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點到B點,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)雜電路的計算
1、戴維南定理:一個由獨立源、線性電阻、線性受控源組成的二端網(wǎng)絡(luò),可以用一個電壓源和電阻串聯(lián)的二端網(wǎng)絡(luò)來等效。(事實上,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去該網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源為零值時的等效電阻。
2、基爾霍夫(克?品颍┒
a、基爾霍夫第一定律:在任一時刻流入電路中某一分節(jié)點的電流強度的總和,等于從該點流出的電流強度的總和。
例如,在圖8-2中,針對節(jié)點P ,有
I2 + I3 = I1
基爾霍夫第一定律也被稱為“節(jié)點電流定律”,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”的電流強度的總和,等于從該“包容塊”流出的電流強度的總和。
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、電池等。發(fā)電機是將機械能轉(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;在電子設(shè)備中,有時也把變換電能形式的裝置,如整流器等,作為電源看待。
電源電動勢定義為電源的開路電壓,內(nèi)阻則定義為沒有電動勢時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)的時的電動勢和內(nèi)阻的值。
例如,電動勢、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,電場力對電荷作的功叫做電功W。單位時間內(nèi)電場力所作的功叫做電功率P 。
計算時,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(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形成電流)。
在電解液中加電場時,在兩個電極上(或電極旁)同時產(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:電解時在電極上析出或溶解的物質(zhì)的質(zhì)量和電流強度、跟通電時間成正比。表達式: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),通電的燈絲也會發(fā)射電子,這些“載流子”均會在電場力作用下產(chǎn)生定向移動形成電流。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,電子動能足夠大,它們和中性氣體相碰撞時,可以使中性分子電離,即所謂碰撞電離。同時,在正離子向陰極運動時,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,電阻率會隨著溫度的降低和降低。當(dāng)電阻率降為零時,稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。電阻率為零時對應(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)化的價值不大,為了解決這個矛盾,科學(xué)家們致力于尋找或合成臨界溫度比較切合實際的材料就成了當(dāng)今前沿科技的一個熱門領(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,這個溫度距產(chǎn)業(yè)化的期望值還很遠。
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 運動學(xué)
第一講 基本知識介紹
一. 基本概念
1. 質(zhì)點
2. 參照物
3. 參照系——固連于參照物上的坐標(biāo)系(解題時要記住所選的是參照系,而不僅是一個點)
4.絕對運動,相對運動,牽連運動:v絕=v相+v牽
二.運動的描述
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.以上是運動學(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)?墒
三階導(dǎo)數(shù)為什么不是呢?因為牛頓第二定律是F=ma,即直接和加速度相聯(lián)系。(a對t的導(dǎo)數(shù)叫“急動度”。)
6.由于以上三個量均為矢量,所以在運算中用分量表示一般比較好
三.等加速運動
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)飛機在哪一區(qū)域飛行之外時,不會有危險?(注:結(jié)論是這一區(qū)域為一拋物線,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.剛體的平動和定軸轉(zhuǎn)動
1. 我們講過的圓周運動是平動而不是轉(zhuǎn)動
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. 同一剛體上兩點的相對速度和相對加速度
兩點的相對距離不變,相對運動軌跡為圓弧,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,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,A沿水平面前進,求當(dāng)跨過B的兩段繩子的夾角為α?xí)r,A的運動速度。
(vA=)
(2)拋體運動問題的一般處理方法
(1)將斜上拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的豎直上拋運動
(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動學(xué)公式解題
(3)將斜拋運動分解為沿初速度方向的斜向上的勻速直線運動和自由落體運動兩個分運動,用矢量合成法則求解
例2:在擲鉛球時,鉛球出手時距地面的高度為h,若出手時的速度為V0,求以何角度擲球時,水平射程最遠?最遠射程為多少?
(α=、 x=
)
第二講 運動的合成與分解、相對運動
(一)知識點點撥
參考系的轉(zhuǎn)換:動參考系,靜參考系
相對運動:動點相對于動參考系的運動
絕對運動:動點相對于靜參考系統(tǒng)(通常指固定于地面的參考系)的運動
牽連運動:動參考系相對于靜參考系的運動
(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動。
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扶梯,為什么他可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計算自動扶梯的臺階數(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,不至于被沖進瀑布中,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,司機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、模型飛機以相對空氣v=39km/h的速度繞一個邊長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起飛方向相同,試求:飛機繞三角形一周需多少時間?
3.圖為從兩列蒸汽機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軸上運動,(1)試求桿上與A點相距aL(0< a <1)的P點運動軌跡;(2)如果vA為已知,試求P點的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:三角形各邊的方向為飛機合速度的方向(而非機頭的指向);
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, 則桿上各點只繞A轉(zhuǎn)動。但鑒于桿子的實際運動情形如右圖,應(yīng)有v牽 = vAcosθ,v轉(zhuǎn) = vA,可知B端相對A的轉(zhuǎn)動線速度為:v轉(zhuǎn) + vAsinθ=
。
P點的線速度必為 = 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、電流的磁場引進定量計算;b、對帶電粒子在復(fù)合場中的運動進行了更深入的分析。
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):對于電流強度為I 、長度為dI的導(dǎo)體元段,在距離為r的點激發(fā)的“元磁感應(yīng)強度”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(這個證明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中點了。
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:這個結(jié)論只適用于勻強磁場。)
⑵導(dǎo)體的內(nèi)張力
彎曲導(dǎo)體在平衡或加速的情形下,均會出現(xiàn)內(nèi)張力,具體分析時,可將導(dǎo)體在被考查點切斷,再將被切斷的某一部分隔離,列平衡方程或動力學(xué)方程求解。
c、勻強磁場對線圈的轉(zhuǎn)矩
如圖9-2所示,當(dāng)一個矩形線圈(線圈面積為S、通以恒定電流I)放入勻強磁場中,且磁場B的方向平行線圈平面時,線圈受安培力將轉(zhuǎn)動(并自動選擇垂直B的中心軸OO′,因為質(zhì)心無加速度),此瞬時的力矩為
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,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,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,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拥膭恿堪l(fā)生改變卻不能使其動能發(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問題:(1)導(dǎo)體靜止時,所有粒子的洛侖茲力的合力等于安培力(這個證明從略);(2)導(dǎo)體運動時,粒子參與的是沿導(dǎo)體棒的運動v1和導(dǎo)體運動v2的合運動,其合速度為v ,這時的洛侖茲力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)。(事實上,由于電子定向移動速率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的一個極小分量。)
☆如果從能量的角度看這個問題,當(dāng)導(dǎo)體棒放在光滑的導(dǎo)軌上時(參看圖9-6),導(dǎo)體棒必獲得動能,這個動能是怎么轉(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)電動勢(反電動勢)。動力學(xué)分析可知,導(dǎo)體棒的最后穩(wěn)定狀態(tài)是勻速運動(感應(yīng)電動勢等于電源電動勢,回路電流為零)。由于達到穩(wěn)定速度前的回路電流是逐漸減小的,故在相同時間內(nèi)發(fā)的焦耳熱將比導(dǎo)體棒被卡住時少。所以,導(dǎo)體棒動能的增加是以回路焦耳熱的減少為代價的。
2、僅受洛侖茲力的帶電粒子運動
a、⊥
時,勻速圓周運動,半徑r =
,周期T =
b、與
成一般夾角θ時,做等螺距螺旋運動,半徑r =
,螺距d =
這個結(jié)論的證明一般是將分解…(過程從略)。
☆但也有一個問題,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),粒子的運動情形似乎就不一樣了——在垂直B2的平面內(nèi)做圓周運動?
其實,在圖9-7中,B1平行v只是一種暫時的現(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“圓周運動”就無法達成了。(而在分解v的處理中,這種局面是不會出現(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,螺線管提供勻強磁場。
b、原理:由于控制極和共軸膜片的存在,電子進磁場的發(fā)散角極小,即速度和磁場的夾角θ極小,各粒子做螺旋運動時可以認(rèn)為螺距彼此相等(半徑可以不等),故所有粒子會“聚焦”在熒光屏上的P點。
4、回旋加速器
a、結(jié)構(gòu)&原理(注意加速時間應(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&粒子圓周運動,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點的磁感強度。
【解說】這是一個關(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,放在磁感強度大小為B 、方向垂直線圈平面的勻強磁場中,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 。因為θ →
第六部分 振動和波
第一講 基本知識介紹
《振動和波》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)的補充。
一、簡諧運動
1、簡諧運動定義:= -k
①
凡是所受合力和位移滿足①式的質(zhì)點,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、簡諧運動的方程
回避高等數(shù)學(xué)工具,我們可以將簡諧運動看成勻速圓周運動在某一條直線上的投影運動(以下均看在x方向的投影),圓周運動的半徑即為簡諧運動的振幅A 。
依據(jù):x = -mω2Acosθ= -mω2
對于一個給定的勻速圓周運動,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動的定義式①。所以,x方向的位移、速度、加速度就是簡諧運動的相關(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。
運動學(xué)參量的相互關(guān)系:= -ω2
A =
tgφ= -
3、簡諧運動的合成
a、同方向、同頻率振動合成。兩個振動x1 = A1cos(ωt +φ1)和x2 = A2cos(ωt +φ2) 合成,可令合振動x = Acos(ωt +φ) ,由于x = x1 + x2 ,解得
A = ,φ= arctg
顯然,當(dāng)φ2-φ1 = 2kπ時(k = 0,±1,±2,…),合振幅A最大,當(dāng)φ2-φ1 = (2k + 1)π時(k = 0,±1,±2,…),合振幅最小。
b、方向垂直、同頻率振動合成。當(dāng)質(zhì)點同時參與兩個垂直的振動x = A1cos(ωt + φ1)和y = A2cos(ωt + φ2)時,這兩個振動方程事實上已經(jīng)構(gòu)成了質(zhì)點在二維空間運動的軌跡參數(shù)方程,消去參數(shù)t后,得一般形式的軌跡方程為
+
-2
cos(φ2-φ1) = sin2(φ2-φ1)
顯然,當(dāng)φ2-φ1 = 2kπ時(k = 0,±1,±2,…),有y = x ,軌跡為直線,合運動仍為簡諧運動;
當(dāng)φ2-φ1 = (2k + 1)π時(k = 0,±1,±2,…),有+
= 1 ,軌跡為橢圓,合運動不再是簡諧運動;
當(dāng)φ2-φ1取其它值,軌跡將更為復(fù)雜,稱“李薩如圖形”,不是簡諧運動。
c、同方向、同振幅、頻率相近的振動合成。令x1 = Acos(ω1t + φ)和x2 = Acos(ω2t + φ) ,由于合運動x = x1 + x2 ,得:x =(2Acost)cos(
t +φ)。合運動是振動,但不是簡諧運動,稱為角頻率為
的“拍”現(xiàn)象。
4、簡諧運動的周期
由②式得:ω= ,而圓周運動的角速度和簡諧運動的角頻率是一致的,所以
T = 2π ⑤
5、簡諧運動的能量
一個做簡諧運動的振子的能量由動能和勢能構(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)計量。
6、阻尼振動、受迫振動和共振
和高考要求基本相同。
二、機械波
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、機械波的描述
a、波動圖象。和振動圖象的聯(lián)系
b、波動方程
如果一列簡諧波沿x方向傳播,振源的振動方程為y = Acos(ωt + φ),波的傳播速度為v ,那么在離振源x處一個振動質(zhì)點的振動方程便是
y = Acos〔ωt + φ - ·2π〕= Acos〔ω(t -
)+ φ〕
這個方程展示的是一個復(fù)變函數(shù)。對任意一個時刻t ,都有一個y(x)的正弦函數(shù),在x-y坐標(biāo)下可以描繪出一個瞬時波形。所以,稱y = Acos〔ω(t - )+ φ〕為波動方程。
3、波的干涉
a、波的疊加。幾列波在同一介質(zhì)種傳播時,能獨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,在同一介質(zhì)中的疊加將形成一種特殊形態(tài):振動加強的區(qū)域和振動削弱的區(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表示兩個波源,P表示空間任意一點。
當(dāng)振源的振動方向相同時,令振源S1的振動方程為y1 = A1cosωt ,振源S1的振動方程為y2 = A2cosωt ,則在空間P點(距S1為r1 ,距S2為r2),兩振源引起的分振動分別是
y1′= A1cos〔ω(t ? )〕
y2′= A2cos〔ω(t ? )〕
P點便出現(xiàn)兩個頻率相同、初相不同的振動疊加問題(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(k = 0,±1,±2,…),P點振動加強,振幅為A1 + A2 ;
r2 ? r1 =(2k ? 1)時(k = 0,±1,±2,…),P點振動削弱,振幅為│A1-A2│。
4、波的反射、折射和衍射
知識點和高考要求相同。
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)運動時,接收者會發(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)運動(如圖3所示)
設(shè)接收者以速度v1正對靜止的波源運動。
如果接收者靜止在A點,他單位時間接收的波的個數(shù)為f ,
當(dāng)他迎著波源運動時,設(shè)其在單位時間到達B點,則= v1 ,、
在從A運動到B的過程中,接收者事實上“提前”多接收到了n個波
n = =
=
顯然,在單位時間內(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背離波源運動,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)運動(如圖4所示)
設(shè)波源以速度v2正對靜止的接收者運動。
如果波源S不動,在單位時間內(nèi),接收者在A點應(yīng)接收f個波,故S到A的距離:= fλ
在單位時間內(nèi),S運動至S′,即= v2 。由于波源的運動,事實造成了S到A的f個波被壓縮在了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)運動
當(dāng)接收者正對波源以速度v1(相對介質(zhì)速度)運動,波源也正對接收者以速度v2(相對介質(zhì)速度)運動,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、簡諧運動的證明與周期計算
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)水銀受到一個初始的擾動后,開始在管中振動。忽略管壁對汞的阻力,試證明汞柱做簡諧運動,并求其周期。
模型分析:對簡諧運動的證明,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)力系指振動方向上的合力(而非整體合力)。當(dāng)簡諧運動被證明后,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位移為x 、水銀密度為ρ、U型管橫截面積為S ,則次瞬時的回復(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,故汞柱做簡諧運動。
周期T = 2π= 2π
答:汞柱的周期為2π 。
學(xué)生活動:如圖6所示,兩個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,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摩擦因素為μ、木板的質(zhì)量為m ,且木板放置時,重心不在兩滾輪的正中央。試證明木板做簡諧運動,并求木板運動的周期。
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:木板運動周期為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點懸掛在一光滑水平軸上,整個框架可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。桿AB是一導(dǎo)軌,一電動松鼠可在導(dǎo)軌上運動,F(xiàn)觀察到松鼠正在導(dǎo)軌上運動,而框架卻靜止不動,試討論松鼠的運動是一種什么樣的運動。
解說:由于框架靜止不動,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一般位置(如圖7,設(shè)它在導(dǎo)軌方向上距C點為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)軌上的投影點為參考點,x就是松鼠的瞬時位移。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 = ,對于這個系統(tǒng)而言,k是固定不變的。
顯然這就是簡諧運動的定義式。
答案:松鼠做簡諧運動。
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,所以做進一步的定量運算也是有必要的。譬如,我們可以求出松鼠的運動周期為:T = 2π = 2π
= 2.64s 。
二、典型的簡諧運動
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)彈簧連著一個質(zhì)量為m的小球,置于傾角為θ
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