題目列表(包括答案和解析)
(9分)以下物理量在國際單位制中的單位各是什么?
力 ;長度 ;質(zhì)量 ;加速度 ;速度 ;體積 ;時(shí)間 。其中,基本單位是 ,導(dǎo)出單位是 。
第九部分 穩(wěn)恒電流
第一講 基本知識介紹
第八部分《穩(wěn)恒電流》包括兩大塊:一是“恒定電流”,二是“物質(zhì)的導(dǎo)電性”。前者是對于電路的外部計(jì)算,后者則是深入微觀空間,去解釋電流的成因和比較不同種類的物質(zhì)導(dǎo)電的情形有什么區(qū)別。
應(yīng)該說,第一塊的知識和高考考綱對應(yīng)得比較好,深化的部分是對復(fù)雜電路的計(jì)算(引入了一些新的處理手段)。第二塊雖是全新的內(nèi)容,但近幾年的考試已經(jīng)很少涉及,以至于很多奧賽培訓(xùn)資料都把它刪掉了。鑒于在奧賽考綱中這部分內(nèi)容還保留著,我們還是想粗略地介紹一下。
一、歐姆定律
1、電阻定律
a、電阻定律 R = ρ
b、金屬的電阻率 ρ = ρ0(1 + αt)
2、歐姆定律
a、外電路歐姆定律 U = IR ,順著電流方向電勢降落
b、含源電路歐姆定律
在如圖8-1所示的含源電路中,從A點(diǎn)到B點(diǎn),遵照原則:①遇電阻,順電流方向電勢降落(逆電流方向電勢升高)②遇電源,正極到負(fù)極電勢降落,負(fù)極到正極電勢升高(與電流方向無關(guān)),可以得到以下關(guān)系
UA ? IR ? ε ? Ir = UB
這就是含源電路歐姆定律。
c、閉合電路歐姆定律
在圖8-1中,若將A、B兩點(diǎn)短接,則電流方向只可能向左,含源電路歐姆定律成為
UA + IR ? ε + Ir = UB = UA
即 ε = IR + Ir ,或 I =
這就是閉合電路歐姆定律。值得注意的的是:①對于復(fù)雜電路,“干路電流I”不能做絕對的理解(任何要考察的一條路均可視為干路);②電源的概念也是相對的,它可以是多個(gè)電源的串、并聯(lián),也可以是電源和電阻組成的系統(tǒng);③外電阻R可以是多個(gè)電阻的串、并聯(lián)或混聯(lián),但不能包含電源。
二、復(fù)雜電路的計(jì)算
1、戴維南定理:一個(gè)由獨(dú)立源、線性電阻、線性受控源組成的二端網(wǎng)絡(luò),可以用一個(gè)電壓源和電阻串聯(lián)的二端網(wǎng)絡(luò)來等效。(事實(shí)上,也可等效為“電流源和電阻并聯(lián)的的二端網(wǎng)絡(luò)”——這就成了諾頓定理。)
應(yīng)用方法:其等效電路的電壓源的電動(dòng)勢等于網(wǎng)絡(luò)的開路電壓,其串聯(lián)電阻等于從端鈕看進(jìn)去該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源為零值時(shí)的等效電阻。
2、基爾霍夫(克�?品颍┒�
a、基爾霍夫第一定律:在任一時(shí)刻流入電路中某一分節(jié)點(diǎn)的電流強(qiáng)度的總和,等于從該點(diǎn)流出的電流強(qiáng)度的總和。
例如,在圖8-2中,針對節(jié)點(diǎn)P ,有
I2 + I3 = I1
基爾霍夫第一定律也被稱為“節(jié)點(diǎn)電流定律”,它是電荷受恒定律在電路中的具體體現(xiàn)。
對于基爾霍夫第一定律的理解,近來已經(jīng)拓展為:流入電路中某一“包容塊”的電流強(qiáng)度的總和,等于從該“包容塊”流出的電流強(qiáng)度的總和。
b、基爾霍夫第二定律:在電路中任取一閉合回路,并規(guī)定正的繞行方向,其中電動(dòng)勢的代數(shù)和,等于各部分電阻(在交流電路中為阻抗)與電流強(qiáng)度乘積的代數(shù)和。
例如,在圖8-2中,針對閉合回路① ,有
ε3 ? ε2 = I3 ( r3 + R2 + r2 ) ? I2R2
基爾霍夫第二定律事實(shí)上是含源部分電路歐姆定律的變體(☆同學(xué)們可以列方程 UP = … = UP得到和上面完全相同的式子)。
3、Y?Δ變換
在難以看清串、并聯(lián)關(guān)系的電路中,進(jìn)行“Y型?Δ型”的相互轉(zhuǎn)換常常是必要的。在圖8-3所示的電路中
☆同學(xué)們可以證明Δ→ Y的結(jié)論…
Rc =
Rb =
Ra =
Y→Δ的變換稍稍復(fù)雜一些,但我們?nèi)匀豢梢缘玫?/p>
R1 =
R2 =
R3 =
三、電功和電功率
1、電源
使其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。如發(fā)電機(jī)、電池等。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�;干電池、蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�;光電池是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�;原子電池是將原子核放射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽辉陔娮釉O(shè)備中,有時(shí)也把變換電能形式的裝置,如整流器等,作為電源看待。
電源電動(dòng)勢定義為電源的開路電壓,內(nèi)阻則定義為沒有電動(dòng)勢時(shí)電路通過電源所遇到的電阻。據(jù)此不難推出相同電源串聯(lián)、并聯(lián),甚至不同電源串聯(lián)、并聯(lián)的時(shí)的電動(dòng)勢和內(nèi)阻的值。
例如,電動(dòng)勢、內(nèi)阻分別為ε1 、r1和ε2 、r2的電源并聯(lián),構(gòu)成的新電源的電動(dòng)勢ε和內(nèi)阻r分別為(☆師生共同推導(dǎo)…)
ε =
r =
2、電功、電功率
電流通過電路時(shí),電場力對電荷作的功叫做電功W。單位時(shí)間內(nèi)電場力所作的功叫做電功率P 。
計(jì)算時(shí),只有W = UIt和P = UI是完全沒有條件的,對于不含源的純電阻,電功和焦耳熱重合,電功率則和熱功率重合,有W = I2Rt = t和P = I2R = 。
對非純電阻電路,電功和電熱的關(guān)系依據(jù)能量守恒定律求解。
四、物質(zhì)的導(dǎo)電性
在不同的物質(zhì)中,電荷定向移動(dòng)形成電流的規(guī)律并不是完全相同的。
1、金屬中的電流
即通常所謂的不含源純電阻中的電流,規(guī)律遵從“外電路歐姆定律”。
2、液體導(dǎo)電
能夠?qū)щ姷囊后w叫電解液(不包括液態(tài)金屬)。電解液中離解出的正負(fù)離子導(dǎo)電是液體導(dǎo)電的特點(diǎn)(如:硫酸銅分子在通常情況下是電中性的,但它在溶液里受水分子的作用就會(huì)離解成銅離子Cu2+和硫酸根離子S,它們在電場力的作用下定向移動(dòng)形成電流)。
在電解液中加電場時(shí),在兩個(gè)電極上(或電極旁)同時(shí)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程叫作“電解”。電解的結(jié)果是在兩個(gè)極板上(或電極旁)生成新的物質(zhì)。
液體導(dǎo)電遵從法拉第電解定律——
法拉第電解第一定律:電解時(shí)在電極上析出或溶解的物質(zhì)的質(zhì)量和電流強(qiáng)度、跟通電時(shí)間成正比。表達(dá)式:m = kIt = KQ (式中Q為析出質(zhì)量為m的物質(zhì)所需要的電量;K為電化當(dāng)量,電化當(dāng)量的數(shù)值隨著被析出的物質(zhì)種類而不同,某種物質(zhì)的電化當(dāng)量在數(shù)值上等于通過1C電量時(shí)析出的該種物質(zhì)的質(zhì)量,其單位為kg/C。)
法拉第電解第二定律:物質(zhì)的電化當(dāng)量K和它的化學(xué)當(dāng)量成正比。某種物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量是該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M(克原子量)和它的化合價(jià)n的比值,即 K = ,而F為法拉第常數(shù),對任何物質(zhì)都相同,F(xiàn) = 9.65×104C/mol 。
將兩個(gè)定律聯(lián)立可得:m = Q 。
3、氣體導(dǎo)電
氣體導(dǎo)電是很不容易的,它的前提是氣體中必須出現(xiàn)可以定向移動(dòng)的離子或電子。按照“載流子”出現(xiàn)方式的不同,可以把氣體放電分為兩大類——
a、被激放電
在地面放射性元素的輻照以及紫外線和宇宙射線等的作用下,會(huì)有少量氣體分子或原子被電離,或在有些燈管內(nèi),通電的燈絲也會(huì)發(fā)射電子,這些“載流子”均會(huì)在電場力作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)形成電流。這種情況下的電流一般比較微弱,且遵從歐姆定律。典型的被激放電情形有
b、自激放電
但是,當(dāng)電場足夠強(qiáng),電子動(dòng)能足夠大,它們和中性氣體相碰撞時(shí),可以使中性分子電離,即所謂碰撞電離。同時(shí),在正離子向陰極運(yùn)動(dòng)時(shí),由于以很大的速度撞到陰極上,還可能從陰極表面上打出電子來,這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。碰撞電離和二次電子發(fā)射使氣體中在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大量的電子和正離子,電流亦迅速增大。這種現(xiàn)象被稱為自激放電。自激放電不遵從歐姆定律。
常見的自激放電有四大類:輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電。
4、超導(dǎo)現(xiàn)象
據(jù)金屬電阻率和溫度的關(guān)系,電阻率會(huì)隨著溫度的降低和降低。當(dāng)電阻率降為零時(shí),稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。電阻率為零時(shí)對應(yīng)的溫度稱為臨界溫度。超導(dǎo)現(xiàn)象首先是荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)的。
超導(dǎo)的應(yīng)用前景是顯而易見且相當(dāng)廣闊的。但由于一般金屬的臨界溫度一般都非常低,故產(chǎn)業(yè)化的價(jià)值不大,為了解決這個(gè)矛盾,科學(xué)家們致力于尋找或合成臨界溫度比較切合實(shí)際的材料就成了當(dāng)今前沿科技的一個(gè)熱門領(lǐng)域。當(dāng)前人們的研究主要是集中在合成材料方面,臨界溫度已經(jīng)超過100K,當(dāng)然,這個(gè)溫度距產(chǎn)業(yè)化的期望值還很遠(yuǎn)。
5、半導(dǎo)體
半導(dǎo)體的電阻率界于導(dǎo)體和絕緣體之間,且ρ
第三部分 運(yùn)動(dòng)學(xué)
第一講 基本知識介紹
一. 基本概念
1. 質(zhì)點(diǎn)
2. 參照物
3. 參照系——固連于參照物上的坐標(biāo)系(解題時(shí)要記住所選的是參照系,而不僅是一個(gè)點(diǎn))
4.絕對運(yùn)動(dòng),相對運(yùn)動(dòng),牽連運(yùn)動(dòng):v絕=v相+v牽
二.運(yùn)動(dòng)的描述
1.位置:r=r(t)
2.位移:Δr=r(t+Δt)-r(t)
3.速度:v=limΔt→0Δr/Δt.在大學(xué)教材中表述為:v=dr/dt, 表示r對t 求導(dǎo)數(shù)
5.以上是運(yùn)動(dòng)學(xué)中的基本物理量,也就是位移、位移的一階導(dǎo)數(shù)、位移的二階導(dǎo)數(shù)。可是
三階導(dǎo)數(shù)為什么不是呢?因?yàn)榕nD第二定律是F=ma,即直接和加速度相聯(lián)系。(a對t的導(dǎo)數(shù)叫“急動(dòng)度”。)
6.由于以上三個(gè)量均為矢量,所以在運(yùn)算中用分量表示一般比較好
三.等加速運(yùn)動(dòng)
v(t)=v0+at r(t)=r0+v0t+1/2 at2
一道經(jīng)典的物理問題:二次世界大戰(zhàn)中物理學(xué)家曾經(jīng)研究,當(dāng)大炮的位置固定,以同一速度v0沿各種角度發(fā)射,問:當(dāng)飛機(jī)在哪一區(qū)域飛行之外時(shí),不會(huì)有危險(xiǎn)?(注:結(jié)論是這一區(qū)域?yàn)橐粧佄锞€,此拋物線是所有炮彈拋物線的包絡(luò)線。此拋物線為在大炮上方h=v2/2g處,以v0平拋物體的軌跡。)
練習(xí)題:
一盞燈掛在離地板高l2,天花板下面l1處。燈泡爆裂,所有碎片以同樣大小的速度v 朝各個(gè)方向飛去。求碎片落到地板上的半徑(認(rèn)為碎片和天花板的碰撞是完全彈性的,即切向速度不變,法向速度反向;碎片和地板的碰撞是完全非彈性的,即碰后靜止。)
四.剛體的平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)
1. 我們講過的圓周運(yùn)動(dòng)是平動(dòng)而不是轉(zhuǎn)動(dòng)
2. 角位移φ=φ(t), 角速度ω=dφ/dt , 角加速度ε=dω/dt
3. 有限的角位移是標(biāo)量,而極小的角位移是矢量
4. 同一剛體上兩點(diǎn)的相對速度和相對加速度
兩點(diǎn)的相對距離不變,相對運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧,VA=VB+VAB,在AB連線上
投影:[VA]AB=[VB]AB,aA=aB+aAB,aAB=,anAB+,aτAB, ,aτAB垂直于AB,,anAB=VAB2/AB
例:A,B,C三質(zhì)點(diǎn)速度分別VA ,VB ,VC
求G的速度。
五.課后習(xí)題:
一只木筏離開河岸,初速度為V,方向垂直于岸邊,航行路線如圖。經(jīng)過時(shí)間T木筏劃到路線上標(biāo)有符號處。河水速度恒定U用作圖法找到在2T,3T,4T時(shí)刻木筏在航線上的確切位置。
五、處理問題的一般方法
(1)用微元法求解相關(guān)速度問題
例1:如圖所示,物體A置于水平面上,A前固定一滑輪B,高臺上有一定滑輪D,一根輕繩一端固定在C點(diǎn),再繞過B、D,BC段水平,當(dāng)以恒定水平速度v拉繩上的自由端時(shí),A沿水平面前進(jìn),求當(dāng)跨過B的兩段繩子的夾角為α?xí)r,A的運(yùn)動(dòng)速度。
(vA=)
(2)拋體運(yùn)動(dòng)問題的一般處理方法
(1)將斜上拋運(yùn)動(dòng)分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的豎直上拋運(yùn)動(dòng)
(2)將沿斜面和垂直于斜面方向作為x、y軸,分別分解初速度和加速度后用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解題
(3)將斜拋運(yùn)動(dòng)分解為沿初速度方向的斜向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),用矢量合成法則求解
例2:在擲鉛球時(shí),鉛球出手時(shí)距地面的高度為h,若出手時(shí)的速度為V0,求以何角度擲球時(shí),水平射程最遠(yuǎn)?最遠(yuǎn)射程為多少?
(α=、 x=)
第二講 運(yùn)動(dòng)的合成與分解、相對運(yùn)動(dòng)
(一)知識點(diǎn)點(diǎn)撥
參考系的轉(zhuǎn)換:動(dòng)參考系,靜參考系
相對運(yùn)動(dòng):動(dòng)點(diǎn)相對于動(dòng)參考系的運(yùn)動(dòng)
絕對運(yùn)動(dòng):動(dòng)點(diǎn)相對于靜參考系統(tǒng)(通常指固定于地面的參考系)的運(yùn)動(dòng)
牽連運(yùn)動(dòng):動(dòng)參考系相對于靜參考系的運(yùn)動(dòng)
(5)位移合成定理:SA對地=SA對B+SB對地
速度合成定理:V絕對=V相對+V牽連
加速度合成定理:a絕對=a相對+a牽連
(二)典型例題
(1)火車在雨中以30m/s的速度向南行駛,雨滴被風(fēng)吹向南方,在地球上靜止的觀察者測得雨滴的徑跡與豎直方向成21。角,而坐在火車?yán)锍丝涂吹接甑蔚膹桔E恰好豎直方向。求解雨滴相對于地的運(yùn)動(dòng)。
提示:矢量關(guān)系入圖
答案:83.7m/s
(2)某人手拿一只停表,上了一次固定樓梯,又以不同方式上了兩趟自動(dòng)扶梯,為什么他可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計(jì)算自動(dòng)扶梯的臺階數(shù)?
提示:V人對梯=n1/t1
V梯對地=n/t2
V人對地=n/t3
V人對地= V人對梯+ V梯對地
答案:n=t2t3n1/(t2-t3)t1
(3)某人駕船從河岸A處出發(fā)橫渡,如果使船頭保持跟河岸垂直的方向航行,則經(jīng)10min后到達(dá)正對岸下游120m的C處,如果他使船逆向上游,保持跟河岸成а角的方向航行,則經(jīng)過12.5min恰好到達(dá)正對岸的B處,求河的寬度。
提示:120=V水*600
D=V船*600
答案:200m
(4)一船在河的正中航行,河寬l=100m,流速u=5m/s,并在距船s=150m的下游形成瀑布,為了使小船靠岸時(shí),不至于被沖進(jìn)瀑布中,船對水的最小速度為多少?
提示:如圖船航行
答案:1.58m/s
(三)同步練習(xí)
1.一輛汽車的正面玻璃一次安裝成與水平方向傾斜角為β1=30°,另一次安裝成傾角為β2=15°。問汽車兩次速度之比為多少時(shí),司機(jī)都是看見冰雹都是以豎直方向從車的正面玻璃上彈開?(冰雹相對地面是豎直下落的)
2、模型飛機(jī)以相對空氣v=39km/h的速度繞一個(gè)邊長2km的等邊三角形飛行,設(shè)風(fēng)速u = 21km/h ,方向與三角形的一邊平行并與飛機(jī)起飛方向相同,試求:飛機(jī)繞三角形一周需多少時(shí)間?
3.圖為從兩列蒸汽機(jī)車上冒出的兩股長幅氣霧拖尾的照片(俯視)。兩列車沿直軌道分別以速度v1=50km/h和v2=70km/h行駛,行駛方向如箭頭所示,求風(fēng)速。
4、細(xì)桿AB長L ,兩端分別約束在x 、 y軸上運(yùn)動(dòng),(1)試求桿上與A點(diǎn)相距aL(0< a <1)的P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡;(2)如果vA為已知,試求P點(diǎn)的x 、 y向分速度vPx和vPy對桿方位角θ的函數(shù)。
(四)同步練習(xí)提示與答案
1、提示:利用速度合成定理,作速度的矢量三角形。答案為:3。
2、提示:三角形各邊的方向?yàn)轱w機(jī)合速度的方向(而非機(jī)頭的指向);
第二段和第三段大小相同。
參見右圖,顯然:
v2 = + u2 - 2v合ucos120°
可解出 v合 = 24km/h 。
答案:0.2hour(或12min.)。
3、提示:方法與練習(xí)一類似。答案為:3
4、提示:(1)寫成參數(shù)方程后消參數(shù)θ。
(2)解法有講究:以A端為參照, 則桿上各點(diǎn)只繞A轉(zhuǎn)動(dòng)。但鑒于桿子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情形如右圖,應(yīng)有v牽 = vAcosθ,v轉(zhuǎn) = vA,可知B端相對A的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度為:v轉(zhuǎn) + vAsinθ= 。
P點(diǎn)的線速度必為 = v相
所以 vPx = v相cosθ+ vAx ,vPy = vAy - v相sinθ
答案:(1) + = 1 ,為橢圓;(2)vPx = avActgθ ,vPy =(1 - a)vA
第十部分 磁場
第一講 基本知識介紹
《磁場》部分在奧賽考剛中的考點(diǎn)很少,和高考要求的區(qū)別不是很大,只是在兩處有深化:a、電流的磁場引進(jìn)定量計(jì)算;b、對帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更深入的分析。
一、磁場與安培力
1、磁場
a、永磁體、電流磁場→磁現(xiàn)象的電本質(zhì)
b、磁感強(qiáng)度、磁通量
c、穩(wěn)恒電流的磁場
*畢奧-薩伐爾定律(Biot-Savart law):對于電流強(qiáng)度為I 、長度為dI的導(dǎo)體元段,在距離為r的點(diǎn)激發(fā)的“元磁感應(yīng)強(qiáng)度”為dB 。矢量式d= k,(d表示導(dǎo)體元段的方向沿電流的方向、為導(dǎo)體元段到考查點(diǎn)的方向矢量);或用大小關(guān)系式dB = k結(jié)合安培定則尋求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。應(yīng)用畢薩定律再結(jié)合矢量疊加原理,可以求解任何形狀導(dǎo)線在任何位置激發(fā)的磁感強(qiáng)度。
畢薩定律應(yīng)用在“無限長”直導(dǎo)線的結(jié)論:B = 2k ;
*畢薩定律應(yīng)用在環(huán)形電流垂直中心軸線上的結(jié)論:B = 2πkI ;
*畢薩定律應(yīng)用在“無限長”螺線管內(nèi)部的結(jié)論:B = 2πknI 。其中n為單位長度螺線管的匝數(shù)。
2、安培力
a、對直導(dǎo)體,矢量式為 = I;或表達(dá)為大小關(guān)系式 F = BILsinθ再結(jié)合“左手定則”解決方向問題(θ為B與L的夾角)。
b、彎曲導(dǎo)體的安培力
⑴整體合力
折線導(dǎo)體所受安培力的合力等于連接始末端連線導(dǎo)體(電流不變)的的安培力。
證明:參照圖9-1,令MN段導(dǎo)體的安培力F1與NO段導(dǎo)體的安培力F2的合力為F,則F的大小為
F =
= BI
= BI
關(guān)于F的方向,由于ΔFF2P∽ΔMNO,可以證明圖9-1中的兩個(gè)灰色三角形相似,這也就證明了F是垂直MO的,再由于ΔPMO是等腰三角形(這個(gè)證明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中點(diǎn)了。
證畢。
由于連續(xù)彎曲的導(dǎo)體可以看成是無窮多元段直線導(dǎo)體的折合,所以,關(guān)于折線導(dǎo)體整體合力的結(jié)論也適用于彎曲導(dǎo)體。(說明:這個(gè)結(jié)論只適用于勻強(qiáng)磁場。)
⑵導(dǎo)體的內(nèi)張力
彎曲導(dǎo)體在平衡或加速的情形下,均會(huì)出現(xiàn)內(nèi)張力,具體分析時(shí),可將導(dǎo)體在被考查點(diǎn)切斷,再將被切斷的某一部分隔離,列平衡方程或動(dòng)力學(xué)方程求解。
c、勻強(qiáng)磁場對線圈的轉(zhuǎn)矩
如圖9-2所示,當(dāng)一個(gè)矩形線圈(線圈面積為S、通以恒定電流I)放入勻強(qiáng)磁場中,且磁場B的方向平行線圈平面時(shí),線圈受安培力將轉(zhuǎn)動(dòng)(并自動(dòng)選擇垂直B的中心軸OO′,因?yàn)橘|(zhì)心無加速度),此瞬時(shí)的力矩為
M = BIS
幾種情形的討論——
⑴增加匝數(shù)至N ,則 M = NBIS ;
⑵轉(zhuǎn)軸平移,結(jié)論不變(證明從略);
⑶線圈形狀改變,結(jié)論不變(證明從略);
*⑷磁場平行線圈平面相對原磁場方向旋轉(zhuǎn)α角,則M = BIScosα ,如圖9-3;
證明:當(dāng)α = 90°時(shí),顯然M = 0 ,而磁場是可以分解的,只有垂直轉(zhuǎn)軸的的分量Bcosα才能產(chǎn)生力矩…
⑸磁場B垂直O(jiān)O′軸相對線圈平面旋轉(zhuǎn)β角,則M = BIScosβ ,如圖9-4。
證明:當(dāng)β = 90°時(shí),顯然M = 0 ,而磁場是可以分解的,只有平行線圈平面的的分量Bcosβ才能產(chǎn)生力矩…
說明:在默認(rèn)的情況下,討論線圈的轉(zhuǎn)矩時(shí),認(rèn)為線圈的轉(zhuǎn)軸垂直磁場。如果沒有人為設(shè)定,而是讓安培力自行選定轉(zhuǎn)軸,這時(shí)的力矩稱為力偶矩。
二、洛侖茲力
1、概念與規(guī)律
a、 = q,或展開為f = qvBsinθ再結(jié)合左、右手定則確定方向(其中θ為與的夾角)。安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。
b、能量性質(zhì)
由于總垂直與確定的平面,故總垂直 ,只能起到改變速度方向的作用。結(jié)論:洛侖茲力可對帶電粒子形成沖量,卻不可能做功�;颍郝鍋銎澚墒箮щ娏W拥膭�(dòng)量發(fā)生改變卻不能使其動(dòng)能發(fā)生改變。
問題:安培力可以做功,為什么洛侖茲力不能做功?
解說:應(yīng)該注意“安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)”這句話的確切含義——“宏觀體現(xiàn)”和“完全相等”是有區(qū)別的。我們可以分兩種情形看這個(gè)問題:(1)導(dǎo)體靜止時(shí),所有粒子的洛侖茲力的合力等于安培力(這個(gè)證明從略);(2)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí),粒子參與的是沿導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)v1和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)v2的合運(yùn)動(dòng),其合速度為v ,這時(shí)的洛侖茲力f垂直v而安培力垂直導(dǎo)體棒,它們是不可能相等的,只能說安培力是洛侖茲力的分力f1 = qv1B的合力(見圖9-5)。
很顯然,f1的合力(安培力)做正功,而f不做功(或者說f1的正功和f2的負(fù)功的代數(shù)和為零)。(事實(shí)上,由于電子定向移動(dòng)速率v1在10?5m/s數(shù)量級,而v2一般都在10?2m/s數(shù)量級以上,致使f1只是f的一個(gè)極小分量。)
☆如果從能量的角度看這個(gè)問題,當(dāng)導(dǎo)體棒放在光滑的導(dǎo)軌上時(shí)(參看圖9-6),導(dǎo)體棒必獲得動(dòng)能,這個(gè)動(dòng)能是怎么轉(zhuǎn)化來的呢?
若先將導(dǎo)體棒卡住,回路中形成穩(wěn)恒的電流,電流的功轉(zhuǎn)化為回路的焦耳熱。而將導(dǎo)體棒釋放后,導(dǎo)體棒受安培力加速,將形成感應(yīng)電動(dòng)勢(反電動(dòng)勢)。動(dòng)力學(xué)分析可知,導(dǎo)體棒的最后穩(wěn)定狀態(tài)是勻速運(yùn)動(dòng)(感應(yīng)電動(dòng)勢等于電源電動(dòng)勢,回路電流為零)。由于達(dá)到穩(wěn)定速度前的回路電流是逐漸減小的,故在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)的焦耳熱將比導(dǎo)體棒被卡住時(shí)少。所以,導(dǎo)體棒動(dòng)能的增加是以回路焦耳熱的減少為代價(jià)的。
2、僅受洛侖茲力的帶電粒子運(yùn)動(dòng)
a、⊥時(shí),勻速圓周運(yùn)動(dòng),半徑r = ,周期T =
b、與成一般夾角θ時(shí),做等螺距螺旋運(yùn)動(dòng),半徑r = ,螺距d =
這個(gè)結(jié)論的證明一般是將分解…(過程從略)。
☆但也有一個(gè)問題,如果將分解(成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ,如圖9-7所示),粒子的運(yùn)動(dòng)情形似乎就不一樣了——在垂直B2的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)?
其實(shí),在圖9-7中,B1平行v只是一種暫時(shí)的現(xiàn)象,一旦受B2的洛侖茲力作用,v改變方向后就不再平行B1了。當(dāng)B1施加了洛侖茲力后,粒子的“圓周運(yùn)動(dòng)”就無法達(dá)成了。(而在分解v的處理中,這種局面是不會(huì)出現(xiàn)的。)
3、磁聚焦
a、結(jié)構(gòu):見圖9-8,K和G分別為陰極和控制極,A為陽極加共軸限制膜片,螺線管提供勻強(qiáng)磁場。
b、原理:由于控制極和共軸膜片的存在,電子進(jìn)磁場的發(fā)散角極小,即速度和磁場的夾角θ極小,各粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)可以認(rèn)為螺距彼此相等(半徑可以不等),故所有粒子會(huì)“聚焦”在熒光屏上的P點(diǎn)。
4、回旋加速器
a、結(jié)構(gòu)&原理(注意加速時(shí)間應(yīng)忽略)
b、磁場與交變電場頻率的關(guān)系
因回旋周期T和交變電場周期T′必相等,故 =
c、最大速度 vmax = = 2πRf
5、質(zhì)譜儀
速度選擇器&粒子圓周運(yùn)動(dòng),和高考要求相同。
第二講 典型例題解析
一、磁場與安培力的計(jì)算
【例題1】兩根無限長的平行直導(dǎo)線a、b相距40cm,通過電流的大小都是3.0A,方向相反。試求位于兩根導(dǎo)線之間且在兩導(dǎo)線所在平面內(nèi)的、與a導(dǎo)線相距10cm的P點(diǎn)的磁感強(qiáng)度。
【解說】這是一個(gè)關(guān)于畢薩定律的簡單應(yīng)用。解題過程從略。
【答案】大小為8.0×10?6T ,方向在圖9-9中垂直紙面向外。
【例題2】半徑為R ,通有電流I的圓形線圈,放在磁感強(qiáng)度大小為B 、方向垂直線圈平面的勻強(qiáng)磁場中,求由于安培力而引起的線圈內(nèi)張力。
【解說】本題有兩種解法。
方法一:隔離一小段弧,對應(yīng)圓心角θ ,則弧長L = θR 。因?yàn)棣?u> →
第六部分 振動(dòng)和波
第一講 基本知識介紹
《振動(dòng)和波》的競賽考綱和高考要求有很大的不同,必須做一些相對詳細(xì)的補(bǔ)充。
一、簡諧運(yùn)動(dòng)
1、簡諧運(yùn)動(dòng)定義:= -k ①
凡是所受合力和位移滿足①式的質(zhì)點(diǎn),均可稱之為諧振子,如彈簧振子、小角度單擺等。
諧振子的加速度:= -
2、簡諧運(yùn)動(dòng)的方程
回避高等數(shù)學(xué)工具,我們可以將簡諧運(yùn)動(dòng)看成勻速圓周運(yùn)動(dòng)在某一條直線上的投影運(yùn)動(dòng)(以下均看在x方向的投影),圓周運(yùn)動(dòng)的半徑即為簡諧運(yùn)動(dòng)的振幅A 。
依據(jù):x = -mω2Acosθ= -mω2
對于一個(gè)給定的勻速圓周運(yùn)動(dòng),m、ω是恒定不變的,可以令:
mω2 = k
這樣,以上兩式就符合了簡諧運(yùn)動(dòng)的定義式①。所以,x方向的位移、速度、加速度就是簡諧運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)律。從圖1不難得出——
位移方程: = Acos(ωt + φ) ②
速度方程: = -ωAsin(ωt +φ) ③
加速度方程:= -ω2A cos(ωt +φ) ④
相關(guān)名詞:(ωt +φ)稱相位,φ稱初相。
運(yùn)動(dòng)學(xué)參量的相互關(guān)系:= -ω2
A =
tgφ= -
3、簡諧運(yùn)動(dòng)的合成
a、同方向、同頻率振動(dòng)合成。兩個(gè)振動(dòng)x1 = A1cos(ωt +φ1)和x2 = A2cos(ωt +φ2) 合成,可令合振動(dòng)x = Acos(ωt +φ) ,由于x = x1 + x2 ,解得
A = ,φ= arctg
顯然,當(dāng)φ2-φ1 = 2kπ時(shí)(k = 0,±1,±2,…),合振幅A最大,當(dāng)φ2-φ1 = (2k + 1)π時(shí)(k = 0,±1,±2,…),合振幅最小。
b、方向垂直、同頻率振動(dòng)合成。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)垂直的振動(dòng)x = A1cos(ωt + φ1)和y = A2cos(ωt + φ2)時(shí),這兩個(gè)振動(dòng)方程事實(shí)上已經(jīng)構(gòu)成了質(zhì)點(diǎn)在二維空間運(yùn)動(dòng)的軌跡參數(shù)方程,消去參數(shù)t后,得一般形式的軌跡方程為
+-2cos(φ2-φ1) = sin2(φ2-φ1)
顯然,當(dāng)φ2-φ1 = 2kπ時(shí)(k = 0,±1,±2,…),有y = x ,軌跡為直線,合運(yùn)動(dòng)仍為簡諧運(yùn)動(dòng);
當(dāng)φ2-φ1 = (2k + 1)π時(shí)(k = 0,±1,±2,…),有+= 1 ,軌跡為橢圓,合運(yùn)動(dòng)不再是簡諧運(yùn)動(dòng);
當(dāng)φ2-φ1取其它值,軌跡將更為復(fù)雜,稱“李薩如圖形”,不是簡諧運(yùn)動(dòng)。
c、同方向、同振幅、頻率相近的振動(dòng)合成。令x1 = Acos(ω1t + φ)和x2 = Acos(ω2t + φ) ,由于合運(yùn)動(dòng)x = x1 + x2 ,得:x =(2Acost)cos(t +φ)。合運(yùn)動(dòng)是振動(dòng),但不是簡諧運(yùn)動(dòng),稱為角頻率為的“拍”現(xiàn)象。
4、簡諧運(yùn)動(dòng)的周期
由②式得:ω= ,而圓周運(yùn)動(dòng)的角速度和簡諧運(yùn)動(dòng)的角頻率是一致的,所以
T = 2π ⑤
5、簡諧運(yùn)動(dòng)的能量
一個(gè)做簡諧運(yùn)動(dòng)的振子的能量由動(dòng)能和勢能構(gòu)成,即
= mv2 + kx2 = kA2
注意:振子的勢能是由(回復(fù)力系數(shù))k和(相對平衡位置位移)x決定的一個(gè)抽象的概念,而不是具體地指重力勢能或彈性勢能。當(dāng)我們計(jì)量了振子的抽象勢能后,其它的具體勢能不能再做重復(fù)計(jì)量。
6、阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)和共振
和高考要求基本相同。
二、機(jī)械波
1、波的產(chǎn)生和傳播
產(chǎn)生的過程和條件;傳播的性質(zhì),相關(guān)參量(決定參量的物理因素)
2、機(jī)械波的描述
a、波動(dòng)圖象。和振動(dòng)圖象的聯(lián)系
b、波動(dòng)方程
如果一列簡諧波沿x方向傳播,振源的振動(dòng)方程為y = Acos(ωt + φ),波的傳播速度為v ,那么在離振源x處一個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方程便是
y = Acos〔ωt + φ - ·2π〕= Acos〔ω(t - )+ φ〕
這個(gè)方程展示的是一個(gè)復(fù)變函數(shù)。對任意一個(gè)時(shí)刻t ,都有一個(gè)y(x)的正弦函數(shù),在x-y坐標(biāo)下可以描繪出一個(gè)瞬時(shí)波形。所以,稱y = Acos〔ω(t - )+ φ〕為波動(dòng)方程。
3、波的干涉
a、波的疊加。幾列波在同一介質(zhì)種傳播時(shí),能獨(dú)立的維持它們的各自形態(tài)傳播,在相遇的區(qū)域則遵從矢量疊加(包括位移、速度和加速度的疊加)。
b、波的干涉。兩列波頻率相同、相位差恒定時(shí),在同一介質(zhì)中的疊加將形成一種特殊形態(tài):振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)削弱的區(qū)域穩(wěn)定分布且彼此隔開。
我們可以用波程差的方法來討論干涉的定量規(guī)律。如圖2所示,我們用S1和S2表示兩個(gè)波源,P表示空間任意一點(diǎn)。
當(dāng)振源的振動(dòng)方向相同時(shí),令振源S1的振動(dòng)方程為y1 = A1cosωt ,振源S1的振動(dòng)方程為y2 = A2cosωt ,則在空間P點(diǎn)(距S1為r1 ,距S2為r2),兩振源引起的分振動(dòng)分別是
y1′= A1cos〔ω(t ? )〕
y2′= A2cos〔ω(t ? )〕
P點(diǎn)便出現(xiàn)兩個(gè)頻率相同、初相不同的振動(dòng)疊加問題(φ1 = ,φ2 = ),且初相差Δφ= (r2 – r1)。根據(jù)前面已經(jīng)做過的討論,有
r2 ? r1 = kλ時(shí)(k = 0,±1,±2,…),P點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng),振幅為A1 + A2 ;
r2 ? r1 =(2k ? 1)時(shí)(k = 0,±1,±2,…),P點(diǎn)振動(dòng)削弱,振幅為│A1-A2│。
4、波的反射、折射和衍射
知識點(diǎn)和高考要求相同。
5、多普勒效應(yīng)
當(dāng)波源或者接受者相對與波的傳播介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收者會(huì)發(fā)現(xiàn)波的頻率發(fā)生變化。多普勒效應(yīng)的定量討論可以分為以下三種情況(在討論中注意:波源的發(fā)波頻率f和波相對介質(zhì)的傳播速度v是恒定不變的)——
a、只有接收者相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)(如圖3所示)
設(shè)接收者以速度v1正對靜止的波源運(yùn)動(dòng)。
如果接收者靜止在A點(diǎn),他單位時(shí)間接收的波的個(gè)數(shù)為f ,
當(dāng)他迎著波源運(yùn)動(dòng)時(shí),設(shè)其在單位時(shí)間到達(dá)B點(diǎn),則= v1 ,、
在從A運(yùn)動(dòng)到B的過程中,接收者事實(shí)上“提前”多接收到了n個(gè)波
n = = =
顯然,在單位時(shí)間內(nèi),接收者接收到的總的波的數(shù)目為:f + n = f ,這就是接收者發(fā)現(xiàn)的頻率f1 。即
f1 = f
顯然,如果v1背離波源運(yùn)動(dòng),只要將上式中的v1代入負(fù)值即可。如果v1的方向不是正對S ,只要將v1出正對的分量即可。
b、只有波源相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)(如圖4所示)
設(shè)波源以速度v2正對靜止的接收者運(yùn)動(dòng)。
如果波源S不動(dòng),在單位時(shí)間內(nèi),接收者在A點(diǎn)應(yīng)接收f個(gè)波,故S到A的距離:= fλ
在單位時(shí)間內(nèi),S運(yùn)動(dòng)至S′,即= v2 。由于波源的運(yùn)動(dòng),事實(shí)造成了S到A的f個(gè)波被壓縮在了S′到A的空間里,波長將變短,新的波長
λ′= = = =
而每個(gè)波在介質(zhì)中的傳播速度仍為v ,故“被壓縮”的波(A接收到的波)的頻率變?yōu)?/p>
f2 = = f
當(dāng)v2背離接收者,或有一定夾角的討論,類似a情形。
c、當(dāng)接收者和波源均相對傳播介質(zhì)運(yùn)動(dòng)
當(dāng)接收者正對波源以速度v1(相對介質(zhì)速度)運(yùn)動(dòng),波源也正對接收者以速度v2(相對介質(zhì)速度)運(yùn)動(dòng),我們的討論可以在b情形的過程上延續(xù)…
f3 = f2 = f
關(guān)于速度方向改變的問題,討論類似a情形。
6、聲波
a、樂音和噪音
b、聲音的三要素:音調(diào)、響度和音品
c、聲音的共鳴
第二講 重要模型與專題
一、簡諧運(yùn)動(dòng)的證明與周期計(jì)算
物理情形:如圖5所示,將一粗細(xì)均勻、兩邊開口的U型管固定,其中裝有一定量的水銀,汞柱總長為L 。當(dāng)水銀受到一個(gè)初始的擾動(dòng)后,開始在管中振動(dòng)。忽略管壁對汞的阻力,試證明汞柱做簡諧運(yùn)動(dòng),并求其周期。
模型分析:對簡諧運(yùn)動(dòng)的證明,只要以汞柱為對象,看它的回復(fù)力與位移關(guān)系是否滿足定義式①,值得注意的是,回復(fù)力系指振動(dòng)方向上的合力(而非整體合力)。當(dāng)簡諧運(yùn)動(dòng)被證明后,回復(fù)力系數(shù)k就有了,求周期就是順理成章的事。
本題中,可設(shè)汞柱兩端偏離平衡位置的瞬時(shí)位移為x 、水銀密度為ρ、U型管橫截面積為S ,則次瞬時(shí)的回復(fù)力
ΣF = ρg2xS = x
由于L、m為固定值,可令: = k ,而且ΣF與x的方向相反,故汞柱做簡諧運(yùn)動(dòng)。
周期T = 2π= 2π
答:汞柱的周期為2π 。
學(xué)生活動(dòng):如圖6所示,兩個(gè)相同的柱形滾輪平行、登高、水平放置,繞各自的軸線等角速、反方向地轉(zhuǎn)動(dòng),在滾輪上覆蓋一塊均質(zhì)的木板。已知兩滾輪軸線的距離為L 、滾輪與木板之間的動(dòng)摩擦因素為μ、木板的質(zhì)量為m ,且木板放置時(shí),重心不在兩滾輪的正中央。試證明木板做簡諧運(yùn)動(dòng),并求木板運(yùn)動(dòng)的周期。
思路提示:找平衡位置(木板重心在兩滾輪中央處)→ú力矩平衡和Σ?F6= 0結(jié)合求兩處彈力→ú求摩擦力合力…
答案:木板運(yùn)動(dòng)周期為2π 。
鞏固應(yīng)用:如圖7所示,三根長度均為L = 2.00m地質(zhì)量均勻直桿,構(gòu)成一正三角形框架ABC,C點(diǎn)懸掛在一光滑水平軸上,整個(gè)框架可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。桿AB是一導(dǎo)軌,一電動(dòng)松鼠可在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)�,F(xiàn)觀察到松鼠正在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),而框架卻靜止不動(dòng),試討論松鼠的運(yùn)動(dòng)是一種什么樣的運(yùn)動(dòng)。
解說:由于框架靜止不動(dòng),松鼠在豎直方向必平衡,即:松鼠所受框架支持力等于松鼠重力。設(shè)松鼠的質(zhì)量為m ,即:
N = mg ①
再回到框架,其靜止平衡必滿足框架所受合力矩為零。以C點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸,形成力矩的只有松鼠的壓力N、和松鼠可能加速的靜摩擦力f ,它們合力矩為零,即:
MN = Mf
現(xiàn)考查松鼠在框架上的某個(gè)一般位置(如圖7,設(shè)它在導(dǎo)軌方向上距C點(diǎn)為x),上式即成:
N·x = f·Lsin60° ②
解①②兩式可得:f = x ,且f的方向水平向左。
根據(jù)牛頓第三定律,這個(gè)力就是松鼠在導(dǎo)軌方向上的合力。如果我們以C在導(dǎo)軌上的投影點(diǎn)為參考點(diǎn),x就是松鼠的瞬時(shí)位移。再考慮到合力與位移的方向因素,松鼠的合力與位移滿足關(guān)系——
= -k
其中k = ,對于這個(gè)系統(tǒng)而言,k是固定不變的。
顯然這就是簡諧運(yùn)動(dòng)的定義式。
答案:松鼠做簡諧運(yùn)動(dòng)。
評說:這是第十三屆物理奧賽預(yù)賽試題,問法比較模糊。如果理解為定性求解,以上答案已經(jīng)足夠。但考慮到原題中還是有定量的條件,所以做進(jìn)一步的定量運(yùn)算也是有必要的。譬如,我們可以求出松鼠的運(yùn)動(dòng)周期為:T = 2π = 2π = 2.64s 。
二、典型的簡諧運(yùn)動(dòng)
1、彈簧振子
物理情形:如圖8所示,用彈性系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧連著一個(gè)質(zhì)量為m的小球,置于傾角為θ
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