探讨图象面积的物理意义及应用条件

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  由v-t图象面积求位移的方法可以类比应用到许多物理问题中,这种解题技巧给广大师生带来了很大的便捷,但也出现了问题,因为经常有同学在不清楚图象面积物理意义的情况下,进行类比应用,从而导致错误.因此,有必要来探讨图象面积的物理意义及应用条件.
  一、v-t图象面积的类比应用
  例1(2012年北京高考卷) 摩天大楼中一部直通高层的客运电梯,行程超过百米.电梯的简化模型如图1所示.考虑安全、舒适、省时等因素,电梯的加速度a随时间t变化的.已知电梯在t=0时由静止开始上升,a-t图象如图2所示.电梯总质量m=2.0×103 kg.忽略一切阻力,重力加速度g取10 m/s2.
  (1)求电梯在上升过程中受到的最大拉力F1和最小拉力F2;
  (2)类比是一种常用的研究方法.对于直线运动,教科书中讲解了由v-t图象求位移的方法.请你借鉴此方法,对比加速度和速度的定义,根据图2所示a-t图象,求电梯在第1 s内的速度改变量Δv1和第2 s末的速率v2;
  (3)求电梯以最大速率上升时,拉力做功的功率P;再求在0~11 s时间内,拉力和重力对电梯所做的总功W.
  我们把这个结论应用到F-x图象面积求功W,F-t图象面积求冲量I,I-t图象面积求电荷量q,P-t图象面积求功W时都没有问题,但把它推广到利用a-m图象面积求合力F,U-I图象面积求电功率P,F-v图象面积求功率P时显然是错误的,那么,问题出在哪里呢?是因为a与m、U与I、F与v之间存在相互约束关系吗?不难发现利用气体p-V图象的面积可以求气体做的功W,而气体压强与体积也是有约束关系的,这种假设就被排除了,所以还是要从图象的物理意义入手寻找原因.
  二、比较两种类型图象的横坐标及图象面积的物理意义
  解析:由图9可知,沿x轴对称分布的电场,电场线以O点为中心指向正、负方向.沿电场线方向电势降低,所以O点电势最高,(A)和(B)错误;因为匀强电场中U=Ed即U=EΔx,现在电场强度E随x而变化,但E-x图象和x轴所围面积仍表示电势差U的大小,能推出(C)正确,(D)错误,答案选(C).
  [浙江省临海市回浦中学 (317000)]
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