物理图像题

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  一、物理图像题的意义
  图像是一种形象、直观的语言,在物理学中应用十分广泛.所谓物理图像就是指在直角坐标系中绘出的表示两个物理量之间依存关系的函数图像,物理图像是数与形相结合的产物,是具体与抽象相结合的体现.它能表达物理规律,且往往比物理公式直观、形象、简洁、概括力强.它能清晰地描述物理过程,正确地反映实验规律.它能表示物理量之间的关系,能使复杂问题变得简单明了.
  近年来通过图像来考查同学们的相关能力已是一种趋势,也是命题的热点.图像的考查,能反映同学们掌握物理规律、应用物理知识的综合能力以及从图像中获取信息的能力,它涉及到初中物理的许多方面.
  建立平面直角坐标系,构建函数模型是数形结合解决问题的重要数学思路.数形结合法就是根据数学问题的条件和结论之间的内在联系,既分析其代数意义,又揭示其几何意义,使数量关系和图形巧妙地结合起来,以寻求解题思路.物理规律的表达除可使用公式(相当于数学上的函数解析式)外,也可借用图像,而图像法往往更形象直观.平面直角坐标系在物理中有广泛的应用,是运用数学解决实际问题的方法.其解题的基本方法是:把坐标轴上的量(x、y)与被考察量(k)之间的关系用数学表达式写出来,一般形式为y=kx.当然,这种应用更多的是把平面直角坐标系进行一定的物理改造,以路程——时间图像、温度——时间图像、电压——电流图像等形式出现.
  二、物理图像题的类型
  1.识别特征类
  此类题主要通过图像反映一些物质的属性或者保持不变的物理量,比如匀速直线运动中的速度、物质的密度、导体的电阻、晶体熔化、液体沸腾等,这些物理量的变化情况在图像上常表现为水平直线或者通过坐标原点的直线.
  如图1所示,甲图是做匀速直线运动物体的“路程与时间关系”的图像.请你根据图1甲,在图1乙中画出同一物体的“速度与时间关系”的图像.
  
  解析由甲图s-t图像的直线特征可知物体做匀速直线运动,速度v=s/t=6m/3s=2m/s.在乙图中要改画为v-t图像,则为一条水平直线,如图2所示.
  
  2.寻找规律类
  物理图像的主要作用之一是形象反映物理量的变化规律和相互作用关系,图像中隐含着不少规律.通过分析图像寻找物理规律或物理量之间的关系是近年来各地中考命题的热点.
  例如,一个研究性学习小组在探究“通过某种导电材料的电流与其两端电压的关系”时,得出电压U和电流I的数据如下表所示.
  (1)请在图3中画出I随U变化的图像.
  (2)从图像上可以看出I与U是什么关系?
  (3)从数据表中可以得出当U逐渐增大时,该导电材料的电阻是如何变化的?
  
  解答为:(1)描点作图,图略.(2)从图像上可以看出I随U的增大而急剧增大.(3)从数据表中可以得出当U逐渐增大时,该导电材料的电阻急剧减小.
  3.探寻变化趋势类
  此类题中的图线大多为变化的曲线,要求根据图像寻找某一物理量的变化趋势.
  有这样一道题:小东同学想通过实验探究一铭牌是“220V1500W”电热水壶的效率,他在该壶中装入2.5kg的水后,将其接入家庭电路并正常工作,在烧水过程中他记录下了不同时刻水的温度,并绘制出“温度-时间”图线,如图4所示.请你回答以下问题:
  (1)在AB、BC、CD三段过程中,水温上升最快的是哪一段?
  
  (2)从图4中可知水当前的沸点是多少?
  (3)求该电热水壶烧开这壶水(即从A到C过程中)的效率.
  (4)为了提高电热水壶的效率,请你提出一条合理化的建议.
  解答如下:(1)这是温度-时间图像,在AB、BC、CD三段过程中,由于AB段斜率最大,图像最陡,从物理意义上看,AB段水温上升最快.(2)由于水沸腾时温度保持不变,故从图4中可知水当前的沸点约是98℃.(3)该电热水壶烧开这壶水的效率η=Q吸/Q放
  =cmΔt/Pt=75.8%.(4)提高电热水壶效率最简单易行的办法就是除去壶内的水垢.
  4.科学探究类
  科学探究类试题中大多含有图像,运用图像来分析、处理实验数据是科学探究的主要环节之一.根据具体情况,找到相应的数学工具或方法是解答此类题的关键.
  例如生活中常会见到物体从高处下落的运动.如用手拿着一个小球和一张纸片,从同一高度同时释放.我们看到小球先落地,纸片后落地,如图5A所示.美国宇航员大卫·斯科特在登上月球后,从同一高度同时释放锤子和羽毛,看到它们同时落到月球表面,如图5B所示.通过对图5A与图5B所提供的情景的对比:
  
  (1)造成纸片比铁球下落慢的主要原因是 .
  (2)可以得出的结论是.
  (3)经研究发现,小球在离地面90m的高处从静止开始自由下落,其下落的高度h随时间t的变化规律如图5C所示(顶点在坐标原点、对称轴为h轴、h关于t的二次函数),试通过对图像的分析得出小球从静止开始自由下落4s所通过的路程是m.
  解法如下:(1)纸片比铁球下落慢的主要原因是空气阻力的影响,因为纸片的重力较小,故纸片所受阻力和重力相比不能忽略,故纸片下落较慢.而铁球所受空气阻力远小于重力,可以不考虑阻力的影响.(2)通过对图5A与图5B所提供的情景的对比,可以得出的结论是:如果没有空气阻力,两个轻重物体将会同时着地.(3)由图像C可以看出,自由落体运动中高度和时间的关系是二次函数关系,类比数学知识y=ax2得h=at2,取坐标点(20,2)代入得a=h/t2=5,故h=5t2.当小球从静止开始自由下落4s,所通过的路程是h=5t2=80m.
  三、典型试题解析
  例1如图6所示的是世界上最长的跨海大桥——杭州湾跨海大桥,全长36km,设计时速100km/h.大桥已于2008年5月1日通车,至此上海到宁波的陆路距离缩短了l20多千米.
  (1)若某轿车以60kW的功率,按大桥设计时速匀速通过,则通过整座大桥需要h,轿车在行驶过程中受到阻力为N.
  (2)大桥施工时,要向海中沉放大量的施工构件,假设一正方体构件被缓缓吊入海水中(如图7甲所示),在沉入过程中其下表面到水面的距离h逐渐增大,随着h的增大,正方体构件所受浮力F1、钢绳拉力F2的变化随h变化如图7乙所示.图中反映钢绳拉力F2随h变化的图线是.该正方体构件所受的最大浮力为N.(海水的密度取1.03×103kg/m3)
  
  解析本题用函数图像承载解题的信息,要求同学们能从中提取有用的数据,运用公式进行计算.
  (1)设计时速100km/h,即v=100km/h=(250/9)m/s.轿车以这样的速度过桥的时间为t=s/v=36km/(100km/h)=0.36h.轿车的功率P=60kW=60000W,轿车在行驶过程中受到阻力为
  
  
  (2)由甲图可知,正方体构件从水面缓缓下沉时,所受的浮力随下沉深度的增加而变大,钢绳拉力随深度的增加而变小.浸没后,构件的浮力、钢绳的拉力都不随深度增加而变化.从图乙可以看出,图线①是F2先随h的逐渐增大而变小,后保持不变,是钢绳拉力随h变化的图线,图线②是F1先随着h的逐渐增大而变大,后保持不变,是浮力随h变化的图线.图乙h=2m时,浮力开始保持不变,表明正方体边长为2m,体积V=(2m)3
  =8m3,最大浮力F浮=ρ水gV=8×104N.
  说明本题涉及功率、阿基米德原理、速度、单位等知识,考查了同学们综合运用物理知识的能力.本题对知识的要求较低,有的可以直接用公式.破解的关键在于转换“数”和“形”,综合两个图中的信息,从中发现构件的体积.
  例2如图8所示,绳子OO′悬吊着质量忽略不计的杆,在杆的a点挂上重物G,在O右侧某点b处挂上钩码.重物G的质量及a到O的距离不变,要使杆保持水平,b点挂的钩码个数(各个钩码质量相同)和b到O的距离的关系是图9中哪一幅图().
  解析本题以生产、生活的实际问题为背景,从背景材料的分析中,捕获函数关系,然后筛选函数对应的图像.有时还会将函数图像运用到新的情景中.
  如图8所示,O为支点,设一个钩码重为G0,根据杠杆平衡条件,则有G·Oa=Gb·Ob=nG0·Ob,n=(G·Oa/G0)/Ob,由于重物的质量、a到O的距离、每个钩码的重不变,即G·Oa/G0的大小不变,在此将它记为常数C,则有n=C/Ob.显然,b点挂的钩码个数和b到O的距离成反比例关系,B图正确.
  说明本题考查了同学们灵活运用杠杆平衡条件分析、解决问题的能力.很多同学因不会用杠杆平衡条件推导它们的函数关系,只能根据它们的定性关系,推理出钩码只数增加,Ob间的距离变小,误选D为答案.
  例3汽车在行驶过程中如果遇到危急情况,司机常要紧急刹车.从发现情况到汽车停止的距离叫做停车距离,停车距离等于反应距离加上制动距离.(注:反应距离是指司机发现情况到踩下刹车这段时间内汽车的行驶距离;制动距离是指踩下刹车后汽车在路面上滑行的距离).
  下表是司机驾驶小汽车时,在水平、干燥的沥青路面上以不同速度行驶时的统计数据.
  (1)请利用表中数据,在坐标图10中用平滑曲线绘出制动距离随速度变化的曲线.
  (2)一起发生在限速50km/h路段的交通事故中,交警测得肇事车后留下的刹车痕迹(制动距离)长为25m.请你根据上面图像判断司机是否超速?(注:该车的制动性能与上表数据一致)
  
  
  解析本题用函数图像对数据进行整理,形成承载运动变化的规律图像,再用函数图像预测、推理无法直接测量的数据,或从图像发现规律,最后运用规律解决实际问题.
  (1)根据表格中速度和制动距离的对应关系描点,然后用平滑曲线连接这些点,如图11所示.
  (2)从制动距离随速度变化曲线可以看出,当制动距离为25m对应的速度约为77km/h.显然,司机超速.
  例4图12甲和乙是利用热敏电阻来测量温度的原理图.电源电压均为20V且保持不变,定值电阻R0的阻值为30Ω.则
  
  (1)图甲中电流表的示数为0.3A时,热敏电阻两端的电压和消耗的功率分别是多少?
  (2)图乙中电压表的量程为0~15V,热敏电阻R的阻值随温度的变化关系如图丙所示,试求此电路能测量的最高温度.
  解析用函数图像呈现复杂的运动变化规律,往往能突破知识障碍,将一些凭借初中物理知识无法解决的问题得到解决,将复杂的物理问题转化为简单易解的物理问题.比如,计算“220V40W”的灯泡接到110V电路的功率.用函数图像揭示灯泡电流(或电阻)、电压的关系,凭借函数图像,可以算出灯泡真实的功率.没有函数图像,只能假设灯泡的电阻不变,算出一个并不真实的功率.显然,借助于函数图像可以让问题情景贴近生产、生活的实际.
  (1)此时电阻R0的电压U0=I1R0=0.3A
  ×30Ω=9V,热敏电阻的电压U1=U-U0=20V
  -9V=11V.热敏电阻消耗的功率P=U1·I1=11V
  ×0.3A=3.3W.
  (2)当电压表的示数为15V时,电路中的电流I2=■=■=0.5A.设此时热敏电阻的阻值为R2,则I2=■=■,R2=■-R0
  =■-30Ω=10Ω.由图丙可知,此时的温度是84℃.故最大能测量的温度是84℃.
  说明这道题的综合性很强,它涵盖了功率、欧姆定律、串联电路的电压、电流、电阻等知识,电压表、电流表、可变电源、热敏电阻等元件,函数图像将电路和温度两个不相干的内容联系在一起,考查了学生对知识结构体系的整体把握能力.
  四、类题精编
  1.如图13所示是不同时刻测量一段(阻值随温度发生均匀变化)镍铬合金线电阻值的R-t测量图像,与时刻t1相比,时刻t2的温度较(选填“低”或“高”).
  
  2.用图像可以表示物体的运动规律.则图14甲、乙中表示物体做匀速直线运动的是段,表示物体处于静止状态的是段.
  
  3.如图15所示,两条直线分别表示通过阻值不同的两个电阻的电流强度随其两端电压变化的I-U图线,从图中可知().
  
  A. R1>R2
  B. R1、R2串联后的总电阻的I-U图线在区域Ⅱ
  C. R1、R2并联后的总电阻的I-U图线在区域Ⅲ
  D. R1、R2并联后的总电阻的I-U图线在区域Ⅰ
  4.用稳定的热源给一个物体均匀加热,设物体吸收的热量与加热时间成正比,得到其温度随时间变化的曲线如图16所示,那么它在固态时的比热容与液态时的比热容之比是().
  
  A.1∶2B.2∶1C.1∶4D.4∶1
  5.在测定液体密度的实验中,液体的体积(V)和液体与容器的总质量(m总)可分别由量筒和天平测得.某同学通过改变液体的体积并测得相应的总质量而画出了有关m总-V的图像.在图17中能正确反映液体和容器的总质量跟液体的体积关系的是().
  
  6.图18表示甲、乙两种液体的压强p与深度h的关系图像.由图可知,甲液体的密度ρ甲与乙液体的密度ρ乙大小关系是().
  
  A. ρ甲>ρ乙B. ρ甲=ρ乙
  C. ρ甲<ρ乙D.无法确定
  (参考答案见29页)
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