高中物理教学论文高中物理运动模型的应用.pdf

1 高中物理运动模型的应用 内容摘要：中学物理教材中无论哪一部分的内容都是以物理模型为基础向学生传达物理知 识的。物理模型是中学物理知识的载体，通过对其进行分析与讲解，是学生获得物理知识 的一种基本方法，更是培养学生创造思维能力的重要途径。本文拟从习题教学中浅谈提高 运动模型的建模能力。 关键词：运动模型、匀速圆周运动 学好物理，关键是学习物理思想和物理方法。常有高中学生说，物理听课易懂，做题 难。难就难在对物理模型的应用上，也就是学生在解题过程中往往存在一些问题，读不懂 题或做题过程思维混乱。这在很大程度上是由于学生不良解题习惯、建模能力差造成的。 据对学生的调查，发现大多数学生的解题模式是： 一般来说，较为有效的解决物理问题的思维流程应该是通过审题先确定研究对象，对 其进行抽象建立物理模型，再应用模型知识求解。此过程大致可以归纳为： 如果在解题过程中快速准确地建立起与题目相符合的物理模型是至关重要的。这个解 题流程学生容易模仿，如果说正确识别或建立物理模型是正确解题的前提，那么在解决具 有物理过程的物理习题时，学生头脑中对物理过程的一个清晰的图景则是解决此类物理问 题的关键和保证。下面以力学中运动模型的应用为例。 一、基本模型 1两种直线运动模型 匀速直线运动： 00, vvtvx 匀变速直线运动：atvvattvx 0 2 2 1 0 ,( 特例：自由落体运动：gtvgth, 2 2 1 ) 物理解释 数学演算 数学抽象科学抽象 一个具体的物理问题物理模型 数学方程（物理问题的数学表达式）方程的数学解 物理问题之解 求解读题想公式 2 2两种曲线运动模型 平抛运动：水平方向为匀速直线运动 竖直方向为自由落体运动 匀速圆周运动：r T mrmw r mv maFF n 2 2 2 2 n 4 合 （天体运动：由万有引力提 供向心力） 二、模型应用 运动模型的应用，要求我们对模型所遵循的规律十分熟悉，从而才能对具体的物理问 题加以纯化、抽象，灵活地运用规律进行推理和计算。 1. 单个模型 （1） 匀变速直线运动模型 例 1（99 年全国卷 ,14 ）一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起, 举双臂直体离开 台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45m 达到最高点，落水时 身体竖直，手先入水（在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计）从离开跳台到手触水 面，他可用于完成空中动作的时间是_s。 （计算时，可以把运动员看作全部质量集中 在重心的一个质点，g 取 10m/s 2，结果保留二位数） 解析： 运动员的跳水过程是一个很复杂的过程，主要是竖直方向的上 下运动，但也有水平方向的运动，更有运动员做的各种动作。构建运 动模型，应抓主要因素。现在要讨论的是运动员在空中的运动时间， 这个时间从根本上讲与运动员所作的各种动作以及水平运动无关，应 由竖直运动决定，因此忽略运动员的动作，把运动员当成一个质点， 同时忽略他的水平运动。当然，这两点题目都作了说明，所以一定程 度上“建模” 的要求已经有所降低，但我们应该理解这样处理的原因。 这样，我们把问题提炼成了质点作竖直上抛运动的物理模型。 在定性地把握住物理模型之后，应把这个模型细化，使之更清晰。 可画出如图1 所示的示意图。由图可知，运动员作竖直上抛运动，上 升高度h，即题中的 0.45m；从最高点下降到手触到水面，下降的高度 为H，由图中H、h、10m三者的关系可知H=10.45m。 由于初速未知，所以应分段处理该运动。运动员跃起上升的时间 为：3. 0 10 45. 022 1 g h ts 从最高点下落至手触水面，所需的时间为：4.1 10 45.1022 2 g H ts 所以运动员在空中用于完成动作的时间约为： 21 ttt=1.7s 点评： 构建物理模型时，要重视理想化方法的应用，要养成画示意图的习惯。 3 像这个问题中，运动员的运动被理想化为竖直上抛运动，可以把运动员看作全 部质量集中在重心的一个质点。建立了质点模型后，就容易画出相应的起跳和 入水的草图，分析出过程。 （2） 平抛运动模型 例 2（08 广东卷， 11）某同学对着墙壁练习打网球，假定球在墙面上以25m/s 的速度沿水 平方向反弹，落地点到墙面的距离在10m至 15m之间，忽略空气阻力，取g=10m/s 2, 球在 墙面上反弹点的高度范围是 A.0.8m 至 .8m B.0.8m 至 1.6m C.1.0m 至 1.6m D.1.0m 至 1.8m 解析： 网球反弹后的速度大小几乎不变，故反弹后在空中运动的时间在0.4s 0.6s 之间， 在这个时间范围内，网球下落的高度为0.8m 至 1.8m，由于竖直方向与地面作用后其速度 大小也几乎不变，故还要上升同样的高度，故选项A正确。 点评： 网球与墙壁发生碰撞，入射速度与反射速度具有对称性，反弹后网球的 运动轨迹与无墙壁阻挡是网球继续前进的轨迹相对称，所以网球的运动可以转 换为我们所熟悉的平抛运动模型处理了。 2. 复合模型 （1）直线运动的复合模型。匀速直线运动的复合模型，多与相对运动有关，如 通讯兵由队尾到队头又返回的过程、超市乘电梯等问题；匀速与匀变速直线运 动、匀变速与匀变速直线运动的复合模型，如汽车追击和相遇问题。 例 3（04 广西卷）一路灯距地面的高度为h，身高为l的人以速度v匀速行走，如图所示。 （1）试证明人的头顶的影子作匀速运动； （2）求人影的长度随时间的变化率。 解析： （1）设 t=0 时刻，人位于路灯的正下方O处， 在时刻 t ，人走到S处，根据题意有 OS=vt 过路灯 P和人头顶的直线与地面的交点M为 t 时刻人头顶影子的位置，如图所示.OM 为人头顶影子到O点的距离 . 4 由几何关系，有 OSOM l OM h 解式得 t lh hv OM 因 OM 与时间 t 成正比，故人头顶的影子作匀速运动. （2）由图可知，在时刻t ，人影的长度为SM ，由几何关系，有SM=OMOS 由式得 t lh lv SM 可见影长SM与时间 t 成正比，所以影长随时间的变化率 lh lv k 点评： 本题由生活中的影子设景，以光的直线传播与人匀速运动整合立意。根 据光的直线传播规律，建立三角形的模型。运用数学上的平面几何知识解决物 理问题，培养学生应用数学知识解决物理问题的能力。 （2）曲线运动的复合模型：有平抛运动复合模型、平抛运动与匀速圆周运动复 合模型、匀速圆周运动与匀速圆周运动复合模型。 例 4（08 全国卷， 25）我国发射的“嫦娥一号”探月卫星沿近似于圆形轨道绕月飞行。为 了获得月球表面全貌的信息，让卫星轨道平面缓慢变化。卫星将获得的信息持续用微波信 号发回地球。设地球和月球的质量分别为M和 m ，地球和月球的半径分别为R和 R1，月球 绕地球的轨道半径和卫星绕月球的轨道半径分别为r 和 r1，月球绕地球转动的周期为T。 假定在卫星绕月运行的一个周期内卫星轨道平面与地月连心线共面，求在该周期内卫星发 射的微波信号因月球遮挡而不能到达地球的时间（用M 、m 、R、R1、r 、r1和 T 表示，忽略 月球绕地球转动对遮挡时间的影响）。 解析： 如下图所示： 设 O和O分别表示地球和月球的中心在 卫星轨道平面上，A 是地月连心线 OO 与 地月球表面的公切线ACD的交点， D、C和 B分别是该公切线与地球表面、月球表面和卫星 S h O P l M 5 轨道的交点 过 A点在另一侧作地月球面的公切线，交卫星轨道于E点卫星在圆弧BE上 运动时发出的信号被遮挡 设探月卫星的质量为m0，万有引力常量为G ，根据万有引力定律有： r T m r Mm G 2 2 2 1 2 1 0 2 1 0 2 r T m r mm G 式中， T1表示探月卫星绕月球转动的周期 由以上两式可得： 3 1 2 1 r r m M T T 设卫星的微波信号被遮挡的时间为t ，则由于卫星绕月球做匀速圆周运动， 应有： 1 T t 上式中 AOC ， BOC 由几何关系得： 1 cosRRr 11cos Rr 由得： 1 11 3 3 1 arccosarccos r R r RR mr MrT t 点评： 把抽象的物理具体化，将物理知识与数学知识有机结合，培养数学物理 方法，提高综合分析问题与解决问题的能力。 （3）直线运动与曲线运动复合模型：匀速（或匀变速）直线运动与平抛运动复 合、匀速（或匀变速）直线运动与圆周运动复合等。 例5 如图所示为车站使用的水平传送带装置的示意图. 绷紧的传送带始终保持3.0m/s 的恒 定速率运行， 传送带的水平部分AB 距水平地面的高度为A=0.45m. 现有一行李包 ( 可视为质点 ) 由A端被传送到 B端，且传送到月端时没有被及时取下，行李包从 B端水平抛出， 不计空气阻 力， g取l0m/s 2 . (1) 若行李包从 B端水平抛出的初速v3.0m/s ，求它在空中运动的时间和飞出的水平距离； (2) 若行李包以 v01.0m/s 的初速从 A端向右滑行，包与传送带间的动摩擦因数 0.20 ， 要使它从 B 端飞出的水平距离等于(1) 中所求的水平距离，求传送带的长度L应满足的条件 . 6 解析： （1）设行李包在空中运动时间为t，飞出的水平距离为s，则 1 2 hgt svt 代入数据得：t 0.3s s0.9m （2）设行李包的质量为m ，与传送带相对运动时的加速度为a，则 滑动摩擦力 Fmgma 代入数据得： a2.0m/s 2 要使行李包从 B端飞出的水平距离等于（1）中所求水平距离，行李包从B 端飞出的水平 抛出的初速度v=3.0m/s 设行李被加速到时通过的距离为s0，则 22 00 2asvv 代入数据得 s02.0m 故传送带的长度L应满足的条件为：L2.0m 点评： 由该问题可知：选择合适的参考系，建立质点模型，匀速运动、匀变速 运动、平抛运动模型是解决问题的关键。 由此可知，解决物理问题，建立正确易懂的物理模型是破题的关键，建立物理模型要 遵循物理研究问题和解决问题的思想及方法，即是把抽象问题具体化，化抽象思维为形象 思维；把具体问题理想化，深入浅出，化复杂为简单，当然吧建模过程中要遵循原物理情 景及规律，尊重客观事实。学生如能贯彻这样的学习思想，定能形成良好的解题习惯，提 高分析和解决问题的能力，从而提高物理水平。 7 针对练习： 1 .(04广东 ) 一杂技演员 , 用一只手抛球. 他每隔0.40s 抛出一球 , 接到球便立即把球抛出, 已知除抛、接球的时刻外，空中总有四个球，将球的运动看作是竖直方向的运动，球到达 的最大高度是（高度从抛球点算起，取g=10m/s 2） （ ） A 1.6m B 2.4m C 3.2m D 4.0m 2. 在水平地面上建有相互平行的A、B两竖直墙，墙高h=20m ，相距 d=1m ，墙面光滑。从一 高墙上以水平速度v0=5m/s 抛出一个弹性小球，与两墙面反复碰撞后落地（如图1 所示） 。 试求： （1）小球的落地点离A 墙多远？小球从抛出到落地与墙面发生的碰撞次数n 为多少？ （g=10m/s 2） （2）小球与墙面发生m次（ mn ）碰撞时，小球下落的高度。 3. 一列长为L 的队伍行进速度为v1, 通讯员从队伍尾以速度v2赶列排头，又立 即以速度v2返回队尾. 求出这段时间里队伍前进的距离是多少？ 4. （ 08 四川卷理科 , 23）A、B两辆汽车在笔直的公路上同向行驶。当B车在A车前 84 m 处时，B车速度为4 m/s，且正以2 m/s 2 的加速度做匀加速运动；经过一段时间后，B车加 速度突然变为零。A车一直以20 m/s 的速度做匀速运动。经过12 s 后两车相遇。问B车 加速行驶的时间是多少？ 5. 如图所示，质量m1 kg 的小球用细线拴住，线长l0.5 m ，细线所受拉力达到F18 N 时就会被拉断. 当小球从图示位置释放后摆到悬点的正下方时，细线恰好被拉断。 若此时小 球距水平地面的高度h 5 m ，重力加速度g10 m/s 2，求小球落地处到地面上点的距离 . （P点在悬点的正下方） 6. 如图， 倾斜角为37°的光滑斜面与竖直放置的光滑圆弧轨道在B处相切连接， CE为圆弧 的水平直径， AE连线竖直， D为圆弧轨道的最高点。圆弧轨道半径为R=1.0m， 质量 m=0.1kg 的小球从A 处以初速度v0=10m/s 沿斜面向上滑并进入圆弧轨道。g 取 10m/s 2，sin37 ° 图 1 d h V0B A D O B E A C o P 8 0.6 ，求： （ 1）小球滑至B处时的速率vB； (2) 小球对轨道最高点的压力大小ND； （ 3）小球滑过C点时的加速度大小ac ； （ 4）小球在初速度为v0(v0 2 =58m2/s2）的情况下沿圆弧轨道连续滑过的弧长 L。 7.如图所示，有一块木板静止在光滑且足够长的水平面上，木板质量为M=4kg，长为 L=1.4m；木板右端放着一小滑块，小滑块质量为m=1kg，其尺寸小于 L。小滑块与木板之间 的动摩擦因数为 0410 2 .(/)gm s 参考答案： 1解析： 小球运动的示意图如图，当小球1 刚刚抛出，我们认为同时接住球5，球 5 在手 中的停留时间为0.40s ，球 4 落到手中然后再抛出球5，这样球 4 从图中位置落到手中的时 间也为0.40s ，这样球达到的高度就是最大，根据对称性，这样可知一个小球在空中运动 的时间为0.4 ×4s，则每个球上升、下降时间均为0.8s ，所以根据竖直上抛运动的规律， 2 2 1 gtH，得 H=3.2m，所以 C正确。 2解析： 因小球与墙壁发生弹性碰撞，由对称性，小 球的运动可以认为从A点水平抛出所做的平抛运动。 (1) 落地所用的时间ss g h t2 10 2022 水平位移mmtvx1025 0 所以碰撞次数n=x/d=10 小球的落地点离A墙的距离为0。 （2）平抛运动水平方向是匀速直线运动 发生第 m次碰撞时所用时间 0 v d mtm 下落高度)10( 5 )( 2 2 0 2 1 2 2 1 m m v md ggth。 3. 2 1 2 2 21 2 vv Lvv 4解析：设 A车的速度为vA， B车加速行驶时间为t ，两车在 t0时相遇。则有 0 tvs AA )( 2 1 0 2 ttatvattvs BBB 9 式中， t0 =12s ，sA、sB分别为 A、B两车相遇前行驶的路程。依题意有 sss BA 式中 s 84 m. 由式得 0 )(2 2 0 0 2 a stvv ttt AB 代入题给数据 vA=20m/s，vB=4m/s，a =2m/s2 ， 有010824 2 tt 式中 t 的单位为s. 解得 t1=6s，t2=18 s t2 18s 不合题意，舍去。因此，B车加速行驶的时间为 6 s. 5.解析： 球摆到悬点正下方时，线恰好被拉断，说明此时线的拉力F18 N，则由 l v mmgF 2 可求得线断时球的水平速度为smsm m lmgF v/2/ 1 5.0)1018()( 线断后球做平抛运动，由 2 2 1 gth可求得物体做平抛运动的时间为 10 522 g h t s 1 s 则平抛运动的水平位移为xvt 2×1 m 2 m 6. (1) VB 2=76 （2）3N (3) a 2=3700 m2/ s 4 (4) /2 m 7.解析：（1）小滑块与木板间的滑动摩擦力 fNmg 小滑块在滑动摩擦力f作用下向右匀加速运动的加速度 afmgm s1 2 4/ 木板在拉力 F和滑动摩擦力 f 作用下向右匀加速运动的加速度 aFfM 2 () / 使m 能从 M 上面滑落下来的条件是 aa 21 即NgmMFmfMfF20)(/ )(解得 （2）设 m 在M 上滑动的时间为t ，当恒力 F=22.8N，木板的加速度 aFfMm s 2 2 47() /./ ） 10 小滑块在时间t内运动位移 Sa t 11 2 2/ 木板在时间 t 内运动位移 Sa t22 2 2/ 因 SSL 21 即 sttt24.12/42/7. 4 22 解得