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图象是描述物理过程、揭示物理规律、解决物理问题的重要方法之一,它具有形象、直观、动态变化过程清晰等特点,能把物理问题简化明了,使求解过程优化,有效、简捷地解决问题.高考物理试题的离不开图象的应用,借助图象考查数学方法应用能力是高考命题的永恒主题.近几年来各地的高考试卷中图象问题不断涌现,主要应用有以下四类.
一、认识图
这类考题将研究对象的物理过程已用图象表示出来,要求我们通过认识图就能直接从图象上解决所提出的问题.求解的关键是看清图象中的“点 ”、“线 ”、“斜率 ”、“截距”、“面积”的物理意义.
例1 (2013年高考新课标全国卷Ⅰ)如图1所示,直线a和曲线b分别是在平直公路上行驶的汽车a和b的位置-时间(x-t)图线.由图可知( )
(A) 在时刻t1,a车追上b车
(B) 在时刻t2,a、b两车运动方向相反
(C) 在t1到t2这段时间内,b车的速率先减少后增加
(D) 在t1到t2这段时间内,b车的速率一直比a车的大
解析 :本题运动图象为x-t图象,图象中切线的斜率反映速度的大小,a做匀速直线运动,b先正向运动速度减小,减到0后负向运动速度增大,选项(B)、(C)正确,选项(D)错误.x-t图象中交点表示相遇,所以在t1时刻a、b相遇,b追上a,选项
(A)错误.
点评 :本题从两图象的斜率、交点着手直接应从图象上判断出正确选项.
例2 (2013年四川卷) 甲、乙两物体在t=0时刻经过同一位置沿x轴运动,其v-t图象如图2所示,则( )
(A) 甲、乙在t=0到t=1 s之间沿同一方向运动
(B) 乙在t=0到t=7 s之间的位移为零
(C) 甲在t=0到t=4 s之间做往复运动
(D) 甲、乙在t=6 s时的加速度方向相同
解析 : 0~1 s内,甲的速度为正值,沿正方向运动,乙的速度由负值变为正值,先沿负方向运动后沿正方向运动,选项(A)错误;0~7 s内,乙的图象与坐标轴所围的面积为0,故位移为0,选项(B)正确;甲在0~1 s内沿正方向做匀加速运动,在1~2 s内沿正方向做匀减速运动,在2~3 s内沿正方向做匀加速运动,在3~4 s内沿正方向做匀减速运动,故甲在0~4 s内沿正方向做单方向上的直线运动,选项(C)错误;在t=6 s时甲、乙的图象斜率均小于0,故其速度方向都为负,选项(D)正确.
点评 :本题应从图象角度入手分析物体的运动.速度的正负表示方向,速度与坐标轴所围的面积表示位移,斜率表示加速度.
例3 (2013年全国卷)将甲、乙两小球先后以同样的速度在距地面不同高度处竖直向上抛出,抛出时间相隔2 s,它们运动的v-t图象分别如图3直线甲、乙所示,则( )
(A) t=2 s时,两球高度相差一定为40 m
(B) t=4 s时,两球相对于各自抛出点的位移相等
(C) 两球从抛出至落到地面所用的时间间隔相等
(D) 甲球从抛出至达到最高点的时间间隔与乙球的相等
解析 :t=2 s时,甲离抛出点为40 m,乙刚开始运动,若抛出点在同一高度,则甲、乙高度差为40 m,但是抛出点距地面高度不同,故选项(A)错误;t=4 s时,甲正在下落,离抛出点为40 m,乙正在上升,离抛出点也为40 m,选项(B)正确;两球从抛出到落回各自的抛出点时间相同,但是因为抛出点距地面高度不同,因此选项(C)错误;两球从各自抛出点至达到最高点的时间都是3 s,选项(D)正确.
点评 :求解本题关键是注意条件“抛出点距地面高度不同”.同时运用速度的正负及速度与坐标轴所围的面积来判断.
二、判断图
这类考题将研究对象的物理过程用多个图象表示出来,要求根据题中所给物体的物理情景,能直接从几个图象中上选出正确的图来.解决这类问题的关键是找出坐标所表示的物理量之间的函数关系,利用函数解析式选出正确的图象.
例4 (2013年新课标全国卷Ⅱ) 一物块静止在粗糙的水平桌面上.从某时刻开始,物块受到一方向不变的水平拉力作用.假设物块与桌面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力.以a表示物块的加速度大小,F表示水平拉力的大小.图4中能正确描述F与a之间关系的图象是( )
解析 :由牛顿第二定律有:F-μmg=ma,可得:F=ma+μmg,即F是a的一次函数,且截距为正,选项(C)正确.
点评 :此题还可由静摩擦力的作用,当F=0时并不会产生加速度来直接判断.
例5 (2013年新课标全国卷Ⅰ) 如图5,在水平面(纸面)内有三根相同的均匀金属棒ab、ac和MN,其中ab、ac在a点接触,构成“V”字型导轨.空间存在垂直于纸面的均匀磁场.用力使MN向右匀速运动,从图5示位置开始计时,运动中MN始终与∠bac的平分线垂直且和导轨保持良好接触.下列关于回路中电流i与时间t的关系图线,图6可能正确的是( )
解析 :考查电磁感应中的图象问题,此类问题应设法找纵轴与横轴的函数解析式.设金属棒单位长度电阻为R0,∠bac=2θ,则当MN棒切割磁感线的长度为L时,产生的感应电动势E=BLv,回路的总电阻R=R0(L+L sin θ),电路中的电流i=E R=Bv
1+1 sinθ,即i与t无关,选项(A)正确.
点评 :此题如果不找出电流与时间无关的函数解析式,则很难得出正确的选项.
例6 (2013年全国卷Ⅰ)纸面内两个半径均为R的圆相切于O点,两圆形区域内分别存在垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度大小相等、方向相反,且不随时间变化.一长为2R的导体杆OA绕O点且垂直于纸面的轴顺时针匀速旋转,角速度为ω.t=0时,OA恰好位于两圆的公切线上,如图7所示,若选取从O指向A的电动势为正,
图8描述导体杆中感应电动势随时间变化的图象可能正确的是( )
解析 ︰只研究金属棒向右转动90°的一段过程即可:切割磁感线的有效长度L=2Rsinωt,感应电动势E=1 2BLv=
1 2BL(Lω)=1 2B(2Rsinωt)2ω=2BR2ωsin2ωt,可见感应电动势应该按照三角函数的规律变化,可以排除选项
(A)和(B),再根据右手定则,金属棒刚进入磁场时电动势为正,可排除选项(D),只有选项(C)正确.
点评 :求解此题的关键是找出感应电动势与时间之间的函数关系.
例7 (2013年福建卷)如图9所示,矩形闭合导体线框在匀强磁场上方,由不同高度静止释放,用t1、t2分别表示线框ab边和cd边刚进入磁场的时刻.线框下落过程形状不变,ab边始终保持与磁场水平边界线OO′平行,线框平面与磁场方向垂直.设OO′下方磁场区域足够大,不计空气影响,则图10中哪一个图象不可能反映线框下落过程中速度v随时间t变化的规律( )
解析 :当线圈匀速进入磁场时,由B2L2v0 R=mg得匀速运动的速度v0=mgR B2L2.设ab边刚进入磁场时的速度为v,(1)当v>v0时,因B2L2v R>mg,则线圈做减速运动,且由B2L2v/R-mg=ma可知加速度a在减小,当a=0时速度达到最小并保持匀速运动,选项(A)不可能,选项(B)可能;(2)当v=v0时,因B2L2v R=mg,则线圈匀速进入磁场,选项(D)可能;(3)当v
点评 :求解此题的关键是找出当线圈ab边刚进入磁场时速度表达式,同时注意“矩形闭合导体线框由不同高度静止释放”,说明ab边刚进入磁场时的速度不同,要分不同情况讨论.