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物理学习重“联系”善“变通”

2022-06-23张建国

数理化解题研究 2022年16期
关键词:线框动能定理联系

张建国

(广东省佛山市南海区第一中学 528200)

1 重联系

物理,重在一个“理”字,即事物的内在联系及其规律性.要学好物理,就要抓住这些“联系”,从而“悟”理.

1.1 抓知识与知识之间的联系,形成知识网络

我们正处在“知识激增”的时代,新知识、新技术层出不穷,只有提高学生自己的自学能力,才能在现代化社会中立于不败之地.

学生要学会将一本书先读薄(翻阅略读)、再读厚(研读)、最后再读薄(概括提炼),从而完成知识的“自主建构”和思想方法的感悟!

1.2 抓知识与习题之间的联系,强调即学即用

做好练习,是学生学好物理必需的重要环节,它既可以巩固知识,又可以加深学生对知识的理解,而知识理解透了,就便于学生进一步运用它们.那种割裂了知识与应用联系的教辅资料都是低效的!

1.3 抓习题与习题之间的联系

归纳典型习题、提炼解题思路,一题多变、一题多解.

为此,每完成一道作业,都要三思,通过这一道题:

①巩固了哪些知识?②发现了哪些问题?③总结了什么新的规律?

从而达到总结——练习——再总结——这样一个良性循环.

在这里,失败了——发现了问题所在——提高了认识,失败就成了一笔财富!

学生抓好“三个联系”,自主建构出由物理概念、规律交织而成的知识网络,就为知识的灵活运用打下了坚实的基础.

2 善变通

2.1 “直接求法”和 “间接求法”

当求取某个物理量的时候,一般有两条思路——直接求法和间接求法.

直接求法根据该物理量的定义来直接求取的方法.如根据功的公式W=Fscosα,将F、s、α直接代入公式来求恒力F的功.

间接求法根据物理规律将一个不易求取的物理量转化为一个方便求取的物理量.人们常说“多一个朋友多条路”,在物理学习中何尝不是“多条规律多条路”呢!如根据动能定理W=ΔEk,实现W⟺Ek的相互转换;根据动量定理I=Δp,实现I⟺p的相互转换等等.

例1小明将手中质量为1 kg的小球以10 m/s的速度水平抛出,试求抛出过程小明对小球所做的功.

分析使用功的公式W=Fs无法求解,但可以利用动能定理W=ΔEk间接求取.

解析抛出过程小明对小球所做的功即为合外力对小球所做的功,而W合=ΔEk

2.2 极值问题的两种解题思路

极值问题是中学物理学习中经常遇到的一类问题,如“二物体何时距离最远?”“作用力F何种情况下最小?”“F做的功何种情况下最少?”等等.对于此类问题,可从下面两种思路入手加以解决——利用数学手段和挖掘物理图景的潜力.

例2在十字路口,汽车以0.5m/s2的加速度从停车线起动做匀加速运动时,恰有一辆自行车以5m/s的速度匀速驶过停车线与汽车同方向行驶,求汽车追上自行车前什么时候它们相距最远?最大距离是多少?

解法二(分析物理图景) 初始阶段,自行车速度大于汽车速度,只要汽车速度小于自行车速度,两车距离总是在不断增大;而当汽车速度增大到大于自行车速度时,两车距离又逐渐减少,所以两车速度相等时,距离最大.

上题用两种思路均可解出,而有些问题只有其中的一种思路较为合适.

例3如图1所示,重为G的物体与水平面间的动摩擦因数为μ,物体在与水平成θ角的拉力作用下做匀速运动,试求θ为多大时,所用拉力最小?

图1

解析此题借助物理图景只能定性分析出斜向上拉比平拉省力,至于θ为多大时最省力则无法定量给出.为此借助数学手段来解决这个问题.

物体在水平面上受力如图2所示,并建立图示的坐标系.由平衡条件得:

图2

Fcosθ-f=0

Fsinθ+N-G=0

又f=μN

解以上三式得:

由上式得:θ=φ=arctanμ时最省力.

2.3 运动学与动力学切换

例4同步卫星离地心距离为r,运行速度为v1,加速度为a1;第一宇宙速度为v2,地球赤道上的物体随地球自转的向心加速度为a3.地球的半径为R,则下列比值正确的是( ).

辨析同步卫星、近地卫星与赤道上的物体比较见图3.

图3

图4

例5发射地球同步卫星时,先将卫星发射至近地圆轨道1,然后经点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送入同步圆轨道3,轨道1和2相切于Q点,轨道2和3相切于P点,设卫星在1轨道和3轨道正常运行的速度和加速度分别为v1、v3和a1、a3,在2轨道经过P点时的速度和加速度为v2P和a2P,且当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时周期分别为T1、T2、T3,以下说法正确的是( ).

A.v1>v2P>v3B.v1>v3>v2P

C.a1>a3>a2PD.T1

解析卫星在P点由轨道2进入轨道3时,卫星远地点发动机要点火加速,所以A正确B错误;平均轨道半径越大,卫星运行周期越大,选项D正确.

2.4 “抽象”的能→“具体”的功

例6 如图5甲所示,一正方形单匝线框abcd放在光滑绝缘水平面上,线框边长为L、质量为m、电阻为R.该处空间存在一方向竖直向下的匀强磁场,其右边界MN平行于ab,磁感应强度B随时间t变化的规律如图5乙所示,0~t0时间内B随时间t均匀变化,t0时间后保持B=B0不变.

图5

(1)若线框保持静止,则在时间t0内产生的焦耳热为多少?

(2)若线框从零时刻起,在一水平拉力作用下由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,经过时间t0线框cd边刚要离开边界MN.则在此过程中拉力做的功为多少?

(3)在(2)的情况下,为使线框在离开磁场的过程中,仍以加速度a做匀加速直线运动,试求线框在离开磁场的过程中水平拉力F随时间t的变化关系.

错因此过程中产生的电动势不是动生电动势,而是变化的磁场激发的感应电场产生的感生电动势!因此此过程中线框中的电能不是靠克服安培力做功获得的,而是感应电场的电场力做功获得的.

但若不利用功能关系,而直接应用动能定理就可避免此错误,因为此过程线框所受安培力的合力为零,只有拉力做功,当然拉力的功等于线框动能的变化.

由牛顿第二定律有:F-B0IL=ma,

感悟直接联想能量转化,用功能关系去求解易出错,而应用动能定理破解电磁感应功能关系问题,稳妥而快捷,是因为能量是“抽象”的,功是“具体”的——有抓手,所以稳妥、踏实!

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