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高中奥林匹克物理竞赛解题方法 六 递推法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 六 递推法
高中奥林匹克物理竞赛解题方法 六 递推法

六、递推法

方法简介

递推法是解决物体与物体发生多次作用后的情况. 即当问题中涉及相互联系的物体较多并且有规律时,应根据题目特点应用数学思想将所研究的问题归类,然后求出通式. 具体方法是先分析某一次作用的情况,得出结论. 再根据多次作用的重复性和它们的共同点,把结论推广,然后结合数学知识求解. 用递推法解题的关键是导出联系相邻两次作用的递推关系式.

塞题精析

例1 质点以加速度a 从静止出发做直线运动,在某时刻t ,加速度变为2a ;在时刻2t ,加速度变为3a ;…;在nt 时刻,加速度变为(n +1)a ,求: (1)nt 时刻质点的速度; (2)nt 时间内通过的总路程.

解析 根据递推法的思想,从特殊到一般找到规律,然后求解. (1)物质在某时刻t 末的速度为at v t =

2t 末的速度为at at v at v v t t t 2,222+=+=所以 3t 末的速度为at at at at v v t t 32322++=+= ……

则nt 末的速度为nat v v t n nt +=-)1(

)321()1(32n at nat at n at at at ++++=+-++++= at n n n n at )1(2

1

)1(21+=+?=

(2)同理:可推得nt 内通过的总路程.)12)(1(12

1

2at n n n s ++=

例2 小球从高m h 1800=处自由下落,着地后跳起又下落,每与地面相碰一次,速度减小

)2(1

=n n

,求小球从下落到停止经过的总时间为通过的总路程.(g 取10m/s 2) 解析 小球从h 0高处落地时,速率s m gh v /60200==

第一次跳起时和又落地时的速率2/01v v = 第二次跳起时和又落地时的速率2022/v v =

第m 次跳起时和又落地时的速率m m v v 2/0=

每次跳起的高度依次4

2

2

2202112,2n h g v h n h g v h ====,

通过的总路程 +++++=∑m h h h h s 222210

m

h n n h n h h n

n n n h h m 3003

5

1112)1

111(2022

020********==-+?=-+=++++++

=- 经过的总时间为 +++++=∑m t t t t t 210

s g

v

n n g v n

n g v g v g v g v m m 183)11(])1

(2121[2200010==-+=+?++?+=++++=

例3 A 、B 、C 三只猎犬站立的位置构成一个边长为a 的正 三角形,每只猎犬追捕猎物的速度均为v ,A 犬想追捕B 犬,B 犬想追捕C 犬,C 犬想追捕A 犬,为追捕到猎物,猎犬不断调 整方向,速度方向始终“盯”住对方,它们同时起动,经多长 时间可捕捉到猎物? 解析 由题意可知,由题意可知,三只猎犬都做等速率曲线运动,而且任一时刻三只猎犬的位置都分别在一个正三角形的三个顶点上,但这正三角形的边长不断减小,如图6—1所示.所以要想求出捕捉的时间,则需用微元法将等速率曲线运动变成等速率直线运动,再用递推法求解.

设经时间t 可捕捉猎物,再把t 分为n 个微小时间间隔△t ,在每一个△t 内每只猎犬的运动可视为直线运动,每隔△t ,正三角形的边长分别为a 1、a 2、a 3、…、a n ,显然当a n →0时三只猎犬相遇.

t

v n a a t v a t v a a t v a t v a a t v a BB AA a a n ??-=??-=?-=??-=?-=?-=?--=2

3

,

2

3

323,

23

223,

2

3

60cos 2312111

因为,02

3

=??-t v n a 即v

a t t

t n 32=

=?所以 此题还可用对称法,在非惯性参考系中求解. 例4 一列进站后的重载列车,车头与各节车厢的质量相等,均为m ,若一次直接起动,车头的牵引力能带动30节车厢,那么,利用倒退起动,该车头能起动多少节同样质量的车厢?

解析 若一次直接起动,车头的牵引力需克服摩擦力做功,使各节车厢动能都增加,若利用倒退起动,则车头的牵引力需克服摩擦力做的总功不变,但各节车厢起动的动能则不同.

原来挂钩之间是张紧的,倒退后挂钩间存在△s 的宽松距离,设火车的牵引力为F ,则有:

车头起动时,有212

1)(mv s mg F =

?-μ 拉第一节车厢时:11)(mv v m m ='

+

故有s g m

F

v v ?-==

)(2141212

1μ 21

2

222

1221)2(v m mv s mg F '?-?=?-μ 拉第二节车厢时:22

2)2(mv v m m ='+ 故同样可得:s g m F v v ?-==')3

5

(3294222

2

μ ……

推理可得 s g n m F n n v n

?+-+=')312(12μ 由mg n F v n

μ31

2:02+>>'可得 另由题意知46,31<=n mg F 得μ

因此该车头倒退起动时,能起动45节相同质量的车厢.

例5 有n 块质量均为m ,厚度为d 的相同砖块,平放在水平地面上,现将它们一块一块地叠放起来,如图6—2所示,人至少做多少功?

解析 将平放在水平地面上的砖一块一块地叠放起来,每次克服重 力做的功不同,因此需一次一次地计算递推出通式计算.

将第2块砖平放在第一块砖上人至少需克服重力做功为mgd W =2 将第3、4、…、n 块砖依次叠放起来,人克服重力至少所需做的功 分别为

d

n m g W d m g W d m g W d m g W n )1(432543-====

所以将n 块砖叠放起来,至少做的总功为 W =W 1+W 2+W 3+…+W n

2

)1()1(32-?=-++++=n n

m gd d n m g d m g d m g m gd 例6 如图6—3所示,有六个完全相同的长条薄片1(=i B A i i 、 2、…、6)依次架在水平碗口上,一端搁在碗口,另一端架在另一 薄片的正中位置(不计薄片的质量). 将质量为m 的质点置于A 1A 6 的中点处,试求:A 1B 1薄片对A 6B 6的压力.

解析 本题共有六个物体,通过观察会发现,A 1B 1、A 2B 2、…、 A 5B 5的受力情况完全相同,因此将A 1B 1、A 2B 2、…A 5B 5作为一类, 对其中一个进行受力分析,找出规律,求出通式即可求解.

以第i 个薄片AB 为研究对象,受力情况如图6—3甲所示,第i 个 薄片受到前一个薄片向上的支持力N i 、碗边向上的支持力和后一个薄片 向下的压力N i +1. 选碗边B 点为轴,根据力矩平衡有

2

,211++=?=?i i i i N N L

N L N 得

所以65321)2

1

(212121N N N N ==?==

① 再以A 6B 6为研究对象,受力情况如图6—3乙所示,A 6B 6受到薄片

A 5

B 5向上的支持力N 6、碗向上的支持力和后一个薄片A 1B 1向下的压力 N 1、质点向下的压力mg. 选B 6点为轴,根据力矩平衡有

L N L mg L N ?=?+?

614

3

2 由①、②联立,解得 42

1mg

N =

所以,A 1B 1薄片对A 6B 6的压力为

.42

mg 例7 用20块质量均匀分布的相同光滑积木块,在光滑水平面上一块叠一块地搭成单孔桥,已知每一积木块长度为L ,横截面是边长为)4/(L h h =的正方形,要求此桥具有最大的跨度(即桥孔底宽),计算跨度与桥孔高度的比值.

解析 为了使搭成的单孔桥平衡,桥孔两侧应有相同的积木块,从上往下计算,使积木块均能保证平衡,要满足合力矩为零,平衡时,每块积木块都有最大伸出量,则单孔桥就有最大跨度,又由于每块积木块都有厚度,所以最大跨度与桥孔高度存在一比值.

将从上到下的积木块依次计为1、2、…、n ,显然第1块相对第2块的最大伸出量为

2

1L x =

? 第2块相对第3块的最大伸出量为2x ?(如图6—4所示),则

2

24)2

(

222?=

=???-=??L L x G x L

x G

同理可得第3块的最大伸出量3

23?=?L x ……

最后归纳得出n

L x n ?=

?2 所以总跨度h x

k n n

32.112

9

1

=?=∑=

跨度与桥孔高的比值为

258.1932.11==h

h H k 例8 如图6—5所示,一排人站在沿x 轴的水平轨道旁,原点O 两侧的人的序号都记为

3,2,1(=n n …). 每人只有一个沙袋,0>x 一侧的每个沙袋质量为m =14kg ,0

每个沙袋质量kg m 10='. 一质量为M =48kg 的小车以某初速度v 0从原点出发向正x 轴方向滑行. 不计轨道阻力. 当车每经过一人身旁时,此人就把沙袋以水平速度v 朝与车速相反的

方向沿车面扔到车上,v 的大小等于扔此袋之前的瞬间车速大小的2n 倍.(n 是此人的序号数)

(1)空车出发后,车上堆积了几个沙袋时车就反向滑行? (2)车上最终有大小沙袋共多少个?

解析 当人把沙袋以一定的速度朝与车速相反的方向沿车面扔到车上时,由动量守恒定律知,车速要减小,可见,当人不断地把沙袋以一定的速度扔到车上,总有一时刻使车速反向或减小到零,如车能反向运动,则另一边的人还能将沙袋扔到车上,直到车速为零,则不能再扔,否则还能扔.

小车以初速0v 沿正x 轴方向运动,经过第1个(n =1)人的身旁时,此人将沙袋以0022v nv u ==的水平速度扔到车上,

由动量守恒得,)(2100v m M v m Mv +=?-当小车运动到第2人身旁时,此人将沙袋以速度1142v nv u =='的水平速度扔到车上,同理有

211)2(2)(v m M nv m v m M +=?-+,所以,当第n 个沙袋抛上车后的车速为n v ,根据动

量守恒有111)1(,)(2])1([---++-=

+=?--+n n n n n v nm

M m

n M v v nm M mv n v m n M 即

.

同理有n n v m n M m n M v )1()2(1+++-=+,若抛上(n+1)包沙袋后车反向运动,则应有.0,01<>+n n v v

即.0)2(,0)1(<+->+-m n M m n M 由此两式解得:n n n ,14

20,1438><

为整数取3. 当车反向滑行时,根据上面同样推理可知,当向左运动到第n 个人身旁,抛上第n 包沙

袋后由动量守恒定律有:

''++='-''-++--n n n

v m n m M nv m v m n m M )3(2])1(3[11 解得:''

+++'+-+='''++'+-+=

'

+-n n n n v m n m M m n m M v v m n m M m n m M v )1(3)2(33)1(311同理

设抛上n+1个沙袋后车速反向,要求0,01≤>'

+n n v v 即??

?=>??

?≤'+-+>'+-+8

7

0)2(30)1(3n n m n m M m n m M 解得 即抛上第8个 沙袋后车就停止,所以车上最终有11个沙袋.

例9 如图6—6所示,一固定的斜面,倾角?=45θ,斜面 长L=2.00米. 在斜面下端有一与斜面垂直的挡板. 一质量为m 的 质点,从斜面的最高点沿斜面下滑,初速度为零. 下滑到最底端

与挡板发生弹性碰撞. 已知质点与斜面间的动摩擦因数20.0=μ,试求此质点从开始到发生第11次碰撞的过程中运动的总路程.

解析 因为质点每次下滑均要克服摩擦力做功,且每次做功又不相同,所以要想求质点从开始到发生n 次碰撞的过程中运动的总路程,需一次一次的求,推出通式即可求解.

设每次开始下滑时,小球距档板为s

则由功能关系:θθμsin )()(cos 2121s s mg s s mg -=+

θθμsin )()(cos 3232s s mg s s mg -=+

即有

3

2cos sin cos sin 2312=+-===θμθθμθ s s s s 由此可见每次碰撞后通过的路程是一等比数列,其公比为.3

2

∴在发生第11次碰撞过程中的路程

11321222s s s s s ++++=

11111113213

21]

)32(1[2)(2s s s s s s s ---?=-++++=

)(86.9)()3

2(121011

m m =?-=

例10 如图6—7所示,一水平放置的圆环形刚性窄槽固定在桌 面上,槽内嵌着三个大小相同的刚性小球,它们的质量分别是m 1、m 2 和m 3,m 2=m 3=2m 1. 小球与槽的两壁刚好接触而它们之间的摩擦可忽 略不计. 开始时,三球处在槽中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的位置,彼此间距离相等, m 2和m 3静止,m 1以初速2/0R v π=沿槽运动,R 为圆环的内半径和

小球半径之和,设各球之间的碰撞皆为弹性碰撞,求此系统的运动周期T.

解析 当m 1与m 2发生弹性碰撞时,由于m 2=2m 1,所以m 1碰后弹回,m 2向前与m 3发生碰撞. 而又由于m 2=m 3,所以m 2与m 3碰后,m 3能静止在m 1的位置,m 1又以v 速度被反弹,可见碰撞又重复一次. 当m 1回到初始位置,则系统为一个周期.

以m 1、m 2为研究对象,当m 1与m 2发生弹性碰撞后,根据动量守恒定律,能量守恒定律可写出:

221101v m v m v m += ①

2222112012

12121v m v m v m += ② 由①、②式得:0021120

0212113

2

23

1

)(v v m m m v v v m m m m v =+=

-=+-=

以m 2、m 3为研究对象,当m 2与m 3发生弹性碰撞后,得03

2

203='

=

v v v 以m 3、m 1为研究对象,当m 3与m 1发生弹性碰撞后,得0130

v v v ='

='

由此可见,当m 1运动到m 2处时与开始所处的状态相似. 所以碰撞使m 1、m 2、m 3交换位置,当m 1再次回到原来位置时,所用的时间恰好就是系统的一个周期T ,由此可得周期

).(202

1010)32232(

3)(30

000321s R R

v R v R v R v R t t t T ===++?=++=ππππππ

例11 有许多质量为m 的木块相互靠着沿一直线排列于光滑的水平面上. 每相邻的两个木块均用长为L 的柔绳连接着. 现用大小为F 的恒力沿排列方向拉第一个木块,以后各木块依次被牵而运动,求第n 个木块被牵动时的速度.

解析 每一个木块被拉动起来后,就和前面的木块成为一体,共同做匀加速运动一段距离L 后,把绳拉紧,再牵动下一个木块. 在绳子绷紧时,有部分机械能转化为内能. 因此,如果列出22

1)1(n nmv FL n =

-这样的关系式是错误的. 设第)1(-n 个木块刚被拉动时的速度为1-n v ,它即将拉动下一个木块时速度增至1-'n v ,

第n 个木块刚被拉动时速度为n v . 对第)1(-n 个木块开始运动到它把下一段绳子即将拉紧这一过程,由动能定理有:

2

121)1(2

1)1(21----'-=

n n mv n v m n FL ①

对绳子把第n 个木块拉动这一短暂过程,由动量守恒定律,有

n n

nmv v m n ='--1)1( 得:n n v n n

v 1

1-='- ② 把②式代入①式得:2

12)1(2

1)1()1(21-----=n n mv n v n n m n FL

整理后得:2

1222)1(2)1(---=-n n v n v n m FL n ③ ③式就是反映相邻两木块被拉动时速度关系的递推式,由③式可知

当n =2时有:

212

2222v v m FL -= 当n =3时有:2

222322322v v m FL -=? 当n =4时有:2

322423423v v m FL -=? … 一般地有2

1222)1(2)1(---=-n n v n v n m

FL n 将以上)1(-n 个等式相加,得:212

22)1321(v v n m

FL n n -=-++++ 所以有

212

222)1(v v n m

FL n n n -=?- 在本题中01=v ,所以.)

1(nm

n FL v n -=

例12 如图6—8所示,质量m =2kg 的平板小车,后端放 有质量M =3kg 的铁块,它和车之间动摩擦因数.50.0=μ开始 时,车和铁块共同以s m v /30=的速度向右在光滑水平面上

前进,并使车与墙发生正碰,设碰撞时间极短,碰撞无机械能损失,且车身足够长,使得铁块总不能和墙相碰,求小车走过的总路程.

解析 小车与墙撞后,应以原速率弹回. 铁块由于惯性继续沿原来方向运动,由于铁块和车的相互摩擦力作用,过一段时间后,它们就会相对静止,一起以相同的速度再向右运动,然后车与墙发生第二次碰撞,碰后,又重复第一次碰后的情况. 以后车与墙就这样一次次碰撞下去. 车每与墙碰一次,铁块就相对于车向前滑动一段距离,系统就有一部分机械能转化为内能,车每次与墙碰后,就左、右往返一次,车的总路程就是每次往返的路程之和.

设每次与墙碰后的速度分别为v 1、v 2、v 3、…、v n 、…车每次与墙碰后向左运动的最远距离分别为s 1、s 2、s 3、…、s n 、…. 以铁块运动方向为正方向,在车与墙第)1(-n 次碰后到发生第n 次碰撞之前,对车和铁块组成的系统,由动量守恒定律有

n n v m M v m M )()(1+=-- 所以 5

11--=+-=

n n n v v m M m

M v

由这一关系可得: ,5

,521312v v v v ==

一般地,有 ,51

1

-=

n n v v 由运动学公式可求出车与墙发生第n 次碰撞后向左运动的最远距离为

2221215

122-?==n n a v a v s

2221421322122115

12,,512,512,2-?=?=?==n n a v s a v s a v s a v s

所以车运动的总路程

)(2321 +++++=n s s s s s 总

24255

111)

5

1

51511(22212

21

224221?

=-?=+++++?=-a v a v a v n 因此201/2

15

/3s m m Mg a s m v v ==

==μ 所以)(4

5

m s =

总 例13 10个相同的扁长木块一个紧挨一个地放在水平 地面上,如图6—9所示,每个木块的质量,40.0kg m =长度 m l 45.0=,它们与地面间的静摩擦因数和动摩擦因数均为 .10.02=μ原来木块处于静止状态. 左方第一个木块的左端 上方放一个质量为M=1.0kg 的小铅块,它与木块间的静摩

擦因数和动摩擦因数均为.20.01=μ现突然给铅块一向右的初速度s m v /3.40=,使其在大木块上滑行. 试确定铅块最后的位置在何处(落在地上还是停在哪块木块上). 重力加速度g 取2

)/(10s m ,设铅块的长度与木块相比可以忽略.

解析 当铅块向右运动时,铅块与10个相同的扁长木块中的第一块先发生摩擦力,若此摩擦力大于10个扁长木块与地面间的最大静摩擦力,则10个扁长木块开始运动,若此摩擦力小于10个扁长木块与地面间的最大摩擦力,则10个扁长木块先静止不动,随着铅块的运动,总有一个时刻扁长木块要运动,直到铅块与扁长木块相对静止,后又一起匀减速运动到停止.

铅块M 在木块上滑行所受到的滑动摩擦力N Mg f 0.211==μ

设M 可以带动木块的数目为n ,则n 满足:0)1()(221≥--+-mg n g m M f μμ 即0)1(4.04.10.2≥---n

上式中的n 只能取整数,所以n 只能取2,也就是当M 滑行到倒数第二个木块时,剩下的两个木块将开始运动.设铅块刚离开第8个木块时速度为v ,则

l Mg Mv Mv 82

1211202?-=μ 得:0)/(49.222>=s m v

由此可见木块还可以滑到第9个木块上. M 在第9个木块 上运动如图6—9甲所示,则对M 而言有:M Ma Mg =-1μ

得:2/0.2s m a M -=

第9及第10个木块的动力学方程为:m ma mg g m M Mg 2)(221=-+-μμμ, 得:./25.02s m a m =

设M 刚离开第9个木块上时速度为v ',而第10个木块运动的速度为V ',并设木块运动的距离为s ,则M 运动的距离为l s +,有:

s

a V l s a v v m M 2)(2222='++='

t

a V t

a v v m M ='+='

消去s 及t 求出:??

?='-='???='='s

m V s m v s m V s m v /23.0/26.0/212.0/611

.0或,显然后一解不合理应舍去. 因V v '>',故M 将运动到第10个木块上.

再设M 运动到第10个木块的边缘时速度为v '',这时木块的速度为V '',则:

)(222l s a v v M +'+'=''

解得:0463.12

<'--=''s v ,故M 不能滑离第10个木块,只能停在它的表面上,最后和木块一起静止在地面上.

例14 如图6—10所示,质量为m 的长方形箱子,放在光滑 的水平地面上. 箱内有一质量也为m 的小滑块,滑块与箱底间无摩 擦. 开始时箱子静止不动,滑块以恒定的速度v 0从箱子的A 壁处向 B 处运动,后与B 壁碰撞. 假设滑块与箱壁每碰撞一次,两者相对 速度的大小变为该次碰撞前相对速度的e 倍,.2

14

=e (1)要使滑块与箱子这一系统消耗的总动能不超过其初始动能的40%,滑块与箱壁最多可碰撞几次?

(2)从滑块开始运动到刚完成上述次数的碰撞期间,箱子的平均速度是多少?

解析 由于滑块与箱子在水平方向不受外力,故碰撞时系统水平方向动量守恒. 根据题

目给出的每次碰撞前后相对速度之比,可求出每一次碰撞过程中动能的损耗.滑块开始运动到完成题目要求的碰撞期间箱子的平均速度,应等于这期间运动的总位移与总时间的比值. (1)滑块与箱壁碰撞,碰后滑块对地速度为v ,箱子对地速度为u . 由于题中每次碰撞的e 是一样的,故有:

1

1112

20011----==--=--=

n n n n

u v v u u v v u u v v u e 或11112

20110----==--=--=

-n n n n

u v u v u v u v v u v e 1

1112

2011)(----??--?-=

-n n n n

n u v u v u v u v v u v e 即碰撞n 次后0)(v e u v n n n -=- ①

碰撞第n 次的动量守恒式是0mv mu mv n n =+ ② ①、②联立得00])(1[2

1

])(1[21

v e u v e v n n n n --=-+=

第n 次碰撞后,系统损失的动能

)(2

1212220n n kn k kn u v m mv E E E +-=

-=? k

n n n E e m v e e m v m v 2

12121)1(412122

0222

020-=?-=+-=

下面分别讨论:

当146.02

21

12

1,12

=-=

-=?=e E E n k kl 时

25.02

21

12

1,24

2=-=-=?=e E E n k k 时

323.02

21

2112

1,36

3=-

=

-=?=e E E n k k 时

375.02

41

12

1,48

4=-=-=?=e E E n k k 时

412.02

21

4112

1,510

5=-

=

-=?=e E E n k k 时 因为要求的动能损失不超过40%,故n=4.

(2)设A 、B 两侧壁的距离为L ,则滑块从开始运动到与箱壁发生第一次碰撞的时间

00v L t =

. 在下一次发生碰撞的时间0

111||ev L v u L t =-=,共碰撞四次,另两次碰撞的时间分别为022v e L t =

、0

33v e L t =,所以总时间).1(3

203

3210e e e v e L t t t t t +++=+++= 在这段时间中,箱子运动的距离是:

3322110t u t u t u s +++=

)1(2222222)1(21)1(21)1(21323320

303020200e e e e

L

L e L L e L L e L v e L

v e v e L v e ev L v e +++=+++-+=

?++?-+?+=

所以平均速度为:2)1()1(203

20

33

23v e e e v e L e e e e L t s v =++++++== 例15 一容积为1/4升的抽气机,每分钟可完成8次抽气动作. 一容积为1升的容器与此抽气筒相连通. 求抽气机工作多长时间才能使容器内的气体的压强由76mmmHg 降为1.9mmHg.(在抽气过程中容器内的温度保持不变)

解析 根据玻一马定律,找出每抽气一次压强与容器容积和抽气机容积及原压强的关系,然后归纳递推出抽n 次的压强表达式.

设气体原压强为p 0,抽气机的容积为V 0,容器的容积为V . 每抽一次压强分别为p 1、p 2、…,则由玻一马定律得:

第一次抽气后:)(010V V p V p += ① 第二次抽气后:)(021V V p V p += ② 依次递推有:)(032V V p V p += ③

)(01V V p V p n n +=- ○n

由以上○n 式得:)

lg(lg

)(

000

v

V V p p n p V V V

p n

n n +=+=所以

代入已知得:2725.1lg 400

lg ==

n (次)

工作时间为:38.38

27

==

t 分钟 例16 使一原来不带电的导体小球与一带电量为Q 的导体大球接触,分开之后,小球获得电量q. 今让小球与大球反复接触,在每次分开有后,都给大球补充电荷,使其带电量恢复到原来的值Q. 求小球可能获得的最大电量.

解析 两个孤立导体相互接触,相当于两个对地电容并联,设两个导体球带电Q 1、Q 2,由于两个导体球对地电压相等,

故有

k C C C Q Q Q C C Q Q C Q C Q =+=+==2

11

21121212211,,亦即即, 所以k Q Q k Q ),(21+=为常量,此式表明:带电(或不带电)的小球跟带电大球接触后,小球所获得的电量与总电量的比值不变,比值k 等于第一次带电量q 与总电量Q 的比值,即.Q

q

k =

根据此规律就可以求出小球可能获得的最大电量. 设第1、2、…、n 次接触后小球所带的电量分别为q 1、q 2、…,有:

q

k q k kq q q Q k q q k kq q kq kQ q Q k q kq

q q Q k q q

kQ q n n n 1212223121)()()(--++++=+=++=+=+=+=+===

由于1

q

Q qQ

Q q q k

q q n -=-=-=

11 即小球与大球多次接触后,获得的最大电量为

.q

Q qQ

- 例17 在如图6—11所示的电路中,S 是一单刀双掷开关,A 1和A 2为两个平行板电容器,S 掷向a 时,A 1获电荷电量为Q ,当S 再掷向b 时,A 2获电荷电量为q. 问经过很多次

S 掷向a ,再掷向b 后,A 2将获得多少电量?

解析 S 掷向a 时,电源给A 1充电,S 再掷向b ,A 1给A 2充电,在经过很多次重复的过程中,A 2的带电量越来越多,两板间电压越来越大. 当A 2的电压等于电源电压时,A 2的带电量将不再增加. 由此可知A 2最终将获得电量q 2=C 2E.

因为E C Q 1= 所以E

Q C =

1 当S 由a 第一次掷向b 时,有:

2

1C q

C q Q =

- 所以E

q Q Qq

C )(2-=

解得A 2最终获得的电量 q

Q Qq

q -=

2 例18 电路如图6—12所示,求当R '为何值时, R AB 的阻值与“网络”的“格”数无关?此时R AB 的阻 值等于什么? 解析 要使R AB 的阻值与“网络”的“格”数无关,则图中CD 间的阻值必须等于R '才行.

所以有

R R

R R R

R R '=+'+'+222)2( 解得R R )15(-='

此时AB 间总电阻R R AB )15(+=

例19 如图6—13所示,在x 轴上方有垂直于xy 平面向里 的匀强磁场,磁感应强度为B ,在x 轴下方有沿y 轴负方向的匀 强电场,场强为E. 一质量为m ,电量为-q 的粒子从坐标原点O 沿着y 轴方向射出. 射出之后,第三次到达x 轴时,它与O 点的 距离为L. 求此粒子射出时的速度v 和每次到达x 轴时运动的总 路程s.(重力不计)

解析 粒子进入磁场后做匀速圆周运动,经半周后通过x 轴进入电场后做匀减速直线运动,速度减为零后,又反向匀加 速通过x 轴进入磁场后又做匀速圆周运动,所以运动有周期性. 它第3次到达x 轴时距O 点的距离L 等于圆半径的4倍(如图 6—13甲所示)

粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为 4

L

Bq m v R ==

所以粒子射出时的速度 m

B q L

v 4=

粒子做圆周运动的半周长为 4

1L

s π=

粒子以速度v 进入电场后做匀减速直线运动,能深入的最大距离为y ,

因为y m

Eq ay v 2

22

== 所以粒子在电场中进入一次通过的路程为 mE

qL B y s 1622

22==

粒子第1次到达x 轴时通过的路程为 4

1L

R s ππ=

?=

粒子第2次到达x 轴时,已通过的路程为 mE

qL B L

s s s 16422212+=+=π 粒子第3次到达x 轴时,已通过的路程为 mE

qL B L

s s s s 162221213+=++=π 粒子第4次到达x 轴时,已通过的路程为 mE

qL B L

s s s 822222214+=+=π 粒子第)12(-n 次到达x 轴时,已通过的路程为

mE

qL B n L n s n ns s n 16)1(4)1(2

221)

12(-+=-+=-π

粒子第2n 次到达x 轴时,已通过的路程为 )164()(2

2212mE

qL B L

n s s n s n +=+=π

上面n 都取正整数.

2007年第38届国际物理奥林匹克理竞赛实验题答案

Solution (The Experimental Question): Task 1 1a. nominal =5′=0.08 nominal (degree) 0.08 If a is the distance between card and the grating and r is the distance between the hole and the light spot so we have ,...,21x x f 0,2 tan a r We want 0 to be zero i.e. r 04.0007.0170,10 rad rad mm a mm r 0 0.4range of visible light (degree) 13 26 中 华 物 理 .c o m 中华物理竞赛网 https://www.doczj.com/doc/6d13651829.html, 官方网站 圣才学习网 https://www.doczj.com/doc/6d13651829.html,

1c. min R (21.6±0.1) k 0 5′ = 0.081min R R=(192±1) k 0=5′ because = 5′ => R= (21.9±0.1) k =-5′ => R= (21.9±0.1) k 1d. Table 1d. The measured parameters (degree) R glass (M )R glass (M )R film (M )R film (M ) 15.00 3.770.03183315.50 2.580.02132216.00 1.880.0187116.50 1.190.0151.50.517.000.890.0133.40.317.500.680.0119.40.118.000.4860.00510.40.118.500.3650.005 5.400.0319.000.2740.003 2.660.0219.500.2250.002 1.420.0120.000.2000.0020.8800.00520.500.2270.0020.8220.00521.000.3680.003 1.1230.00721.500.6000.005 1.610.0122.000.7750.005 1.850.0122.500.830.01 1.870.0123.000.880.01 1.930.0223.50 1.010.01 2.140.0224.00 1.210.01 2.580.0224.50 1.540.01 3.270.0225.00 1.910.01 4.130.0216.25 1.380.0166.50.516.75 1.000.0140.00.317.250.720.0123.40.217.750.5350.00512.80.118.250.3910.003 6.830.0518.750.2930.003 3.460.0219.250.2350.003 1.760.0119.750.1950.0020.9880.00520.250.2010.0020.7760.00520.75 0.273 0.003 0.89 0.01 中 华 物 理 竞 赛 网 w w w .100w u l i .c o m 中华物理竞赛网 https://www.doczj.com/doc/6d13651829.html, 官方网站 圣才学习网 https://www.doczj.com/doc/6d13651829.html,

高中奥林匹克物理竞赛解题方法之七对称法

例1:沿水平方向向一堵竖直光滑的墙壁抛出一个弹性小球A , 抛出点离水平地面的高度为h ,距离墙壁的水平距离为s , 小球与墙壁发生弹性碰撞后,落在水平地面上,落地点距墙壁的水平距离为2s ,如图7—1所示. 求小球抛出时的初速度. 解析:因小球与墙壁发生弹性碰撞, 故与墙壁碰撞前后入射速度与反射速度具有对称性, 碰撞后小球的运 动轨迹与无墙壁阻挡时小球继续前进的轨迹相对称,如图7—1—甲所示,所以小球的运动可以转换为平抛运动处理, 效果上相当于小球从A ′点水平抛出所做的运动. 根据平抛运动的规律:?? ? ??==2 021gt y t v x 因为抛出点到落地点的距离为3s ,抛出点的高度为h 代入后可解得:h g s y g x v 2320 == 例2:如图7—2所示,在水平面上,有两个竖直光滑墙壁A 和B ,间距为d , 一个小球以初速度0v 从两墙正中间的O 点斜向上抛出, 与A 和B 各发生一次碰撞后正好落回抛出点O , 求小球的抛射角θ. 解析:小球的运动是斜上抛和斜下抛等三段运动组成, 若按顺序求解则相当复杂,如果视墙为一平面镜, 将球与墙的弹性碰撞等效为对平面镜的物、像移动,可利用物像对称的规律及斜抛规律求解. 物体跟墙A 碰撞前后的运动相当于从O ′点开始的斜上抛运动,与B 墙碰后落于O 点相当于落到O ″点,其中O 、O ′关于A 墙对称,O 、O ″对于B 墙对称,如图7—2—甲所示,于是有 ? ??==?? ???-==0221sin cos 200y d x gt t v y t v x 落地时θθ 代入可解得2 202arcsin 2122sin v dg v dg == θθ 所以抛射角 例3:A 、B 、C 三只猎犬站立的位置构成一个边长为a 的正三角形,每只猎犬追捕猎物的速度均为v ,A 犬想追捕B 犬,B 犬 想追捕C 犬,C 犬想追捕A 犬,为追捕到猎物,猎犬不断调整方向,速度方向始终“盯”住对方,它们同时起动,经多长时间可捕捉到猎物? 解析:以地面为参考系,三只猎犬运动轨迹都是一条复杂的曲线,但根据对称性,三只猎犬最后相交于 三角形的中心点,在追捕过程中,三只猎犬的位置构成三角形的形状不变,以绕点旋转的参考系来描述,可认为三角形不转动,而是三个顶点向中心靠近,所以只要求出顶点到中心运动的时间即可. 由题意作图7—3, 设顶点到中心的距离为s ,则由已知条件得 a s 3 3 = 由运动合成与分解的知识可知,在旋转的参考系中顶点向中心运动的速度为 v v v 2330cos = =' 由此可知三角形收缩到中心的时间为 v a v s t 32='= 此题也可以用递推法求解,读者可自己试解. 例4:如图7—4所示,两个同心圆代表一个圆形槽,质量为m ,内外半径几乎同为R. 槽内A 、B 两处分别放有一个质量也为m 的小球,AB 间的距离为槽的直径. 不计一切摩擦. 现将系统置于光滑水平面上,开始时槽静止,两小球具有垂直于AB 方向的速度v ,试求两小球第一次相距R 时,槽中心的速度0v . 解析:在水平面参考系中建立水平方向的x 轴和y 轴. 由系统的对称性可知中心或者说槽整体将仅在x 轴方向上 运动。设槽中心沿x 轴正方向运动的速度变为0v ,两小球相对槽心做角速度大小为ω的圆周运动,A 球处于

第二十六届全国中学生物理竞赛(北京赛区)

第二十六届全国中学生物理竞赛(赛区) (实验中学杯) 获 奖 名 单 北京物理学会 市中学生物理竞赛委员会 2009年11月5日

简报 全国中学生物理竞赛是经教育部批准,在中国科协领导下,由中国物理学会主办,中学生自愿参加的学科竞赛。竞赛的目的是促进中学生提高学习物理的兴趣、扩大学生的视野、增强学习能力,促进学校开展物理课外活动,为学有余力的学生提供发展空间。 第26届全国中学生物理竞赛(赛区)于9月6日举行了预赛(4100人参加)、9月19日举行复赛理论考试(398人参加)、9月27日进行复赛实验操作考试。经过预赛、复赛,评出赛区一等奖34名、二等奖120名、三等奖165名,优秀辅导教师奖多名。 根据教育部有关文件规定,凡荣获全国中学生物理竞赛省市赛区一等奖的学生,将获得下一年度全国高等学校高考保送生资格。 市代表队由17名选手组成,于10月31日—11月5日参加在XX市举行的全国中学生物理竞赛决赛。全国决赛经过理论考试、实验操作考试,评出一等奖50名、二等奖98名、三等奖132名。人大附中俞颐超、实验中学于乾、清华附中戴哲昊、人大附中生冀明、十一学校周琛同学荣获一等奖;十一学校王鹤、八中周叶、四中李新然、人大附中段嘉懿、十一学校孙伟伦、杜超同学荣获二等奖;北师大二附中王沫阳、四中熊泓宇、十一学校梁辰、四中贾弘洋、人大附中X金野、北大附中王焱同学荣获三等奖。人大附中俞颐超同学荣获决赛总成绩最佳奖(第一名)和理论成绩最佳奖(第一名)。 在国际奥林匹克物理竞赛的成绩: 2009年5月,人大附中管紫轩、X思卓同学在第十届亚洲中学生物理竞赛中均获得金牌;2009年7月,人大附中管紫轩同学在墨西哥举行的第四十届国际奥林匹克物理竞赛中获得金牌。 本届竞赛还得到了北师大附属实验中学、十一学校大力支持。在此,物理学会、市中学生物理竞赛委员会向支持本届物理竞赛工作的单位和个人表示衷心的感谢。 北京物理学会 市中学生物理竞赛委员会 2009年11月5日

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 10图像法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 十、图像法 方法简介 图像法是根据题意把抽象复杂的物理过程有针对性地表示成物理图像,将物理量间的代数关系转变为几何关系,运用图像直观、形象、简明的特点,来分析解决物理问题,由此达到化难为易,化繁为简的目的,图像法在处理某些运动问题,变力做功问题时是一种非常有效的方法。 赛题精讲 例1:一火车沿直线轨道从静止发出由A 地驶向B 地,并停止在B 地。AB 两地相距s ,火 车做加速运动时,其加速度最大为a 1,做减速运动时,其加速度的绝对值最大为a 2,由此可可以判断出该火车由A 到B 所需的最短时间为 。 解析:整个过程中火车先做匀加速运动,后做匀减速运动,加速度最大时,所用时间最短,分段运动可用图像法来解。 根据题意作v —t 图,如图11—1所示。 由图可得1 1t v a = vt t t v s t v a 21)(21212 2=+== 由①、②、③解得2 121)(2a a a a s t += 例2:两辆完全相同的汽车,沿水平直路一前一后匀速行驶,速度为v 0,若前车突然以恒定 的加速度刹车,在它刚停住时,后车以前车刹车时的加速度开始刹车。已知前车在刹车过程中所行的距离为s ,若要保证两辆车在上述情况中不相碰,则两车在做匀速行驶时保持的距离至少为 ( ) A .s B .2s C .3s D .4s 解析:物体做直线运动时,其位移可用速度——时间图像 中的面积来表示,故可用图像法做。 作两物体运动的v —t 图像如图11—2所示,前车发 生的位移s 为三角形v 0Ot 的面积,由于前后两车的刹车 加速度相同,根据对称性,后车发生的位移为梯形的面积 S ′=3S ,两车的位移之差应为不相碰时,两车匀速行驶 时保持的最小车距2s. 所以应选B 。 ① ② ③ 图11—2

高中物理竞赛流程详细解析

高中物理竞赛流程详细解析 高中物理竞赛国内竞赛主要分为:物理竞赛预赛、物理竞赛复赛、物理竞赛决赛三个流程,国际性赛事分为国际物理奥林匹克竞赛和亚洲物理奥林匹克竞赛。 一、全国中学生物理竞赛预赛(CPhO) 1、高中物理竞赛入门级赛事,每年9月上旬举办(也就是秋学期开学),由全国竞赛委员会统一命题,各省市、学校自行组织,所有中学生均可报名; 2、考试形式:笔试,共3小时,5道选择题、每题6分,5道填空题、每题10分,6道大题、每题20分,共计200分; 3、考试主要考力学、热学、电磁学、光学、近代物理等相关内容(回台回复“物竞考纲”查看明细); 4、比赛分别设置了一等奖、二等奖和三等奖,因为预赛主要是各省市为了选拔复赛选手而筹备的,所以一般一等奖可以参加复赛。 5、一般来说,考完试后2~3天即可在考点查询成绩。 二、全国中学生物理竞赛复赛(CPhO) 1、高中阶段最重要的赛事,其成绩对于自主招生及参加清北学科营等有直接影响,每年9月下旬举办(也就是预赛结束后)。 2、复赛分为笔试+实验: 笔试,共3小时,8道大题,每题40分,共计320分; 实验,共90分钟,2道实验,每道40分,共计80分; 总分400分。 3、笔试由全国竞赛委员会统一命题,各省市自行组织、规定考点,大多数省份只有预赛一等奖的同学可以参加; 实验由各省市自行命题,根据笔试成绩组织前几十名左右考生参加(也就是说实验不是所有人都考,只有角逐一等奖的同学才参加),最终根据实验和笔试的总成绩评定出一等奖、二等奖、三等。 4、各省市的实验时间稍有不同,具体可参考当地往年的考试时间。 5、考试内容在预赛的基础上稍有增加,具体考纲后台回复“物竞考纲”查看。 6、比赛设置了一等奖、二等奖、三等奖,也就是我们常说的省一、省二、省三,其中各省省一前几名入选该省省队,可参加决赛。 7、成绩有什么用? 省一等奖可基本满足除清华、北大、复旦以外其他985/211高校的自主招生条件; 省二等奖可满足部分985/211高校的自主招生条件; 省三等奖可满足大部分211学校的自主招生条件。 8、各省省队成员可参加清北金秋营、冬令营,并根据成绩获得降分优惠。

高中物理竞赛(解题方法:整体法)

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 、整体法 方法简介 整体是以物体系统为研究对象,从整体或全过程去把握物理现象的本质和规律,是一种把具 有相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的多个物体,多个状态,或者多个物理变化过程组合 作为一个融洽加以研究的思维形式。整体思维是一种综合思维,也可以说是一种综合思维,也是多 种思维的高度综合,层次深、理论性强、运用价值高。因此在物理研究与学习中善于运用整体研究 分析、处理和解决问题,一方面表现为知识的综合贯通,另一方面表现为思维的有机组合。灵活运 用整体思维可以产生不同凡响的效果,显现“变”的魅力, 把物理问题变繁为简、变难为易。 赛题精讲 例1如图1—1所示,人和车的质量分别为m和M,人用水 平力F拉绳子,图中两端绳子均处于水平方向,不计滑轮质量及摩 擦,若人和车保持相对静止,且水平地面是光滑的,则车的加速度为 ________________________________________________ . 解析:要求车的加速度,似乎需将车隔离出来才能求解,事实 上,人和车保持相对静止,即人和车有相同的加速度,所以可将人和车看做一个整体,对整体用 牛顿第二定律求解即可 将人和车整体作为研究对象,整体受到重力、水平面的支持力和两条绳的拉力 向重力与支持力平衡,水平方向绳的拉力为2F,所以有: 2F=(M+m)a,解得: 2F a M m 例2用轻质细线把两个质量未知的小球悬挂起来,如图 1 —2所示,今对小球a持续施加一个向左偏下30°的恒力,并对小球b持续施加一个向右 偏上30°的同样大小的恒力,最后达到平衡,表示平衡状态的图可能是 ?在竖直方解析

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 一 整体法

一、整体法 方法简介 整体是以物体系统为研究对象,从整体或全过程去把握物理现象的本质和规律,是一种把具有相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的多个物体,多个状态,或者多个物理变化过程组合作为一个融洽加以研究的思维形式。整体思维是一种综合思维,也可以说是一种综合思维,也是多种思维的高度综合,层次深、理论性强、运用价值高。因此在物理研究与学习中善于运用整体研究分析、处理和解决问题,一方面表现为知识的综合贯通,另一方面表现为思维的有机组合。灵活运用整体思维可以产生不同凡响的效果,显现“变”的魅力,把物理问题变繁为简、变难为易。 赛题精讲 例1:如图1—1所示,人和车的质量分别为m 和M , 人用水平力F 拉绳子,图中两端绳子均处于水平方向,不 计滑轮质量及摩擦,若人和车保持相对静止,且水平地面 是光滑的,则车的加速度为 。 解析:要求车的加速度,似乎需将车隔离出来才能求 解,事实上,人和车保持相对静止,即人和车有相同的加 速度,所以可将人和车看做一个整体,对整体用牛顿第二 定律求解即可。 将人和车整体作为研究对象,整体受到重力、水平面的支持力和两条绳的拉力。在竖直方向重力与支持力平衡,水平方向绳的拉力为2F ,所以有: 2F = (M + m)a ,解得:a =2F M m 例2:用轻质细线把两个质量未知的小球悬挂起来,如图1—2所示,今对小球a 持续施加一个向左偏下30°的恒力,并对小球b 持续施加一个向右偏上30°的同样大小的恒力,最后达到平衡,表示平衡状态的图可能是( ) 解析:表示平衡状态的图是哪一个,关键是要求出两条轻质细绳对小球a 和小球b 的拉力的方向,只要拉力方向求出后,。图就确定了。 先以小球a 、b 及连线组成的系统为研究对象,系统共受五个力的作用,即两个重力(m a + m b )g ,作用在两个小球上的恒 力F a 、F b 和上端细线对系统的拉 力T 1 。因为系统处于平衡状态, 所受合力必为零,由于F a 、F b 大

镜像法-高中物理竞赛讲义

镜像法 思路 用假想的镜像电荷代替边界上的感应电荷。 保持求解区域中场方程和边界条件不变。 使用范围:界面几何形状较规范,电荷个数有限,且离散分布于有限区域。 使用范围 界面几何形状较规范,电荷个数有限,且离散分布于有限区域。 步骤 确定镜像电荷的大小和位置。 去掉界面,按原电荷和镜像电荷求解所求区域场。 求解边界上的感应电荷。 求解电场力。 平面镜像1 点电荷对平面的镜像 (a) 无限大接地导体平面上方有点电荷q (b)用镜像电荷-q代替导体平面上方的感应电荷 图4.4.1 点电荷的平面镜像 在无限大接地导体平面(YOZ平面)上方有一点电荷q,距离导体平面的高度为h。 用位于导体平面下方h处的镜像电荷-q代替导体平面上的感应电荷,边界条件维持不变,即YOZ平面为零电位面。 去掉导体平面,用原电荷和镜像电荷求解导体上方区域场,注意不能用原电荷和镜像电荷求解导体下方区域场。

电位: (4.4.2.1 ) 电场强度: (4.4.2.2) 其中, 感应电荷:=> (4.4.2.3) 电场力: (4.4.2.4) 图4.4.2 点电荷的平面镜像图4.4.3 单导线的平面镜像 无限长单导线对平面的镜像 与地面平行的极长的单导线,半径为a,离地高度为h。

用位于地面下方h处的镜像单导线代替地面上的感应电荷,边界条件维持不变。 将地面取消而代之以镜像单导线(所带电荷的电荷密度为) 电位: (4.4.2.5) 对地电容 : (4.4.2.6 平面镜像2 无限长均匀双线传输线对平面的镜 像 与地面平行的均匀双线传输线, 半径为a,离地高度为h,导线间距离为d, 导线一带正电荷+,导线二带负电荷-。 用位于地面下方h处的镜像双 导线代替地面上的感应电荷,边界条件维 持不变。 将地面取消而代之以镜像双导线。 图 4.4.4 无限长均匀传输线对地面的镜像 求解电位: (4.4.2.8) (4.4.2.9)

高中物理竞赛解题方法之降维法例题

十三、降维法 方法简介 降维法是将一个三维图变成几个二维图,即应选两个合适的平面去观察,当遇到一个空间受力问题时,将物体受到的力分解到两个不同平面上再求解。由于三维问题不好想像,选取适当的角度,可用降维法求解。降维的优点是把不易观察的空间物理量的关系在二维图中表示出来,使我们很容易找到各物理量之间的关系,从而正确解决问题。 赛题精讲 例1:如图13—1所示,倾角θ=30°的粗糙斜面上放一物体,物体重为G ,静止在斜面上。现用与斜面底边平行的力F=G/2推该物体,物体恰好在斜面内做匀速直线运动,则物体与斜面间的动摩擦因数μ等于多少?物体匀速运动的方向如何? 解析:物体在重力、推力、斜面给的支持力和摩擦力四个力的作用下做匀速直线运动,所以受力平衡。但这四个力不在同一平面内,不容易看出它们之间的关系。我们把这些力分解在两个平面内,就可以将空间问题变为平面问题,使问题得到解决。 将重力沿斜面、垂直于斜面分解。我们从上面、侧面观察,图13—1—甲、图13—1—乙所示。 如图13—1—甲所示,推力F 与重力沿斜面的分力G 1的合力F ′为: G G F F 2 22 12 = += ' F ′的方向沿斜面向下与推力成α角, 则 ?=∴== 451 tan 1ααF G 这就是物体做匀速运动的方向 物体受到的滑动摩擦力与F ′平衡,即 2/2G F f = '= 所以摩擦因数:3 630cos 2/2=? ==G G F f N μ 例2:如图13—2所示,一个直径为D 的圆柱体,其侧面刻有螺距为h 的光滑的螺旋形凹槽,槽内有一小球,为使小球能自由下落,必须要以多大的加速度来拉缠在圆柱体侧面的绳子? 解析:将圆柱体的侧面等距螺旋形凹槽展开成为平面上的斜槽,如图13—2—甲所示,当圆柱体转一周,相当于沿斜槽下降一个螺距h ,当圆柱转n 周时,外侧面上一共移动的

全国高中物理奥林匹克竞赛试卷及答案

高中物理竞赛试卷 .一、选择题.本题共5小题,每小题6分.在每小题给出的4 个项中,有的小题只有一项符合题意,有的小题有多项符合题意.把符合题意的选项前面的英文字母写在每小题后面的方括号内.全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错或不答的得0分. 1.(6分)一线膨胀系数为α的正立方体物块,当膨胀量较小时,其体膨胀系数等于 A.αB.α1/3C.α3D.3α 2.(6分)按如下原理制作一杆可直接测量液体密度的秤,称为密度秤,其外形和普通的杆秤差不多,装秤钩的地方吊着一体积为1 cm3的较重的合金块,杆上有表示液体密度数值的刻度,当秤砣放在Q点处时秤杆恰好平衡,如图所示.当合金块完全浸没在待测密度的液体中时,移动秤砣的悬挂点,直至秤杆恰好重新平衡,便可直接在杆秤上读出液体的密度,下列说法中错误的是 A.密度秤的零点刻度在Q点 B.秤杆上密度读数较大的刻度在较小的刻度的左边 C.密度秤的刻度都在Q点的右侧 D.密度秤的刻度都在Q点的左侧 3.(6分)一列简谐横波在均匀的介质中沿x轴正向传播,两质点P1和 p2的平衡位置在x轴上,它们相距60cm,当P1质点在平衡位置处向上运动时,P2质点处在波谷位置,若波的传播速度为24m/s,则该波的频率可能为 A.50Hz B.60Hz C.400Hz D.410Hz 4.(6分)电磁驱动是与炮弹发射、航空母舰上飞机弹射起飞有关的一种新型驱动 方式.电磁驱动的原理如图所示,当直流电流突然加到一固定线圈上,可以将置于 线圈上的环弹射出去.现在同一个固定线圈上,先后置有分别用铜、铝和硅制成的 形状、大小和横截面积均相同的三种环,当电流突然接通时,它们所受到的推力分 别为F1、F2和F3。若环的重力可忽略,下列说法正确的是 A. F1> F2> F3 B. F2> F3> F1 C. F3> F2> F1 D. F1 = F2 = F3 5.(6分)质量为m A的A球,以某一速度沿光滑水平面向静止的B球运动,并与B球发生弹性正碰,假设B球的质量m B可选取为不同的值,则 A.当m B=m A时,碰后B球的速度最大 B.当m B=m A时,碰后B球的动能最大 C.在保持m B>m A的条件下,m B越小,碰后B球的速度越大 D.在保持m B

物理竞赛之国际物理奥林匹克竞赛赛事流程

国际物理奥林匹克竞赛赛事流程 每一代表队包括5名年龄在20岁以下的中学生、1名领队和1名副领队,国际间旅费自负,东道国负责竞赛期间各队的食宿和旅游费用。各国可自派观察员参加,费用由派出国自筹。 赛期一般为9天。第1天报到后,队员和领队分开居住,住地一般相距几公里以上。东道国为每一参赛队学生配备1名翻译兼导游,这对东道国来说是一种很大的负担,有些国家难以承办IPhO活动,其部分原因也在于此。因华裔子弟遍布世界各地,东道国为我们代表队配备的翻译几乎都是在该国读研究生的华人学子。 第2天上午是开幕式,常在大学礼堂举行,气氛淡雅肃穆,学术气氛浓厚。开幕式后领队与队员暂不往来,且自觉地互不通电话联系,有事均通过翻译转达。第2天下午学生由主办者组织旅游或参观,领队们则参加本届国际委员会正式会议并集体讨论、修改和通过理论赛题,再由各国领队将题文翻译成本国文字,交由组委会复印。会议开始时,各国领队与观察员分别就座,组委会执行主席及其助手们的座位安排在正前方。东道国将3道理论题的题文和题解,以及评分标准的4种文本(英、俄、德、法)之一发给各国领队。大约一小时后,命题者代表用英语向大家介绍该题的命题思想及解题思路等,然后大会讨论,提出修改意见,最后通过这道理论题。3道题逐题进行,若其中某道题被否决,组委会便公开备用的第4道题。 3道题通过后常已近深夜,这期间除晚餐外,还供应饮料和点心。中国领队们而后所做的翻译工作,一般都会持续到次日清晨6点左右,真可谓"通宵达旦"。

第3天上午8点开始,学生们进行5小时的理论考试,其间有饮料和点心供应,学生们用本国文字答卷。组委会为领队们安排旅游或参观活动;尽管大多数人已经非常疲乏,也许因为身临异国他乡,仍是游兴十足。第3天下午东道国安排的休息性活动常能使领队与学生有机会见面,然而师生间很少谈及上午的考试,为的是不在情绪上影响后面的实验考试。 第4天讨论、修改、通过及翻译实验赛题。实验赛题为1-2道,2道居多。 第5天学生分为两组,分别在上、下午进行5小时的实验考试。若有2道题,则每题2。5小时。实验考试后学生们的紧张情绪骤然间消失,队与队之间频繁交往,学生们"挨门串户"地互赠小礼品,最受欢迎的当数各国硬币。此时,领队们开始悉心研究由组委会送来的本队队员的试卷复印件,上面有评分结果。分数由东道国专设的阅卷小组评定,在评定我国学生试卷时,常请另一位懂中文的研究生协助阅读试卷上的中文内容。 东道国通常在第6、7天安排各国领队与阅卷小组成员面谈,商讨和解决评分中可能出现的差错和意见分歧。第7天的下午或晚上举行最后一次国际委员会会议,多数领队借此机会互赠小礼品。会议最重要的议程是通过学生的获奖名单。理论题每题10分,满分30分;实验题若有2道,则每题10分,满分20分。按现在的章程规定,前三名选手的平均积分计为100%,积分达90%者,授予一等奖(金牌);积分低于90%而达78%者,授予二等奖(银牌);积分低于78%而达65%者,授予三等奖(铜牌);积分低于65%而达50%者,授予表扬奖;积分低于50%者,发给参赛证书。上述评奖积分界限均舍尾取整。例如第24届IPhO前三名平均积分为40。53分,其90%为36。48,取整为36分,即成金牌分数线。通常得奖人数占参赛人数的一半。金牌第1名被授予特别奖。此外,还可由东道国自设各种特别奖,例如女生最佳奖、

高中物理竞赛 解题 方法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 五、极限法 方法简介 极限法是把某个物理量推向极端,即极大和极小或极左和极右,并依此做出科学的推理分析,从而给出判断或导出一般结论。极限法在进行某些物理过程的分析时,具有独特作用,恰当应用极限法能提高解题效率,使问题化难为易,化繁为简,思路灵活,判断准确。因此要求解题者,不仅具有严谨的逻辑推理能力,而且具有丰富的想象能力,从而得到事半功倍的效果。 赛题精讲 例1:如图5—1所示, 一个质量为m 的小球位于一质量可忽略的直立 弹簧上方h 高度处,该小球从静止开始落向弹簧,设弹簧的劲度 系数为k ,则物块可能获得的最大动能为 。 解析:球跟弹簧接触后,先做变加速运动,后做变减速运动,据此推理, 小球所受合力为零的位置速度、动能最大。所以速最大时有 mg =kx ① 图5—1 由机械能守恒有 22 1)(kx E x h mg k +=+ ② 联立①②式解得 k g m m g h E k 2 221?-= 例2:如图5—2所示,倾角为α的斜面上方有一点O ,在O 点放一至 斜面的光滑直轨道,要求一质点从O 点沿直轨道到达斜面P 点 的时间最短。求该直轨道与竖直方向的夹角β。 解析:质点沿OP 做匀加速直线运动,运动的时间t 应该与β角有关, 求时间t 对于β角的函数的极值即可。 由牛顿运动定律可知,质点沿光滑轨道下滑的加速度为 βcos g a = 该质点沿轨道由静止滑到斜面所用的时间为t ,则 OP at =22 1 所以β cos 2g OP t = ① 由图可知,在△OPC 中有 图5—2

) 90sin()90sin(βαα-+=- OC OP 所以) cos(cos βαα-=OC OP ② 将②式代入①式得 g OC g OC t )]2cos([cos cos 4)cos(cos cos 2βαααβαβα-+=-= 显然,当2,1)2cos(αββα= =-即时,上式有最小值. 所以当2α β=时,质点沿直轨道滑到斜面所用的时间最短。 此题也可以用作图法求解。 例3:从底角为θ的斜面顶端,以初速度0υ水平抛出一小球,不计 空气阻力,若斜面足够长,如图5—3所示,则小球抛出后, 离开斜面的最大距离H 为多少? 解析:当物体的速度方向与斜面平行时,物体离斜面最远。 以水平向右为x 轴正方向,竖直向下为y 轴正方向, 则由:gt v v y ==θtan 0,解得运动时间为θtan 0g v t = 该点的坐标为 θθ2202200tan 221tan g v gt y g v t v x ==== 由几何关系得:θθtan cos /x y H =+ 解得小球离开斜面的最大距离为 θθsin tan 220?=g v H 。 这道题若以沿斜面方向和垂直于斜面方向建立坐标轴,求解则更加简便。 例4:如图5—4所示,一水枪需将水射到离喷口的水平距离为3.0m 的墙外, 从喷口算起, 墙高为4.0m 。 若不计空气阻力,取 2/10s m g =,求所需的最小初速及对应的发射仰角。 解析:水流做斜上抛运动,以喷口O 为原点建立如图所示的 直角坐标,本题的任务就是水流能通过点A (d 、h )的最小初速度和发射仰角。 图5— 3 图5—4

高中奥林匹克物理竞赛解题方法+12类比法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 十二、类比法 方法简介 类比法是根据两个研究对象或两个系统在某些属性上类似而推出其他属性也类似的思维方法,是一种由个别到个别的推理形式. 其结论必须由实验来检验,类比对象间共有的属性越多,则类比结论的可靠性越大. 在研究物理问题时,经常会发现某些不同问题在一定范围内具有形式上的相似性,其中包括数学表达式上的相似性和物理图像上的相似性. 类比法就是在于发现和探索这一相似性,从而利用已知系统的物理规律去寻找未知系统的物理规律. 赛题精讲 例1 图12—1中AOB是一内表面光滑的楔形槽,固定 在水平桌面(图中纸面)上,夹角(为了能看清楚, 图中画的是夸大了的). 现将一质点在BOA面内从A处以 速度射出,其方向与AO间的夹角 设质点与桌面间的摩擦可忽略不计,质点与OB面及OA面的 碰撞都是弹性碰撞,且每次碰撞时间极短,可忽略不计,试求: (1)经过几次碰撞质点又回到A处与OA相碰?(计算次数时包括在A 处的碰撞) (2)共用多少时间?

(3)在这过程中,质点离O点的最短距离是多少? 解析由于此质点弹性碰撞时的运动轨迹所满足的规律 和光的反射定律相同,所以可用类比法通过几何光学的规律 进行求解. 即可用光在平面镜上反射时,物像关于镜面对称 的规律和光路是可逆的规律求解. (1)第一次,第二次碰撞如图12—1—甲所示,由三角形的外角等于不相邻的一两个内角和可知,故第一次碰撞的入射角为. 第二次碰撞,,故第二次碰撞的入射角为. 因此每碰一次,入射角要减少1°,即入射角为29°、28°、…、0°,当入射角为0°时,质点碰后沿原路返回. 包括最后在A处的碰撞在内,往返总共60次碰撞. (2)如图12—1—乙所示,从O依次作出与OB边成 图12—1—乙 1°、2°、3°、……的射线,从对称规律可推知,在AB 的延长线上,BC′、C′D′、D′E′、……分别和BC、 CD、DE、……相等,它们和各射线的交角即为各次碰撞的 入射角与直角之和. 碰撞入射角为0°时,即交角为90°时 开始返回. 故质点运动的总路程为一锐角为60°的Rt△AMO 的较小直角边AM的二倍. 即 所用总时间 (3)碰撞过程中离O的最近距离为另一直角边长 此题也可以用递推法求解,读者可自己试解. 例2 有一个很大的湖,岸边(可视湖岸为直线)停放着一艘小船,缆绳突然断开,小船被风刮跑,其方向与湖岸成15°角,速度为2.5km/h.同时岸上一人从停放点起追赶小船,已知他在岸上跑的速度为 4.0km/h,在水中游的速度为2.0km/h,问此人能否追及小船?

高中物理竞赛方法集锦 等效法

四、等效法方法简介 在一些物理问题中,一个过程的发展、一个状态的确定,往往是由多个因素决定的,在这一决定中,若某些因素所起的作用和另一些因素所起的作用相同,则前一些因素与后一些因素是等效的,它们便可以互相代替,而对过程的发展或状态的确定,最后结果并不影响,这种以等效为前提而使某些因素互相代替来研究问题的方法就是等效法. 等效思维的实质是在效果相同的情况下,将较为复杂的实际问题变换为简单的熟悉问题,以便突出主要因素,抓住它的本质,找出其中规律.因此应用等效法时往往是用较简单的因素代替较复杂的因素,以使问题得到简化而便于求解. 赛题精讲 例1:如图4—1所示,水平面上,有两个竖直的光滑 墙壁A 和B ,相距为d ,一个小球以初速度v 0从两墙 之间的O 点斜向上抛出,与A 和B 各发生一次弹性 碰撞后,正好落回抛出点,求小球的抛射角θ. 解析:将弹性小球在两墙之间的反弹运动,可等效为 一个完整的斜抛运动(见图).所以可用解斜抛运动的 方法求解. 由题意得:g v v t v d θ θθsin 2cos cos 2000? =?= 可解得抛射角 20 2arcsin 21v gd = θ 例2:质点由A 向B 做直线运动,A 、B 间的距离为L ,已知质点在A 点的速度为v 0,加速度为a ,如果将L 分成相等的n 段,质点每通过L/n 的距离加速度均增加a /n ,求质点到达B 时的速度. 解析 从A 到B 的整个运动过程中,由于加速度均匀增加,故此运动是非匀变速直线 运动,而非匀变速直线运动,不能用匀变速直线运动公式求解,但若能将此运动用匀变速直线运动等效代替,则此运动就可以求解. 因加速度随通过的距离均匀增加,则此运动中的平均加速度为 n a n n a an n a n a a a a a 2)13(232)1(2 -= -=-++= += 末 初平 由匀变速运动的导出公式得2 22v v L a B -=平 解得 n aL n v v B )13(2 0-+ = 例3一只老鼠从老鼠洞沿直线爬出,已知爬出速度v 的大小与距老鼠洞中心的距离s 成

高中奥林匹克物理竞赛解题方法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法 一、整体法 方法简介 整体是以物体系统为研究对象,从整体或全过程去把握物理现象的本质和规律,是一种把具有相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的多个物体,多个状态,或者多个物理变化过程组合作为一个融洽加以研究的思维形式。整体思维是一种综合思维,也可以说是一种综合思维,也是多种思维的高度综合,层次深、理论性强、运用价值高。因此在物理研究与学习中善于运用整体研究分析、处理和解决问题,一方面表现为知识的综合贯通,另一方面表现为思维的有机组合。灵活运用整体思维可以产生不同凡响的效果,显现“变”的魅力,把物理问题变繁为简、变难为易。 赛题精讲 例1:如图1—1所示,人和车的质量分别为m 和M , 人用水平力F 拉绳子,图中两端绳子均处于水平方向, 不计滑轮质量及摩擦,若人和车保持相对静止,且 水平地面是光滑的,则车的加速度为 . 解析:要求车的加速度,似乎需将车隔离出来才 能求解,事实上,人和车保持相对静止,即人和车有相同的加速度,所以可将人和车看做一个整体,对整体用牛顿第二定律求解即可. 将人和车整体作为研究对象,整体受到重力、水平面的支持力和两条绳的拉力.在竖直方向重力与支持力平衡,水平方向绳的拉力为2F ,所以有: 2F=(M+m)a ,解得: m M F a +=2 例2 用轻质细线把两个质量未知的小球悬挂起来,如图 1—2所示,今对小球a 持续施加一个向左偏下30°的恒力,并 对小球b 持续施加一个向右偏上30°的同样大 小的恒力,最后达到平衡,表示平衡状态的图可能是 ( )

解析表示平衡状态的图是哪一个,关键是要求出两条轻质细绳对小球a和小球b的拉力的方向,只要拉力方向求出后,。图就确定了。 先以小球a、b及连线组成的系统为研究对象,系统共受五个力的作用,即两个重力(m a+m b)g,作用在两个小球上的恒力F a、F b和上端细线对系统的拉力T1.因为系统处于平衡状态,所受合力必为零,由于F a、F b大小相等,方向相反,可以抵消,而(m a+m b)g的方向竖直向下,所以悬线对系统的拉力T1的方向必然竖直向上.再以b球为研究对象,b球在重力m b g、恒力F b和连线拉力T2三个力的作用下处于平衡状态,已知恒力向右偏上30°,重力竖直向下,所以平衡时连线拉力T2的方向必与恒力F b和重力m b g的合力方向相反,如图所示,故应选A. 例3有一个直角架AOB,OA水平放置,表面粗糙,OB竖直向下,表面光滑,OA上套有小环P,OB上套有小环Q,两个环的质量均为m,两环间由一根质量可忽略、不何伸长的细绳相连,并在某一位置平衡,如图1—4所示.现将P环向左移动一段距离,两环再次达到平衡,那么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态相比,OA杆对P环的支持力N和细绳上的拉力T的变化情况是()A.N不变,T变大B.N不变,T变小 C.N变大,T变小D.N变大,T变大 解析先把P、Q看成一个整体,受力如图1—4—甲所示, 则绳对两环的拉力为内力,不必考虑,又因OB杆光滑,则杆在 竖直方向上对Q无力的作用,所以整体在竖直方向上只受重力和 OA杆对它的支持力,所以N不变,始终等于P、Q的重力之和。 再以Q为研究对象,因OB杆光滑,所以细绳拉力的竖直分量等 于Q环的重力,当P环向左移动一段距离后,发现细绳和竖直方向 夹角a变小,所以在细绳拉力的竖直分量不变的情况下,拉力T应变小.由以上分析可知应选B. 例4 如图1—5所示,质量为M的劈块, 其左右劈面的倾角分别为θ1=30°、θ2=45°, 质量分别为m1=3kg和m2=的两物块, 同时分别从左右劈面的顶端从静止开始下滑,

全国中学生物理竞赛内容提要(俗称竞赛大纲)2020版

说明: 1、2016版和2013版相比较,新增了一些内容,比如☆科里奥利力,※质心参考系☆虚功原理,☆连续性方程☆伯努利方程☆熵、熵增。另一方面,也略有删减,比如※矢量的标积和矢积,※平行力的合成重心,物体平衡的种类。有的说法更严谨,比如反冲运动及火箭改为反冲运动※变质量体系的运动,※质点和质点组的角动量定理(不引入转动惯量) 改为质点和质点组的角动量定理和转动定理,并且删去了对不引入转动惯量的限制,声音的响度、音调和音品声音的共鸣乐音和噪声增加限制(前3项均不要求定量计算)。 2、知识点顺序有调整。比如刚体的平动和绕定轴的转动2013版在一、运动学的最后,2016版独立为一个新单元,---很早以前的版本也如此。 3、2013年开始实行的“内容提要”中,凡用※号标出的内容,仅限于复赛和决赛。2016年开始实行的进一步细化,其中标☆仅为决赛内容,※为复赛和决赛内容,如不说明,一般要求考查定量分析能力。 全国中学生物理竞赛内容提要 (2015年4月修订,2016年开始实行) 说明:按照中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会第9次全体会议(1990年)的建议,由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学生物理竞赛章程》中关于命题原则的规定,结合我国中学生的实际情况,制定了《全国中学生物理竞赛内容提要》,作为今后物理竞赛预赛、复赛和决赛命题的依据。它包括理论基础、实验、其他方面等部分。1991年2月20日经全国中学生物理竞赛委员会常务委员会扩大会议讨论通过并开始试行。1991年9月11日在南宁经全国中学生物理竞赛委员会第10次全体会议通过,开始实施。 经2000年全国中学生物理竞赛委员会第19次全体会议原则同意,对《全国中学生物理竞赛内容提要》做适当的调整和补充。考虑到适当控制预赛试题难度的精神,《内容提要》中新补充的内容用“※”符号标出,作为复赛题和决赛题增补的内容,预赛试题仍沿用原规定的《内容提要》,不增加修改补充后的内容。 2005年,中国物理学会常务理事会对《全国中学生物理竞赛章程》进行了修订。依据修订后的章程,决定由全国中学生物理竞赛委员会常务委员会组织编写《全国中学生物理竞赛实验指导书》,作为复赛实验考试题目的命题范围。 2011年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订,修订稿经全国中学生物理竞赛委员会第30次全体会议通过,并决定从2013年开始实行。修订后的“内容提要”中,凡用※号标出的内容,仅限于复赛和决赛。 2015年对《全国中学生物理竞赛内容提要》进行了修订,其中标☆仅为决赛内容,※为复赛和决赛内容,如不说明,一般要求考查定量分析能力。 力学 1. 运动学 参考系 坐标系直角坐标系 ※平面极坐标※自然坐标系 矢量和标量 质点运动的位移和路程速度加速度 匀速及匀变速直线运动及其图像 运动的合成与分解抛体运动圆周运动 圆周运动中的切向加速度和法向加速度

高中物理竞赛方法集锦

例11:如图13—11所示,用12根阻值均为r的相同的电阻丝构成正立方体框架。试求AG两点间的等效电阻。 解析:该电路是立体电路,我们可以将该立体电路“压扁”,使其变成平面电路,如图13—11—甲所示。 考虑到D、E、B三点等势,C、F、H三点等势,则电路图可等效为如图13—11—乙所示的电路图,所以AG间总电阻为

r r r r R 6 5363=++= 例12:如图13—12所示,倾角为θ的斜面上放一木 制圆制,其质量m=0.2kg ,半径为r ,长度L=0.1m ,圆柱 上顺着轴线OO ′绕有N=10匝的线圈,线圈平面与斜面 平行,斜面处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度 B=0.5T ,当通入多大电流时,圆柱才不致往下滚动? 解析:要准确地表达各物理量之间的关系, 最好画出正视图,问题就比较容易求解了。如 图13—12—甲所示,磁场力F m 对线圈的力矩 为M B =NBIL ·2r ·sin θ,重力对D 点的力矩为: M G =mgsin θ,平衡时有:M B =M G 则可解得:A NBL mg I 96.12== 例13:空间由电阻丝组成的无穷网络如图13—13 所示,每段电阻丝的电阻均为r ,试求A 、B 间的等效 电阻R AB 。 解析:设想电流A 点流入,从B 点流出,由对称 性可知,网络中背面那一根无限长电阻丝中各点等电 势,故可撤去这根电阻丝,而把空间网络等效为图13—13—甲所示的电路。

(1)其中竖直线电阻r ′分别为两个r 串联和一个r 并联后的电阻值, 所以 r r r r r 3 232=?=' 横线每根电阻仍为r ,此时将立体网络变成平面网络。 (2)由于此网络具有左右对称性,所以以AB 为轴对折,此时网络变为如图13—13—乙所示的网络。 其中横线每根电阻为21r r = 竖线每根电阻为32r r r ='= '' AB 对应那根的电阻为r r 32 =' 此时由左右无限大变为右边无限 大。 (3)设第二个网络的结点为CD ,此后均有相同的网络,去掉AB 时电路为图13—13—丙所示。再设R CD =R n -1(不包含CD 所对应的竖线电阻) 则N B A R R =',网络如图13—13—丁所示。

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