物理审题之“知三必解法”
高中物理课程虽然经多次修改,但其核心不变;主要围绕经典物理学展开力学、电磁学的学习。这里以力学中的匀变速直线运动、匀变速曲线运动以及电磁学中带电粒子在电场中的运动、带电粒子在磁场中的运动为例介绍物理审题的方法。在审题过程中曾出现过很多的观点比如说从问题出发,逆向思维推理等等。笔者在教学实践过程中发现,教会学生从已知到未知探究方法更为的有趣而高效。我们知道在一个物理过程中,往往涉及两个规律(状态规律、过程规律),根据这两个规律可列两方程,可解两未知数。巧的是我们认为的力学、电磁学中的几个重难点问题总那么巧合的涉及五个物理量,所以知其三则必解也。这就是我要说的“知三必解法”。审题变成了侦探破案过程而有趣,目标在于找寻三个线索而已。也许有些直接些,有些则深藏不露。
一、匀变速直线运动的求解
物体在做匀变速直线运动的规律:
两方程涉及x、vo、vt、a、t五个物理量知其三则必解。
【例题】(2010年安徽高考)质量为2kg的物体水平推力F的作用下溶水平面做直线运动。一段时间后撤去F,其运动的v-t图象如图所示。
G取10m/s2,求:(1)物体与水平间的动摩擦因数μ;
(2)水平推力F的大小;
(3)0-10s内物体运动位移的大小。
【解析】由图可知:0时刻的速度v1=2m/s,6s时刻的速度v2=8m/s,时间为6s,已经知道三个已知量,可求该时间段内的加速度a1;同理,v2=8m/s,10s时刻的速度v3=0,时间为4s,知三可求该时间段内的加速度a2;总位移的求解已经条件足够。
二、匀变速曲线运动的求解
以平抛运动为例,平抛运动规律(正交分解法有):
位移规律:
合位移方向:
速度规律:
合速度方向:
初看方程很多,在掌握平抛运动的规律上要难了很多。难而在熟悉方程的基础上我们分析:八个方程的右边归根结底而言都涉及这三个物理量:v0、g、t;换而言之,知三也必解。解题又变回了找寻这三个线索了。
【例题】倾斜雪道的长为25m,顶端高为15m,下端经过一小段圆弧过渡后与很长的水平雪道相接,如图所示。
一滑雪运动员在倾斜雪道的顶端以水平速度v0=8m/s飞出,求运动员落到斜面上时沿斜面的速度(取g=10m/s2)
【解析】题干已经直接给出了水平初速度v0=8m/s,及重力加速度g=10m/s2,三个已知量还缺一,由斜面高度及斜面长度可知斜面倾角为37°,相当于间接给出了运动员做平抛运动的合位移方向由;知三已可解此题。
三、带电粒子在电场中的偏转
带电粒子在电场中的偏转,从运动性质上来说为匀变速曲线运动,或者称之为类平抛运动。区别的是其运动的加速度a不是已知常量g,往往要求同学由题设条件间接求出加速度;
运动的位移规律:
加速度的求解可由牛顿第二定律处理:
就运动规律而言同样符合知三必解:关注已知量:v0、a、t。
【例题】(2009年新课标卷改编)如图所示,在第一象限有一匀强电场,场强大小为E,方向与y轴平行;一质量为m、电荷量为-q(q>0)的粒子以平行于x轴的速度从y轴上的P点处射入电场,在x轴上的Q点处离开电场,已知OP=l, 。不计重力。
求:(1)粒子离开电场的速度大小和方向;
(2)粒子从P点运动到Q点所用的时间。
【解析】由已知的电场强度E,及粒子的质量为m、电荷量为-q,可求出加速度a,同时已知水平位移及竖直位移:OP=l, ,知三可解此题。
四、带电粒子在磁场中的匀速圆周运动
物理规律:由洛伦兹力提供向心力可轻松解得如下两方程:
R=mv/Bq ①
T=2πm/Bq ②
以上两方程若将q/m合为一物理量(比荷)来看,则涉及R、T、B、v、q/m五个物理量,也可简单归结为“知三必解”。涉及带电粒子在磁场中的运动,多数出现在各考卷中的压轴题,难度系数较大,往往已知量不会直接给出,要求学生有较高的驾驭能力,能从题中其他已知量及题设条件中间接求出已知量,在结合知三必解法则得以完成全题。
【例题】(2011年新课标卷)如图,在区域I(0≤x≤d)和区域II (d≤x≤2d)内分别存在匀强磁场,磁感应强度大小分别为B和2B,方向相反,且都垂直于Oxy平面。一质量为m、带电荷量q(q>0)的粒子a于某时刻从y轴上的P点射入区域I,其速度方向沿x轴正向。已知a在离开区域I时,速度方向与x轴正方向的夹角为30°;此时,另一质量和电荷量均与a相同的粒子b也从p点沿x轴正向射入区域I,其速度大小是a的1/3。不计重力和两粒子之间的相互作用力。
求:(1)粒子a射入区域I时速度的大小;
(2)当a离开区域II时,a、b两粒子的y坐标之差。
【解析】由题设条件已经直接获得磁感应强度B,粒子比荷q/m,需要由磁场宽度及a粒子离开区域I的方向作图找到轨迹圆心,由平面几何知识求出轨道半径R,则轻松完成三个已知量的找寻,由公式第(1)小问可解;第二小问逆回去求半径并由运动时间求轨迹可解坐标差值。
最后希望能对阅读到此文的同学起到抛砖引玉的作用,纵览国内物理试题,有个共同的特点:已知量一定给出的恰到好处,既不会多给,更不可能少了已知量。所以我倒认为在解题中遇到困难时,研究研究已知条件吧,它是你解题的钥匙。“知三必解法”有他的局限性,但是能通过它熟悉力学、电磁学几个典型问题的处理,已经非常出色了。同学若能以此为起点发展到知四必解甚至知五必解,则幸已!
(作者单位:江西省鹰潭市第一中学)
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