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例一个质点运动的速度时间图象如图1所示,任意很短时间 内质点的运动可以近似视为匀速运动,该时间内质点的位移即为条形阴影区域的面积,经过累积,图线与坐标轴围成的面积即为质点在相应时间内的位移.利用这种微元累积法我们可以研究许多物理问题,图2是某物理量 随时间变化的图象,此图线与坐标轴所围成的面积,下列说法中正确的是
A.如果y轴表示作用力,则所围成的面积大于该力在相应时间内的冲量
B.如果y轴表示力做功的功率,则所围成的面积小于该力在相应时间内所做的功
C.如果y轴表示流过用电器的电流,则所围成的面积等于在相应时间内流过该用电器的电量
D.如果y轴表示变化磁场在金属线圈产生的电动势,则所围成的面积等于该磁场在相应时间内磁感应强度的变化量
解析A.如果y轴表示作用力,则围成的面积等于该力在相应时间内的冲量.故A错误.
B.如果y轴表示力做功的功率,则围成的面积等于该力在相应时间内所做的功.故B错误.
C.因q=It,如果y轴表示流过用电器的电流,则围成面积等于在相应时间内流过该用电器的电量.故C正确.
D.如果y轴表示变化磁场在金属线圈产生的电动势,则围成的面积等于该磁场在相应时间内磁通.故D错误.
故选C.
那究竟满足什么条件,图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值呢?如图3所示,只要满足:z=y·x,图线与坐标轴所围成的面积就等于z吗?
如,P=UI、P=Fv、v=ωr等就不满足.而W=Fx、v=at等就满足.
1条件
若图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值,必须满足:①横、纵坐标量与之对应的一个为状态量、一个为过程量.②横坐标量与纵坐标量的乘积得有物理意义.
2归纳
在中学物理范围内,有哪些常用物理量满足:图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值?
x=vt、v=at、W=Pt、W=Fx、I=Ft、q=It、Φ=et、E=QU(电容器充电过程中储存的电能E).
3应用
例1(2013年北京)蹦床比赛分成预备运动和比赛动作.最初,运动员静止站在蹦床上;在预备运动阶段,他经过若干次蹦跳,逐渐增加上升高度,最终达到完成比赛动作所需的高度;此后,进入比赛动作阶段.
把蹦床简化为一个竖直放置的轻弹簧,弹力大小F=kx (x为床面下沉的距离,k为常量).质量m=50 kg的运动员静止站在蹦床上,床面下沉x0=0.10 m;在预备运动中,假定运动员所做的总功W全部用于其机械能;在比赛动作中,把该运动员视作质点,其每次离开床面做竖直上抛运动的腾空时间均为Δt=2.0 s,设运动员每次落下使床面压缩的最大深度均为x1.取重力加速度g=10 m/s2,忽略空气阻力的影响.(1)求常量k,并在图3中画出弹力F随x变化的示意图;(2)求在比赛动作中,运动员离开床面后上升的最大高度hm;(3)借助F-x图象可以确定弹性做功的规律,在此基础上,求x1和W的值.
解析(1)床面下沉x0=0.10 m时,
运动员受力平衡mg=kx0,
得k=mgx0=5.0×103 N/m,
F-x图线如图5所示.
(2)运动员从x=0处离开床面,开始腾空,其上升、下落时间相等
hm=12g(Δt2)2=5.0 m.
(3)参考由速度-时间图象求位移的方法,F-x图线下的面积等于弹力做的功,从x处到x=0,弹力做功WT,
WT=12·x·kx=12kx2.
运动员从x1处上升到最大高度hm的过程,根据动能定理,
有12kx21-mg(x0 hm)=0,
得x1=x0 x20 2x0hm=1.1 m.
对整个预备运动,由题设条件以及功和能的关系,有
W 12kx20=mg(hm x0),
得W=2525 J≈2.5×103 J.
例2(2012年北京)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6所示,考虑安全舒适、省时等因素,电梯的加速度a随时间t是变化的.已知电梯在t=0时由静止开始上升,a-t图象如图7所示.电梯总质量m=2×103 kg,忽略一切阻力,重力加速度g=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7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末的速度v2;(3)求电梯以最大速度上升时,拉力做功的功率P,再求0~11 s时间内,拉力和重力对电梯所做的总功W.
解析(1) am=1.0 m/s2,
F1-mg=mam,
解得F1=m(g am)=2.2×104 N,
mg-F2=mam,
解得F2=m(g-am)=1.8×104 N.
(2)根据a-t图象与坐标轴所围的“面积”表述速度的变化量,且电梯由静止开始上升可知:
电梯在第1 s内的速度改变量Δv1=0.5 m/s,
第2 s末的速度v2=1.5 m/s.
(3)根据a-t图象可知电梯的最大速度为
vm=10 m/s,
电梯以最大速度上升时,拉力
F3=mg=2.0×104 N,
因此P=F3vm=2×105 W.
根据动能定理,0~11 s时间内拉力和重力对电梯所做的总功等于电梯动能的增量,有
W=12mv2m-0=2×105 J.
4结语
高考作为一种选拔性考试,具有很强的综合性.考生除了掌握基本物理概念、物理规律外,还需要掌握一些解题技巧.通过以上策略的运用,可以有效降低试题的难度,快速形成解题思路.避繁就简,提高解题的效率.
A.如果y轴表示作用力,则所围成的面积大于该力在相应时间内的冲量
B.如果y轴表示力做功的功率,则所围成的面积小于该力在相应时间内所做的功
C.如果y轴表示流过用电器的电流,则所围成的面积等于在相应时间内流过该用电器的电量
D.如果y轴表示变化磁场在金属线圈产生的电动势,则所围成的面积等于该磁场在相应时间内磁感应强度的变化量
解析A.如果y轴表示作用力,则围成的面积等于该力在相应时间内的冲量.故A错误.
B.如果y轴表示力做功的功率,则围成的面积等于该力在相应时间内所做的功.故B错误.
C.因q=It,如果y轴表示流过用电器的电流,则围成面积等于在相应时间内流过该用电器的电量.故C正确.
D.如果y轴表示变化磁场在金属线圈产生的电动势,则围成的面积等于该磁场在相应时间内磁通.故D错误.
故选C.
那究竟满足什么条件,图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值呢?如图3所示,只要满足:z=y·x,图线与坐标轴所围成的面积就等于z吗?
如,P=UI、P=Fv、v=ωr等就不满足.而W=Fx、v=at等就满足.
1条件
若图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值,必须满足:①横、纵坐标量与之对应的一个为状态量、一个为过程量.②横坐标量与纵坐标量的乘积得有物理意义.
2归纳
在中学物理范围内,有哪些常用物理量满足:图形面积所表示的量等于横坐标量与纵坐标量的乘积所对应的值?
x=vt、v=at、W=Pt、W=Fx、I=Ft、q=It、Φ=et、E=QU(电容器充电过程中储存的电能E).
3应用
例1(2013年北京)蹦床比赛分成预备运动和比赛动作.最初,运动员静止站在蹦床上;在预备运动阶段,他经过若干次蹦跳,逐渐增加上升高度,最终达到完成比赛动作所需的高度;此后,进入比赛动作阶段.
把蹦床简化为一个竖直放置的轻弹簧,弹力大小F=kx (x为床面下沉的距离,k为常量).质量m=50 kg的运动员静止站在蹦床上,床面下沉x0=0.10 m;在预备运动中,假定运动员所做的总功W全部用于其机械能;在比赛动作中,把该运动员视作质点,其每次离开床面做竖直上抛运动的腾空时间均为Δt=2.0 s,设运动员每次落下使床面压缩的最大深度均为x1.取重力加速度g=10 m/s2,忽略空气阻力的影响.(1)求常量k,并在图3中画出弹力F随x变化的示意图;(2)求在比赛动作中,运动员离开床面后上升的最大高度hm;(3)借助F-x图象可以确定弹性做功的规律,在此基础上,求x1和W的值.
解析(1)床面下沉x0=0.10 m时,
运动员受力平衡mg=kx0,
得k=mgx0=5.0×103 N/m,
F-x图线如图5所示.
(2)运动员从x=0处离开床面,开始腾空,其上升、下落时间相等
hm=12g(Δt2)2=5.0 m.
(3)参考由速度-时间图象求位移的方法,F-x图线下的面积等于弹力做的功,从x处到x=0,弹力做功WT,
WT=12·x·kx=12kx2.
运动员从x1处上升到最大高度hm的过程,根据动能定理,
有12kx21-mg(x0 hm)=0,
得x1=x0 x20 2x0hm=1.1 m.
对整个预备运动,由题设条件以及功和能的关系,有
W 12kx20=mg(hm x0),
得W=2525 J≈2.5×103 J.
例2(2012年北京)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6所示,考虑安全舒适、省时等因素,电梯的加速度a随时间t是变化的.已知电梯在t=0时由静止开始上升,a-t图象如图7所示.电梯总质量m=2×103 kg,忽略一切阻力,重力加速度g=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7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末的速度v2;(3)求电梯以最大速度上升时,拉力做功的功率P,再求0~11 s时间内,拉力和重力对电梯所做的总功W.
解析(1) am=1.0 m/s2,
F1-mg=mam,
解得F1=m(g am)=2.2×104 N,
mg-F2=mam,
解得F2=m(g-am)=1.8×104 N.
(2)根据a-t图象与坐标轴所围的“面积”表述速度的变化量,且电梯由静止开始上升可知:
电梯在第1 s内的速度改变量Δv1=0.5 m/s,
第2 s末的速度v2=1.5 m/s.
(3)根据a-t图象可知电梯的最大速度为
vm=10 m/s,
电梯以最大速度上升时,拉力
F3=mg=2.0×104 N,
因此P=F3vm=2×105 W.
根据动能定理,0~11 s时间内拉力和重力对电梯所做的总功等于电梯动能的增量,有
W=12mv2m-0=2×105 J.
4结语
高考作为一种选拔性考试,具有很强的综合性.考生除了掌握基本物理概念、物理规律外,还需要掌握一些解题技巧.通过以上策略的运用,可以有效降低试题的难度,快速形成解题思路.避繁就简,提高解题的效率.