
解得a′=5 m/s2,
xx′=tt′=a′a=1023,
又因为x x′=L,解得x=20033 m.
根据x=12at2,解得t=1.03 s.
以问题为线索的复习方法,是指将使用方法或结论相似的问题放在一起,让学生体会处理这类问题的方法,达到高效复习的目的.在我们平时的复习过程中,其他类似的案例还有很多,我们需要注重这方面的积累.