1.教学对数函数的图象和性质:
① 定义:一般地,当a>0且a≠1时,函数
叫做对数函数(logarithmic function).
自变量是x; 函数的定义域是(0,+∞)
② 辨析: 对数函数定义与指数函数类似,都是形式定义,注意辨别,如:
,
都不是对数函数,而只能称其为对数型函数;对数函数对底数的限制
,且
.
③ 探究:你能类比前面讨论指数函数性质的思路,提出研究对数函数性质的内容和方法吗?
研究方法:画出函数的图象,结合图象研究函数的性质.
研究内容:定义域、值域、特殊点、单调性、最大(小)值、奇偶性.
④ 练习:同一坐标系中画出下列对数函数的图象
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⑤ 讨论:根据图象,你能归纳出对数函数的哪些性质?
列表归纳:分类 → 图象 → 由图象观察(定义域、值域、单调性、定点)
引申:图象的分布规律?
2. 根据教材P73例,用计算器可以完成下表:
|
碳14的含量P |
0.5 |
0.3 |
0.1 |
0.01 |
0.001 |
|
生物死亡年数t |
|
|
|
|
|
讨论:t与P的关系?(对每一个碳14的含量P的取值,通过对应关系
,生物死亡年数t都有唯一的值与之对应,从而t是P的函数)
1. 画出
、
的图像,并以这两个函数为例,说说指数函数的性质.
4.水平弹簧振子的弹簧应为如图6-3a或6-3b的样子。当振子的位置在平衡位置两侧时,弹簧长度是不同的。所以选项D不对。
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另外,符合题意条件的不一定非选最大位移处的两点,也可以选其他的点分析,如图6-4P,Q两点,同样可以得出正确结论。
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所以此题的正确答案为A,C。
例5 一个做简谐运动的弹簧振子,周期为T,振幅为A,设振子
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A.t1=t2 B.t1<t2
C.t1>t2 D.无法判断
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度也大,因而时间短,所以t1>t2,应选C。
错解三:因为这是一个变加速运动问题,不能用匀速运动或匀变速运动规律求解,因而无法判断t1和t2的大小关系,所以选D。
[错解原因] 主要是对简谐运动的特殊运动规律不清楚,只记住了周期公式,没注意分析简谐运动的全过程,没能深入地理解和掌握这种运动形式的特点。因而解题时错误地沿用了匀速或匀变速运动的规律,选择A的同学就是用匀速运动规律去解,而选择C的同学用了匀变速运动规律去解,因而错了。事实上,简谐运动的过程有其自身的许多规律,我们应该用它的特殊规律去求解问题,而不能用匀速或匀变速运动规律去求解。
[分析解答] 方法一:用图象法,画出x-t图象,从图象上,我们可以很直观地看出:t1<t2,因而正确答案为:B。
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方法二:从图象为正弦曲线和数学知识可写出位移随时间的函数关系式,物理学上称为振动方程,从平衡位置开始,振子的振动方程为:
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[评析] 以上两种方法,第一种方法是定性分析,在选择题练习时,是要重点掌握的。第二种方法可以进行定量计算,但由于要涉及振动方程,所以不做统一要求。
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t'=nT+t2。此处,为了题目简明起见,题文中用了“第一次”和“最短时间”等字样。否则就无法比较两个过程所用时间的长短。
例6 图6-6中实线是一列简谐波在某一时刻的波形图线,虚线是0.2s后它的波形图线。这列波可能的传播速度是_______。
[错解] 从图上可以看出波长λ=4m,而从两次的波形图可知:
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v=5m/s.
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[错解原因]
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面的。实际上,只有当波向右(沿x正方向)传播时,上述关系才成立。
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[分析解答] 从图上可以看出λ=4m。
当波沿x正方向传播时,两次波形之间间隔的时间为:
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此题的答案为:(20n+5)m/s和(20m+15)m/s,(n=0,1,2,…)
[评析] 对于这种已知条件较为含糊的波的问题,要从波的传播方向、时间和空间的周期性等方面进行全面周到的分析,这也是解决机械波问题时,初学者经常忽略的问题。
例7 一简谐波的波源在坐标原点o处,经过一段时间振动从o点向右传播20cm到Q点,如图6-7所示,P点离开o点的距离为30cm,试判断P质点开始振动的方向。
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传到P点,所以画出如图6-8所示的波形图。因为波源在原点,波沿x轴正方向传播,所以可判定,P点开始振动的方向是沿y轴正方向(即向上)。
[错解原因] 主要原因是把机械波的图象当成机械振动的图象看
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面的波形也变化了。
[分析解答] 因为原图中的波形经历了半个周期的波形如图6-9所示,在此波形基础上,向前延长半个波形即为P点开始振动时的波形图,因为波源在原点处,所以介质中的每个质点都被其左侧质点带动,所以P点在刚开始时的振动方向沿y轴负方向(即向下)从另外一个角度来看,原图中Q点开始振动时是向下的,因为所有质点开始振动时的情况均相同,所以P点开始振动的方向应是向下的。
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[评析] 本题中的错解混淆了振动图象与波的图象,那么这两个图象有什么不同呢?(1)首先两个图象的坐标轴所表示的物理意义不同:振动图象的横坐标表示时间,而波动图象的横坐标表示介质中各振动质点的平衡位置。(2)两个图象所描述的对象不同:振动图象描述的是一个质点的位移随时间的变化情况,而波的图象描述的是介质中的一群质点某一时刻各自振动所到达的位置情况。通俗地说:振动图象相当于是在一般时间内一个质点运动的“录像”,而波的图象则是某一时刻一群质点振动的“照片”。(3)随着时间的推移,振动图象原来的形状(即过去质点不同时刻所到达的位置不再发生变化,而波的图象由于各质点总在不断地振动,因此随着时间的推移,原有的图象将发生周期性变化。
例8 图6-10是某时刻一列横波在空间传播的波形图线。已知波是沿x轴正方向传播,波速为4m/s,试计算并画出经过此时之后1.25s的空间波形图。
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=62.5个波长,其波形如图6-13。
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[错解原因] 错解一、错解二没有重视单位的一致性,在此题中波长从图中只能得出λ=8cm,而波速给出的却是国际单位4m/s。因此,求周期时,应先将波长的单位统一到国际单位制上来。
错解三虽然计算对了,但是,在波向前(沿x轴正方向)传播了62.5个波长时的波形,应是在原来的波形基础上向x正方扩展62.5个波长。
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播一个波长。经过62.5个周期,波向前传播了62.5个波长。据波的周期性,当经过振动周期的整数倍时,波只是向前传播了整数倍个波长,而
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形,如图6-14。再将此图向前扩展62个波长即为题目要求,波形如图6-15。
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[评析] 波形图反映了波在传播过程中某时刻在波的传播方向上各质点离开平衡位置的位移情况,由于波只能以有限的速度向前传播,所以离振源远的质点总要滞后一段时间,滞后的时间与传播的距离成正比,即滞后一个周期。两个质点之间的平衡位置距离就是一个波长,经过多少个周期,波就向前传播了多少个波长,而振源就做了多少次全振动,这就是此类问题的关键所在。
例9 如图6-16所示,一列简谐横波沿x轴正方向传播,从波传到x=5m的M点时开始计时,已知P点相继出现两个波峰的时间间隔为0.4s,下面说法中正确的是 [ ]
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A.这列波的波长是4m
B.这列波的传播速度是10m/s
C.质点Q(x=9m)经过0.5s才第一次到达波峰
D.M点以后各质点开始振动时的方向都是向下
[错解] 错解一:由题中说P点相继出现两个波峰的时间间隔为
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错解二:质点Q(x=9m),经过0.4s(此处用了正确的周期结果
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所以C对。
错解三:M点以后各质点的振动有的向上,有的向下,所以D不对。
[错解原因] 错解一对“相继出现两个波峰”理解有误。
错解二对质点Q(x=9m)处,当波传到它以后,该点应如何振动不会分析,实际上也就是对波的传播原理不明白。不知道波的传播是机械振动在介质中传递的过程,质点要依次被带动形成波。
同理,错解三对M点以后各点运动情况分析有误,实际上M点以后各点运动情况向上还是向下取决于波的传播方向。
[分析解答] (1)从图6-16上可以看出波长为4m,选A。
(2)实际上“相继出现两个波峰”应理解为,出现第一波峰与出现第二个波峰之间的时间间隔。因为在一个周期内,质点完成一次全振动,而一次全振动应表现为“相继出现两个波峰”,即T=0.4s。则v=
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(3)质点Q(x=9m)经过0.4s开始振动,而波是沿x轴正方向传播,即介质中的每一个质点都被它左侧的质点所带动,从波向前传播的波形图6-17可以看出,0.4s波传到Q时,其左侧质点在它下方,所以Q点在0.5s时处于波谷。再经过0.2ss即总共经过0.7s才第一次到达波峰,所以选项C错了。
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(4)从波的向前传播原理可以知道,M以后的每个质点都是先向下振动的。所以选项D是对的。
此题正确答案为A,B,D。
[评析]
例10 如图6-18所示,一根张紧的水平弹性长绳上的a,b两点,相距14.0m,b点在a点的右方,当一列简谐横波沿此长绳向右传播时,若a点的位移达到正最大时,b点的位移恰为零且向下运动。经过1.00s后a点的位移为零,且向下运动,而b点的位移恰达到负最大,则这简谐波的波速可能等于 [ ]
A.4.67m/s B.6m/s
C.10m/s D.4m/s
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v=4.67m/s选择A。
但此题可能多选,考虑到a,b之间满足条件的情况还可 ![]()
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解得:v=10m/s 选择C
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解得:v=11.5m/s显然不符合题目中的选项,且通过分析可知v=14m/s也是不对的,所以正确答案为A,C。
[错解原因]以上答案并没有错,但分析问题的过程出现了明显的
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漏了不少结论。而此题做为选择题,学生能用错误的思维方式得出符合答案的结果,纯属偶然。
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波长λ有一系列数据,周期T也有一系列数据,从波的概念出发,两者并无一一对应,因而波速应为
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其解为当n=0,N=0,1,2……
n=1,N=0,1,2……
n=2,N=0,1,2……
我们可以通过列表来看一看波速的各种可能值:
|
N |
n |
||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
… |
|
|
0 |
4.67 |
2 |
1.27 |
0.933 |
|
|
1 |
23.3 |
10 |
6.36 |
4.67 |
|
|
2 |
42 |
18 |
11.5 |
8.4 |
|
|
3 |
60.7 |
26 |
16.6 |
12.1 |
|
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
从表中可以看出,4.67m/s及10m/s即为正确答案。所以正确答案应选A,C。
3.同错解3。
4.对弹簧振子这样一个物理模型认识不全面,所谓水平弹簧振子的弹簧是哪段没弄清楚。
[分析解答] 1.由题意可知,t=nt,n可以是1,2,3…,
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选项A是正确的。
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相反,且对称于平衡位置,所以加速度的方向是相反的。
在本章知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:对于诸如机械振动、简谐运动、受迫振动、共振、阻尼振动、等幅振动等众多的有关振动的概念不能深刻的理解,从而造成混淆;不能从本质上把握振动图象和波的图象的区别和联系,这主要是由于振动的图象与波的图象形式上非常相似,一些学生只注意图象的形状,而忽略了图象中坐标轴所表示的物理意义,因此造成了将两个图象相混淆。另外,由于一些学生对波的形成过程理解不够深刻,导致对于波在传播过程中时间和空间的周期性不能真正的理解和把握;由于干涉和衍射的发生条件、产生的现象较为抽象,所以一些学生不能准确地把握相关的知识内容,表现为抓不住现象的主要特征、产生的条件混淆不清。
例1 一个弹簧振子,第一次被压缩x后释放做自由振动,周期为T1,第二次被压缩2x后释放做自由振动,周期为T2,则两次振动周期之比T1∶T2为 [ ]
A.1∶1 B.1∶2
C.2∶1 C.1∶4
[错解] 压缩x时,振幅为x,完成一次全振动的路程为4x。压缩2x时,振幅即为2x,完成一次全振动的路程为8x。由于两种情况下全振动的路程的差异,第二次是第一次的2倍。所以,第二次振动的周期一定也是第一次的2倍,所以选B。
[错解原因] 上述解法之所以错误是因为把振子的运动看成是匀速运动或加速度恒定的匀加速直线运动了。用了匀速或匀加速运动的规律。说明这些同学还是没有掌握振动的特殊规律。
[分析解答] 事实上,只要是自由振动,其振动的周期只由自身因素决定,对于弹簧振子而言,就是只由弹簧振子的质量m和弹簧的劲度系数k决定的,而与形变大小、也就是振幅无关。所以只要弹簧振子这个系统不变(m,k不变),周期就不会改变,所以正确答案为A。
[评析] 本题给出的错解是初学者中最常见的错误。产生这一错误的原因是习惯于用旧的思维模式分析新问题,而不善于抓住新问题的具体特点,这反映了学习的一种思维定势。只有善于接受新知识、新方法,并将其运用到实际问题中去,才能开阔我们分析、解决问题的思路,防止思维定势。
例2 一个单摆,如果摆球的质量增加为原来的4倍,摆球经过平
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A.频率不变,振幅不变 B.频率不变,振幅改变
C.频率改变,振幅不变 D.频率改变,振幅改变
[错解] 错解一:因为单摆的周期(频率)是由摆长l和当地重
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变(指平衡位置动能也就是最大动能),由机械能守恒可知,势能也不变。所以振幅也不变,应选A。
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而振幅与质量、速度无关(由上述理由可知)所以振幅不变,应选C。
错解三:认为频率要改变,理由同错解二。而关于振幅的改变与否,除了错解一中所示理由外,即总能量不变,而因为重力势能EP=mgh,EP不变,m变为原来的4倍,h一定变小了,即上摆到最高点的高度下降了,所以振幅要改变,应选D。
[错解原因] 此题主要考查决定单摆频率(周期)和振幅的是什么因素,而题中提供了两个变化因素,即质量和最大速度,到底频率和振幅与这两个因素有没有关系。若有关系,有什么关系,是应该弄清楚的。
而错解二和错解三中都认为频率不变,这是因为为不清楚决定单摆的因素是摆长l和当地重力加速度g,而与摆球质量及运动到最低点的速度无关。
错解二中关于频率不变的判断是正确的,错误出现在后半句的结论上。判断只从能量不变去看,当E总不变时,EP=mgh,m变大了,h一定变小。说明有些同学考虑问题还是不够全面。
[分析解答] (1)实际上,通过实验我们已经了解到,决定单
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单摆的周期与质量无关,与单摆的运动速度也无关。当然,频率也与质量和速度无关,所以不能选C,D。
(2)决定振幅的是外来因素。反映在单摆的运动中,可以从能量去观察,从上面分析我们知道,在平衡位置(即最低点)时的动能EK
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的重力势能也不变。但是由于第二次摆的质量增大了(实际上单摆已经变成另一个摆动过程了),势能EP=mgh不变,m大了,h就一定变小了,也就是说,振幅减小了。因此正确答案应选B。
[评析] 本题的分析解答提醒我们,一是考虑要全面,本题中m,v两因素的变化对确定的单摆振动究竟会产生怎样的影响,要进行全面分析;二是分析问题要有充分的理论依据,如本题中决定单摆振动的频率
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例3 如图6-1所示,光滑圆弧轨道的半径为R,圆弧底部中点为O,两个相同的小球分别在O正上方h处的A点和离O很近的轨道B点,现同时释放两球,使两球正好在O点相碰。问h应为多高?
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[错解] 对B球,可视为单摆,延用单摆周期公式可求B球到达O点的时间:
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对A球,它做自由落体运动,自h高度下落至O点
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[错解原因] 上述答案并没有完全错,分析过程中有一点没有考虑,即是振动的周期性,因为B球在圆形轨道上自B点释放后可以做往
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上述解答漏掉一些解,即上述解答只是多个解答中的一个。
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对B球振动周期
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到达O点的时间为
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显然,前面的解仅仅是当n=0时的其中一解而已。
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[评析] 在解决与振动有关的问题时,要充分考虑到振动的周期性,由于振动具有周期性,所以此类问题往往答案不是一个而是多个。
例4 水平弹簧振子,每隔时间t,振子的位移总是大小和方向都相
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[错解] 1.首先排除A,认为A是不可能的。理由是:水平弹簧振子的运动轨迹可简化为如图6-2,O为平衡位置,假设计时开始时,振子位于A点,每隔时间t,振子的位移总是大小和方向都相同,所以t
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B之间非A即B点,而这两点距平衡位置都等于振幅,所以加速度都等
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所以振子的动能总是相同的,所以选C是对的。
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同的,都等于振幅,所以D是对的。
综上所述,应选B,C,D。
[错解原因] 错解1是排除A,之所以产生错误,是因为在头脑中形成思维定势,认为在时间t内,振子只能在一个周期内振动。很多学生在解决振动和波的问题时,习惯上把所有问题都限定在一个周期内,而没有考虑到在时间t内,振子可能已经完成多个全振动了。
错解2的产生主要是对加速度的矢量性认识不够或头脑中根本就没有这个概念,认为位置对称,加速度大小一样就是加速度相同。
3.选择C是对的。
本章中所涉及到的基本方法有:由于振动和波动的运动规律较为复杂,且限于中学数学知识的水平,因此对于这部分内容不可能像研究直线运动、平抛、圆周运动那样从运动方向出发描述和研究物体的运动,而是利用图象法对物体做简谐运动的运动规律及振动在介媒中的传播过程进行描述与研究。图像法具有形象、直观等优点,其中包含有丰富的物理信息,在学习时同学们要注意加以体会;另外,在研究单摆振动的过程中,对于单摆所受的回复力特点的分析,采取了小摆角的近似的处理,这是一种理想化物理过程的方法。
本章内容包括机械振动、回复力、振幅、周期、频率、简谐振动、受迫振动、共振、机械波、波长、波速、横波、纵波、波的干涉和衍射等基本概念,以及单摆振动的周期规律、简谐运动的图像、简谐运动中的能量转化规律、波的图像、波长和频率与波速之间的关系等规律。
在本章知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:对物体做圆周运动时的受力情况不能做出正确的分析,特别是物体在水平面内做圆周运动,静摩擦力参与提供向心力的情况;对牛顿运动定律、圆周运动的规律及机械能守恒定律等知识内容不能综合地灵活应用,如对于被绳(或杆、轨道)束缚的物体在竖直面的圆周运动问题,由于涉及到多方面知识的综合,表现出解答问题时顾此失彼。
例1 假如一做圆周运动的人造地球卫星的轨道半径增大到原来的2倍,仍做圆周运动,则( )
A.根据公式v=ωr,可知卫星运动的线速度增大到原来的2倍。
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D.根据上述选项B和C给出的公式,可知卫星运动的线速度将减
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[错解]选择A,B,C
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所以选择A,B,C正确。
[错解分析]A,B,C中的三个公式确实是正确的,但使用过程中A,
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[分析解答]正确选项为C,D。
A选项中线速度与半径成正比是在角速度一定的情况下。而r变化时,角速度也变。所以此选项不正确。同理B选项也是如此,F∝是在v一定时,但此时v变化,故B选项错。而C选项中G,M,m都是恒量,所以F∝
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[评析]物理公式反映物理规律,不理解死记硬背经常会出错。使用中应理解记忆。知道使用条件,且知道来拢去脉。
卫星绕地球运动近似看成圆周运动,万有引力提供向心力,由此将
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根据以上式子得出
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例2 一内壁光滑的环形细圆管,位于竖直平面内,环的半径为R(比细管的半径大得多),圆管中有两个直径与细管内径相同的小球(可视为质点)。A球的质量为m1, B球的质量为m2。它们沿环形圆管顺时针运动,经过最低点时的速度都为v0。设A球运动到最低点时,球恰好运动到最高点,若要此时两球作用于圆管的合力为零,那么m1,m2,R与v0应满足关系式是。
[错解]依题意可知在A球通过最低点时,圆管给A球向上的弹力N1为向心力,则有
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B球在最高点时,圆管对它的作用力N2为m2的向心力,方向向下,则有
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因为m2由最高点到最低点机械能守恒,则有
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[错解原因]错解形成的主要原因是向心力的分析中缺乏规范的解题过程。没有做受力分析,导致漏掉重力,表面上看分析出了N1=N2,但实际并没有真正明白为什么圆管给m2向下的力。总之从根本上看还是解决力学问题的基本功受力分析不过关。
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[分析解答]首先画出小球运动达到最高点和最低点的受力图,如图4-1所示。A球在圆管最低点必受向上弹力N1,此时两球对圆管的合力为零,m2必受圆管向下的弹力N2,且N1=N2。
据牛顿第二定律A球在圆管的最低点有
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同理m2在最高点有
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m2球由最高点到最低点机械能守恒
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[评析]比较复杂的物理过程,如能依照题意画出草图,确定好研究对象,逐一分析就会变为简单问题。找出其中的联系就能很好地解决问题。
例3 从地球上发射的两颗人造地球卫星A和B,绕地球做匀速圆周运动的半径之比为RA∶RB=4∶1,求它们的线速度之比和运动周期之比。
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设A,B两颗卫星的质量分别为mA,mB。
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[错解原因]这里错在没有考虑重力加速度与高度有关。根据万有引力定律知道:
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可见,在“错解”中把A,B两卫星的重力加速度gA,gB当作相同的g来处理是不对的。
[分析解答]卫星绕地球做匀速圆周运动,万有引力提供向心力,根据牛顿第二定律有
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[评析]我们在研究地球上的物体的运动时,地面附近物体的重力加速度近似看做是恒量。但研究天体运动时,应注意不能将其认为是常量,随高度变化,g值是改变的。
例4 使一小球沿半径为R的圆形轨道从最低点上升,那么需给它最小速度为多大时,才能使它达到轨道的最高点?
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[错解]如图4-2所示,根据机械能守恒,小球在圆形轨道最高点A时的势能等于它在圆形轨道最低点B时的动能(以B点作为零势能位置),所以为
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从而得
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[错解原因]小球到达最高点A时的速度vA不能为零,否则小球早在到达A点之前就离开了圆形轨道。要使小球到达A点(自然不脱离圆形轨道),则小球在A点的速度必须满足
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式中,NA为圆形轨道对小球的弹力。上式表示小球在A点作圆周运动所需要的向心力由轨道对它的弹力和它本身的重力共同提供。当NA=0时,
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[分析解答]以小球为研究对象。小球在轨道最高点时,受重力和轨道给的弹力。
小球在圆形轨道最高点A时满足方程
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根据机械能守恒,小球在圆形轨道最低点B时的速度满足方程
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解(1),(2)方程组得
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轨道的最高点A。
例5 用长L=1.6m的细绳,一端系着质量M=1kg的木块,另一端挂在固定点上。现有一颗质量m=20g的子弹以v1=500m/s的水平速度向木块中心射击,结果子弹穿出木块后以v2=100m/s的速度前进。问木块能运动到多高?(取g=10m/s2,空气阻力不计)
[错解]在水平方向动量守恒,有
mv1=Mv+mv2 (1)
式①中v为木块被子弹击中后的速度。木块被子弹击中后便以速度v开始摆动。由于绳子对木块的拉力跟木块的位移垂直,对木块不做功,所以木块的机械能守恒,即
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h为木块所摆动的高度。解①,②联立方程组得到
v=8(v/s)
h=3.2(m)
[错解原因]这个解法是错误的。h=3.2m,就是木块摆动到了B点。如图4-3所示。则它在B点时的速度vB。应满足方程
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这时木块的重力提供了木块在B点做圆周运动所需要的向心力。解
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如果vB<4 m/s,则木块不能升到B点,在到达B点之前的某一位置以某一速度开始做斜向上抛运动。而木块在B点时的速度vB=4m/s,是不符合机械能守恒定律的,木块在 B点时的能量为(选A点为零势能点)
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两者不相等。可见木块升不到B点,一定是h<3.2 m。
实际上,在木块向上运动的过程中,速度逐渐减小。当木块运动到某一临界位置C时,如图4-4所示,木块所受的重力在绳子方向的分力恰好等于木块做圆周运动所需要的向心力。此时绳子的拉力为零,绳子便开始松弛了。木块就从这个位置开始,以此刻所具有的速度vc作斜上抛运动。木块所能到达的高度就是C点的高度和从C点开始的斜上抛运动的最大高度之和。
[分析解答] 如上分析,从式①求得vA=v=8m/s。木块在临界位置C时的速度为vc,高度为
h′=l(1+cosθ)
如图所示,根据机船能守恒定律有
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木块从C点开始以速度vc做斜上抛运动所能达到的最大高度h″为
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[评析] 物体能否做圆运动,不是我们想象它怎样就怎样这里有一个需要的向心力和提供向心力能否吻合的问题,当需要能从实际提供中找到时,就可以做圆运动。所谓需要就是符合牛顿第二定律F向=ma向的力,而提供则是实际中的力若两者不相等,则物体将做向心运动或者离心运动。
第六章 机械运动、机械波错题集
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