1、104 年高三物理热点专题考点 7 研究物理问题的图象方法山东 贾玉兵命题趋势高考说明对图象的要求不高,一般都只要求理解它的物理意义,并不要求用它去分析问题,但命题者常常突破这一限制。例如考试说明中明确指出:“对于振动图象和波的图象,只要求理解他们的物理意义,并能识别它们” ,但 2001 年高考理科综合试卷的第 20 题,却要求考生把波的图象和振动图象两者结合起来进行综合分析,明显超过了考试说明的要求。不过反过来恰好体现了命题的原则遵循考试说明,但不拘泥于考试说明。因此在图象这一类重要问题的复习上,不要太受框框的限制。近年高考图象出现的频率较高,尤其在选择题、填空题、实验题中。有关图象试题的
2、设计意图明显由“注重对状态的分析”转化为“注重对过程的理解和处理” 。现行教材中相对强调运动图象的地位,注重用数形结合的思想分析物体的运动,所以不能忽视。更为重要的是用速度时间图象分析一些追赶、比较加速度大小、所用时间的最值和碰撞等问题是极为方便的。简谐运动和简谐波是历年必考的热点内容。题目难度多数中档,考查的重点是波的图象的综合运用,特别是波的传播方向与质点振动方向间的关系。这类试题能很好的考查理解能力、推理能力和空间想象能力,要引起足够的重视。电磁感应现象中,结合感应电流时间图象分析问题,近几年也有时出现;另外用图象处理实验的题也是高考命题的趋势。知识概要在物理学中,两个物理量间的函数关系
3、,不仅可以用公式表示,而且还可以用图象表示。物理图象是数与形相结合的产物,是具体与抽象相结合的体现,它能够直观、形象、简洁的展现两个物理量之间的关系,清晰的表达物理过程,正确地反映实验规律。因此,利用图象分析物理问题的方法有着广泛的应用。图象法的功能主要有:1、可运用图象直接解题。一些对情景进行定性分析的问题,如判断对象状态、过程是否能够实现、做功情况等,常可运用图象直接解答。由于图象直观、形象,因此解答往往特别简捷。2、运用图象能启发解题思路。图象能从整体上把物理过程的动态特征展现得更清楚,因此能拓展思维的广度,使思路更清晰。许多问题,当用其他方法较难解决时,常能从图象上触发灵感,另辟蹊径。
4、3、图象还能用于实验。用图象来处理数据,可避免繁杂的计算,较快地找出事物的发展规律或需求物理量的平均值。也可用来定性的分析误差。应用图象解题应注意以下几点:1、运用图象首先必须搞清楚纵轴和横2轴所代表的物理量,明确要描述的是哪两个物理量之间的关系。如辨析简谐运动和简谐波的图象,就是根据坐标轴所表示的物理量不同。2、图线并不表示物体实际运动的轨迹。如匀速直线运动的 s-t 图是一条斜向上的直线,但实际运动的轨迹可能是水平的,并不是向上爬坡。3、要从物理意义上去认识图象。由图象的形状应能看出物理过程的特征,特别要关注截距、斜率、图线所围面积、两图线交点等。很多情况下,写出物理量的解析式与图象对照,
5、有助于理解图象物理意义。点拨解疑【例题 1】一物体做加速直线运动,依次通过 A、B、C 三点,AB=BC 。物体在 AB段加速度为 a1,在 BC 段加速度为 a2,且物体在 B 点的速度为 ,则2CABvAa 1 a2 Ba 1= a2 Ca 1 a2 D不能确定【点拨解疑】依题意作出物体的 v-t 图象,如图 1 所示。图线下方所围成的面积表示物体的位移,由几何知识知图线、不满足 AB=BC。只能是这种情况。因为斜率表示加速度,所以 a1a2,选项 C 正确。点评:本题是根据图象进行定性分析而直接作出解答的。分析时要熟悉图线下的面积、斜率所表示的物理意义。【例题 2】蚂蚁离开巢沿直线爬行,
6、它的速度与到蚁巢中心的距离成反比,当蚂蚁爬到距巢中心的距离 L1=1m 的 A 点处时,速度是 v1=2cm/s。试问蚂蚁从 A 点爬到距巢中心的距离 L2=2m 的 B 点所需的时间为多少?【点拨解疑】本题若采用将 AB 无限分割,每一等分可看作匀速直线运动,然后求和,这一办法原则上可行,实际上很难计算。题中有一关键条件:蚂蚁运动的速度 v 与蚂蚁离巢的距离 x 成反比,即 ,作xv1出 图象如图 2 所示,为一条通过原点的直线。从图上可以看出梯形 ABCD 的面积,xv13就是蚂蚁从 A 到 B 的时间: s752)(1(2112vLvT点评:解该题的关键是确定坐标轴所代表的物理量,速率与
7、距离成反比的条件,可以写成 ,也可以写成 ,若按前者确定坐标轴代表的量,图线下的面积就没xv1xv1有意义了,而以后者来确定,面积恰好表示时间,因此在分析时有一个尝试的过程。【例题 3】在光滑的水平面上有一静止的物体,现以水平恒力甲推这一物体,作用一段时间后,换成相反方向的水平恒力乙推这一物体。当恒力乙作用时间与恒力甲作用时间相同时,物体恰好回到原处,此时物体的动能为 32J。则在整个过程中,恒力甲做功等于多少 J?恒力乙做功等于多少 J?【点拨解疑】这是一道较好的力学综合题,涉及运动、力、功能关系的问题。粗看物理情景并不复杂,但题意直接给的条件不多,只能深挖题中隐含的条件。图 3 表达出了整
8、个物理过程,可以从牛顿运动定律、运动学、图象等多个角度解出,特别是应用图象方法,简单、直观,与新教材中的要求结合紧密。图 3作出速度时间图象(如图 4 所示) ,位移为速度图线与时间轴所夹的面积,依题意,总位移为零(v12t)= v2tv2=2 v14由题意知, J,故 J,321mv812v根据动能定理有 W1= J, W2= =24J1mv21点评:该题还有其他多种解法,同学们可以自己尝试,以拓宽思路,培养多角度解决问题的能力。针对训练1 (2001 春季高考题)将物体以一定的初速度竖直上抛,若不计空气阻力,从抛出到落回原地的过程中,图 5 中的四个图线中正确的是图 52如图 6 所示,a
9、 是某电源的 U-I 图线,b 是电阻 R 的 U-I 图线,这个电源的内阻等于 。把这个电源和这个电阻 R 串联成闭合电路,电源消耗的总功率为 。v1t2ttv20vv1t2ttv20v图 453质量分别为 m=0.5kg 和 M=1.5kg 的两物体在水平面上发生正碰,如图 7 中的 4条实线分别为 m、M 碰撞前后的位移时间图象,由图可以判断下列说法中正确的是A两个物体在碰撞中动量守恒 B碰撞前后 m 动能不变C碰撞前后 m 动能损失 3J D两个物体的碰撞是弹性碰撞4如图 8 所示,直线 OAC 为某一直流电源的总功率随着电流变化的图线,抛物线OBC 为同一直流电源内部的热功率随电流
10、I 变化的图线。若 A、B 对应的横坐标为 2A,则下面说法中正确的是A电源的电动势为 3V,内阻为 1 B线段 AB 表示的功率为 2WC电流为 2A 时,外电路电阻为 0.5 D电流为 3A 时,外电路电阻为 25如图 9 大小相等的匀强磁场分布在直角坐标系的 4 个象限里,相邻象限的磁感应强度 B 的方向相反,均垂直于纸面,现有一闭合扇形线框 OABO,以角速度 绕 OZ轴在 XOY 平面内匀速转动,那么在它旋转一周的过程中(从图中所示位置开始计时),线框内感应电动势与时间的关系图线是图 10(乙)中的 ( )6水平推力 F1 和 F2 分别作用于水平面上的同一物体,一段时间后撤去,使物
11、体都从静止开始运动而后停下,如果物体在两种情况下的总位移相等,且 F1 大于 F2 则 ( )AF 2 的冲量大 BF 1 的冲量大CF 1 与 F2 的冲量相等 D无法比较(提示:作 v-t 图象,根据图线所围的面积(表示位移)相等,比较两种情况下物体运动的时间,再应用动量定理求解。)7在用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻的实验中,所用的电流表和电压图 10图 96表的内阻分别约为 0.1 和 1k。图 11(甲)为实验原理图,图 11(乙)为所需器材的实物图。试按原理图在实物图中画线连接成实验电路。I(A) 0.12 0.20 0.31 0.32 0.50 0.57U(V) 1.37
12、1.32 1.24 1.18 1.10 1.05一位同学在实验中记录的 6 组数据如上表所示,试根据这些数据在图 11(丙)中画出 U-I 图线。根据图线可读出被测电池的电动势 E=_V,内电阻 r=_。8 (2003 年理综全国卷)用伏安法测量电阻阻值 R,并求出电阻率 。给定电压表(内阻约为 50k) 、电流表(内阻约为 40) 、滑线变阻器、电源、电键、待测电阻(约为 250)及导线若干。U/VI/A0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.701.001.101.201.301.401.50图(丙)VA变阻器 安培表伏特表电 池 电 键图(甲)图(乙) 图 1
13、1012345678900123456(cm)110012345678900123456(cm)4 58 9 0U/VI/mA0 5 10 15 20 2554321图(1) 图(2)图(3)图 127画出测量 R 的电路图。图 12(1)中的 6 个点表示实验中测得的 6 组电流 I、电压 U 的值,试写出根据此图求 R 值的步骤:_求出的电阻值 R=_。 (保留 3 位有效数字)待测电阻是一均匀材料制成的圆柱体,用游标为 50 分度的卡尺测量其长度与直径,结果分别如图 12(2) 、图 12(3)所示。由图可知其长度为_,直径为_。由以上数据可求出 =_。 (保留 3 位有效数字)9 (2
14、002 年全国理综)如图 13 甲所示,A、B 为水平放置的平行金属板,板间距离为 d(d 远小于板的长和宽) 。在两板间有一带负电的质点 P。已知若在 A、B 间加电压U0,则质点 P 可以静止平衡。现在 A、B 间加上如图 13 乙所示的随时间 t 变化的电压U。在 t=0 时质点 P 位于A、B 间中点处且初速度为 0,已知质点 P 能在A、B 间以最大的幅度上下运动而又不与两板相碰。求图 13 乙中 U 改变的各时刻 t1、t 2、t 3 及 tn 的表达式。 (质点开始从中点上升到最高点,及以后每次从最高点到最低点或从最低点到最高点的过程中,电压只改变一次。 )10 (2001 年全
15、国物理)如图 14 甲所示,一对平行光滑导轨,放在水平面上,两导轨间的距离 l=0.20m,电阻 R=1.0;有一导体杆静止地放在轨道上,与两轨道垂直,杆及两轨道的电阻均可忽略不计,整个装置处于磁感应强度 B=0.50T 的匀强磁场中,磁场方向垂直轨道面向下,如图 14 甲所示。现用一外力 F 沿轨道方向拉杆,使之做匀加速运动,侧得力 F 与时间 t 的关系如图 14 乙所示。求杆的质量 m 和加速度 a。AB P-+甲2U0tUO t1 t2 t3 t4 t n乙图 13R L甲FBt/sF/N0 4 8 12 16 20 24 2812345乙图 148参考答案1B C 22 9 W3AC
16、D4ABC5A 6A 如图71.46,0.7198解析:(1)外接,分压或限流,如图 15(2)作 UI 直线,舍去左起第 2 点,其余 5 个点尽量靠近直线且均匀分布在直线两侧。求该直线的斜 K,则 R=K。R= 均为正确) 。 2371(9(3)由图可知其长度为 0.800cm,直径为 0.194cm。(4)由以上数据可求出 m ( m 均为21046.8221076.81.正确)9解析:设质点 P 的质量为 m,电量大小为 q,根据题意,当 A、B 间的电压为U0 时,有:q = mg d当两板间的电压为 2U0 时,P 的加速度向上,其大小为 a,q - mg = ma 02解得 a
17、= g当两板间的电压为 0 时,P 自由下落,加速度为 g,方向向下。所以匀加速过程和匀减速过程加速度大小均为 g。加速时间与减速时间也相等,加速过程的位移大小也等于减速过程的位移大小。由以上分析可得出质点的 vt 图象如图 16 所示。由加速时间等于减速时间可知:图 15 t2 t1t4t3t2t1 tv图 169t 1=t1t2=t1+t 1+t 2t3=t1+t 1+3t 2tn=t1+t 1+(2n-3)t 2(n2)依题意知:,得 t1=214gtdgd2,得t 2= ,所以 t2=( +1)2)(t gdt3=( +3) gdtn=( +2n-3) (n2)2gd10解析:导体杆在轨道上做初速度为零的匀加速直线运动,用 v 表示瞬时速度,t 表示时间,则杆切割磁感线产生的感应电动势为: E=BLv=Blat 闭合回路中的感应电流为 由安培力公式和牛顿第二定律得: F-BIl=ma 由REI、式得 F=ma+ RatlB2由乙图线上取两点 t1=0,F 1=1N,t 2=10s,F 2=2N 代入,联立方程得:a=10m/s2,m=0.1kg