高中奥林匹克物理竞赛解题方法+微元法19990.pdf

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1、.实用文档.高中奥林匹克物理竞赛解题方法三 三、微元法 方法简介 微元法是分析、解决物理问题中的常用方法，也是从局部到整体的思维方法。用该方法可以使一些复杂的物理过程用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化。在使用微元法处理问题时，需将其分解为众多微小的“元过程，而且每个“元过程所遵循的规律是相同的，这样，我们只需分析这些“元过程，然后再将“元过程进行必要的数学方法或物理思想处理，进而使问题求解。使用此方法会加强我们对规律的再思考，从而引起稳固知识、加深认识和提高能力的作用。赛题精讲 例 1：如图 31 所示，一个身高为 h 的人在灯以悟空速度 v 沿水平直线行走。设灯距地面高为

2、 H，求证人影的顶端 C 点是做匀速直线运动。解析：该题不能用速度分解求解，考虑采用“微元法。设某一时间人经过 AB 处，再经过一微小过程 tt0，那么人由 AB 到达 AB，人影顶端 C 点到达 C点，由于SAA=vt 那么人影顶端的 移动速度hHHvtShHHtSvAAtCCtC00limlim 可见 vc与所取时间t 的长短无关，所以人影的顶 端 C 点做匀速直线运动.例 2：如图 32 所示，一个半径为 R 的四分之一光滑球 面放在水平桌面上，球面上放置一光滑均匀铁链，其 A 端固定在球面的顶点，B 端恰与桌面不接触，铁链单位 长度的质量为.试求铁链 A 端受的拉力 T.解析：以铁链为

3、研究对象，由由于整条铁链的长度不能 忽略不计，所以整条铁链不能看成质点，要分析铁链的受 力情况，须考虑将铁链分割，使每一小段铁链可以看成质 点，分析每一小段铁边的受力，根据物体的平衡条件得出 整条铁链的受力情况.在铁链上任取长为L 的一小段微元为研究对象，其受力分析如图 32甲所示.由于该元处于静止状态，所以受力平衡，在切线方向上应满足：.实用文档.TGTTcos coscosLgGT 由于每段铁链沿切线向上的拉力比沿切线向下的拉力大 T，所以整个铁链对 A 端的拉力是各段上T的和，即 coscosLgLgTT 观察 cosL的意义，见图 32乙，由于很小，所以 CDOC，OCE=Lcos表示

4、L 在竖直方向上的投影R，所以 RLcos 可得铁链 A 端受的拉力 gRLgTcos 例 3：某行星围绕太阳 C 沿圆弧轨道运行，它的近日点 A 离太阳的距离为 a，行星经过近日点 A 时的速度为Av，行星的远日点 B 离开太阳的距离为 b，如图 33 所示，求它经过远日点 B 时的速度Bv的大小.解析：可根据开普勒第二定律，用微元法求解.设行星在近日点 A 时又向前运动了极短的时间t，由于时间极短可以认为行星在t 时间内做匀速圆周运动，线速度为Av，半径为 a，可以得到行星在t 时间内扫过的面积 atvSAa21 同理，设行星在经过远日点 B 时也运动了相同的极短时间t，那么也有 btvS

5、Bb21 由开普勒第二定律可知：Sa=Sb 即得 ABvbav 此题也可用对称法求解.例 4：如图 34 所示，长为 L 的船静止在平静的水面上，立于船头的人质量为 m，船的质量为 M，不计水的阻力，人从船头走到船尾的过程中，问：船的位移为多大？解析：取人和船整体作为研究系统，人在走动过程中，程中的t 时间内为匀速运动，那么可计算出船的位移.设 v1、v2分别是人和船在任何一时刻的速率，那么有 21Mvmv 两边同时乘以一个极短的时间t，有 tMvtmv21 由于时间极短，可以认为在这极短的时间内人和船的速率是不变的，所以人和船位移大小分别为tvs11，tvs22 .实用文档.由此将式化为 2

6、1sMsm 把所有的元位移分别相加有 21sMsm 即 ms1=Ms2 此式即为质心不变原理.其中 s1、s2分别为全过程中人和船对地位移的大小，又因为 L=s1+s2 由、两式得船的位移 LmMms2 例 5：半径为 R 的光滑球固定在水平桌面上，有一质量 为 M 的圆环状均匀弹性绳圈，原长为R，且弹性绳圈 的劲度系数为 k，将弹性绳圈从球的正上方轻放到球上，使弹性绳圈水平停留在平衡位置上，如图 35 所示，假设 平衡时弹性绳圈长为R2，求弹性绳圈的劲度系数 k.解析：由于整个弹性绳圈的大小不能忽略不计，弹性绳圈 不能看成质点，所以应将弹性绳圈分割成许多小段，其中 每一小段 弹性绳圈上任取一

7、小段质量为m 受的力不在同一平面内，可以从一个适宜的角度观察.选取一个适宜的平面进行受力分析，这样可以看清楚各个力之间的关系.从正面和上面观察，分别画出正视图的俯视图，如图 35甲和 235乙.先看俯视图 35甲，设在弹性绳圈的平面上，m 所对的圆心角是，那么每一小段的质量 Mm2 m 在该平面上受拉力 F 的作用，合力为 2sin2)2cos(2FFT 因为当很小时，sin 所以FFT22 再看正视图 35乙，m 受重力mg，支持力 N，二力的合力与 T 平衡.即 tanmgT 现在弹性绳圈的半径为 RRr2222 所以 4522sinRr 1tan .实用文档.因此 T=Mgmg2 、联立

8、，FMg2，解得弹性绳圈的张力为：2MgF 设弹性绳圈的伸长量为 x 那么 RRRx)12(2 所以绳圈的劲度系数为：RMgRMgxFk222)12()12(2 例 6：一质量为 M、均匀分布的圆环，其半径为 r，几何轴与水平面垂直，假设它能经受的最大张力为 T，求此圆环可以绕几何轴旋转的最大角速度.解析：因为向心力 F=mr2，当一定时，r 越大，向心力越大，所以要想求最大张力 T 所对应的角速度，r 应取最大值.如图 36 所示，在圆环上取一小段L，对应的圆心角 为，其质量可表示为Mm2，受圆环对它的张 力为 T，那么同上例分析可得 22sin2mrT 因为很小，所以22sin，即 222

9、2MrT 解得最大角速度 MrT2 例 7：一根质量为 M，长度为 L 的铁链条，被竖直地悬挂起来，其最低端刚好与水平接触，今将链条由静止释放，让它落到地面上，如图 37 所示，求链条下落了长度 x 时，链条对地面的压力为多大？解析：在下落过程中链条作用于地面的压力实质就是链条对地面的“冲力加上落在地面上那局部链条的重力.根据牛顿第三定律，这个冲力也就等于同一时刻地面对链条的反作用力，这个力的冲量，使得链条落至地面时的动量发生变化.由于各质元原来的高度不同，落到地面的速度不同，动量改变也不相同.我们取某一时刻一小段链条微元作为研究对象，就可以将变速冲击变为恒速冲击.设开始下落的时刻 t=0，在

10、 t 时刻落在地面上的链条长为 x，未到达地面局部链条的速度为 v，并设链条的线密度为t，在t 内又有M=xM 作用的冲量为 ItMgF)(因为 0tMg 所以 xvvMtF0 解得冲力：.实用文档.txvF，其中tx就是 t 时刻链条的速度 v，故 2vF 链条在 t 时刻的速度 v 即为链条下落 长为 x 时的即时速度，即 v2=2gx，代入 F 的表达式中，得 gxF2 此即 t 时刻链对地面的作用力，也就是 t 时刻链条对地面的冲力.所以在 t 时刻链条对地面的总压力为 .332LMgxgxgxgxN 例 8：一根均匀柔软的绳长为 L，质量为 m，对折后两端固定在一个钉子上，其中一端突

11、然从钉子上滑落，试求滑落的绳端点离钉子的距离为 x 时，钉子对绳子另一端的作用力是多大？解析：钉子对绳子另一端的作用力随滑落绳的长短而变化，8 所示，当左边绳端离钉子 的距离为 x 时，左边绳长为)(21xl，速度 gxv2，右边绳长为).(21xl 又经过一段很短的时间t 以后，左边绳子又有长度tV21的一小段转移到右边去了，我们就分 析这一小段绳子，这一小段绳子受到两力：上面绳子对它的拉 力 T 和它本身的重力lmgtv/(21为绳子的线密度，根据动量定理，设向上方向为正 )21(0)21(vtvtgtvT 由于t 取得很小，因此这一小段绳子的重力相对于 T 来说是很小的，可以忽略，所以有

12、 gxvT221 因此钉子对右边绳端的作用力为)31(21)(21lxmgTgxlF 例 9：图 39 中，半径为 R 的圆盘固定不可转动，细绳不可伸长 绳间光滑接触，试求盘对绳的法向支持力线密度.解析：求盘对绳的法向支持力线密度也就是求盘对绳的法向单位 长度所受的支持力.因为盘与绳间光滑接触，那么任取一小段绳，其两端受的张力大小相等，又因为绳上各点受的支持力方向不同，故不能以整条绳为研究对象，只能以一小段绳为研究对象分析求 L，L 所对应的 圆心角为，如图 39甲所示，绳元L 两端的张力均为 T，.实用文档.绳元所受圆盘法向支持力为N，因细绳质量可忽略，法向合力为 零，那么由平衡条件得：2s

13、in22sin2sinTTTN 当很小时，22sin N=T 又因为 L=R 那么绳所受法向支持力线密度为 RTRTLNn 以 M、m 分别为研究对象，根据牛顿定律有 MgT=Ma Tmg=ma 由、解得：mMMmgT2 将式代入式得：RmMMmgn)(2 例10：粗细均匀质量分布也均匀的半径为分别为R和r的两圆环相切.假设在切点放一质点m，恰使两边圆环对 m 的万有引力的合力为零，那么大小圆环的线密度必须满足什么条件？解析：假设要直接求整个圆对质点 m 的万有引力比拟难，当假设要用到圆的对称性及要求所受合力为零的条件，考虑大、小圆环上关于切点对称的微元与质量 m 的相互作用，然后推及整个圆环

14、即可求解.如图 310 所示，过切点作直线交大小圆分别于 P、Q 两点，并设与水平线夹角为，当有微小增量时，那么大小圆环上对应微小线元 2221rLRL 其对应的质量分别为 21111Rlm 22222rlm 由于很小，故m1、m2与 m 的距离可以认为分别是 cos2cos221rrRr 所以m1、m2与 m 的万有引力分别为 222222212111)cos2(2,)cos2(2rmRGrmGmFRmRGrmGmF 由于具有任意性，假设F1与F2的合力为零，那么两圆环对 m 的引力的合力也为零，即 2221)cos2(2)cos2(2rmrGRmRG .实用文档.解得大小圆环的线密度之比为

15、：rR21 例 11：一枚质量为 M 的火箭，依靠向正下方喷气在空中保持静止，如果喷出气体的速度为 v，那么火箭发动机的功率是多少？解析：火箭喷气时，要对气体做功，取一个很短的时间，求出此时间内，火箭对气体做的功，再代入功率的定义式即可求出火箭发动机的功率.选取在t 时间内喷出的气体为研究对象，设火箭推气体的力为 F，根据动量定理，有 Ft=mv 因为火箭静止在空中，所以根据牛顿第三定律和平衡条件有 F=Mg 即 Mgt=mv t=mv/Mg 对同样这一局部气体用动能定理，火箭对它做的功为：221mvW 所以发动机的功率 MgVMgmVmvtWP21)/(212 例 12：如图 311 所示，

16、小环 O 和 O分别套在不动的竖直 杆 AB 和 AB上，一根不可伸长的绳子穿过环 O，绳的 两端分别系在 A点和 O 环上，设环 O以恒定速度 v 向下 运动，求当AOO=时，环 O 的速度.解析：O、O之间的速度关系与 O、O的位置有关，即与 角有关，因此要用微元法找它们之间的速度关系.设经历一段极短时间t，O环移到 C，O 环移到 C，自 C 与 C 分别作为 OO 的垂线 CD和 CD，从图中看出.cos,cosDOCOODOC 因此 OC+OC=cosDOOD 因极小，所以 ECED，ECED，从而 OD+ODOOCC 由于绳子总长度不变，故 OOCC=OC 由以上三式可得：OC+O

17、C=cosCO 即)1cos1(COOC 等式两边同除以t 得环 O 的速度为 )1cos1(0vv 例 13：在水平位置的洁净的平玻璃板上倒一些水银，由于重力和 外表张力的影响，水银近似呈现圆饼形状侧面向外凸出，过圆 饼轴线的竖直截面如图 312 所示，为了计算方便，水银和玻璃的 接触角可按 18033/106.13mkg，水 .实用文档.银的外表张力系数./49.0mN当圆饼的半径很大时，试估算其厚度 h 的数值大约为多少？取 1 位有效数字即可 解析：假设以整个圆饼状水银为研究对象，只受重力和玻璃板的支持力，在平衡方程中，液体的体积不是 h 的简单函数，而且支持力 N 和重力 mg 都是

18、未知量，方程中又不可能出现外表张力系数，因此不可能用整体分析列方程求解 h.现用微元法求解.在圆饼的侧面取一个宽度为x，高为 h 的体积元，如图 312甲所示，该体积元受重力 G、液体内部作用在面 积xh 上的压力 F，xghxhhgSPF22121，还有上外表分界线上的张力 F1=x 和下外表分界线上的 张力 F2=x.作用在前、后两个侧面上的液体压力互相平衡，作用在体积元外表两个弯曲 分界上的外表张力的合力，当体积元的宽度较小时，这两个力也是平衡的，图中都未画出.由力的平衡条件有：0cos21FFF 即 0cos212xxxgh 解得：cos1107.2)cos1(23gh 由于,2cos

19、11,20所以103103m 题目要求只取 1 位有效数字，所以水银层厚度 h 的估算值为 3103m 或 4103m.例 14：把一个容器内的空气抽出一些，压强降为 p，容器 上有一小孔，上有塞子，现把塞子拔掉，如图 313 所示.问空气最初以多大初速度冲进容器？外界空气压强为 p0、密度为 解析：该题由于不知开始时进入容器内分有多少，不知它 们在容器外如何分布，也不知空气分子进入容器后压强如“最初 二字，可以这样考虑：设小孔的面积为 S，取开始时位于小孔外一薄层气体为研究对象，令薄层厚度为L，因L 很小，所以其质量m 进入容器过程中，不改变容器压强，故此薄层所受外力是恒力，该问题就可以解决

20、了.由以上分析，得：F=(p0p)S 对进入的m 气体，由动能定理得：221mvLF 而 m=SL .实用文档.联立、式可得：最初中进容器的空气速度 )(20ppv 例 15：电量 Q 均匀分布在半径为 R 的圆环上如图 314 所示，求在圆环轴线上距圆心 O 点为 x 处的 P 点的电场 强度.解析：带电圆环产生的电场不能看做点电荷产生的电场，故采用微元法，用点电荷形成的电场结合对称性求解.选电荷元,2 RQRq它在 P 点产生的电场的场强的 x 分量为：22222)(2cosxRxxRRQRkrqkEx 根据对称性 322322322)(2)(2)(2xRkQxxRkQxxRkQxEEx

21、由此可见，此带电圆环在轴线 P 点产生的场强大小相当于带电圆环带电量集中在圆环的某一点时在轴线 P 点产生的场强大小，方向是沿轴线的方向.例 16：如图 315 所示，一质量均匀分布的细圆环，其半径为 R，质量为 m.令此环均匀带正电，总电 量为 Q.现将此环平放在绝缘的光滑水平桌面上，并 处于磁感应强度为 B 的均匀磁场中，磁场方向竖直向下.当此环绕通过其中心的竖直轴以匀角速度沿图示方向 旋转时，环中的张力等于多少？设圆环的带电量不减 少，不考虑环上电荷之间的作用 解析：当环静止时，因环上没有电流，在磁场中不受力，那么 环中也就没有因磁场力引起的张力.当环匀速转动时，环上电 荷也随环一起转动

22、，形成电流，电流在磁场中受力导致环中存 在张力，显然此张力一定与电流在磁场中受到的安培力有关.由题意可知环上各点所受安培力方向均不同，张力方向也不同，因而只能在环上取一小段作为研究对象，从而求出环中张力的 大小.在圆环上取L=R圆弧元，受力情况如图 315而形成的电流 2QI，电流元 IL 所受的安培力QBRLBIF2 因圆环法线方向合力为圆弧元做匀速圆周运动所需的向心力，.实用文档.RmFT22sin2 当很小时，RmQBRT2222sin 2222RmQBRTmm 解得圆环中张力为 )(2mQBRT 例 17：如图 316 所示，一水平放置的光滑平行导轨上放一质量 为 m 的金属杆，导轨间

23、距为 L，导轨的一端连接一阻值为 R 的电 阻，其他电阻不计，磁感应强度为 B 的匀强磁场垂直于导轨平面.现给金属杆一个水平向右的初速度 v0，然后任其运动，导轨足够 长，试求金属杆在导轨上向右移动的最大距离是多少？解析：水平地从 a 向 b 看，杆在运动过程中的受力分析 如图 316甲所示，这是一个典型的在变力作用下求位 移的题，用我们已学过的知识好似无法解决，其实只要 采用的方法得当仍然可以求解.设杆在减速中的某一时刻速度为 v，取一极短时间t，发 生了一段极小的位移x，在t 时间内，磁通量的变化为 =BLx tRxBLtRRI 金属杆受到安培力为tRxLBILBF22安 由于时间极短，可

24、以认为 F安为恒力，选向右为正方向，在t 时间内，安培力 F安的冲量为：RxLBtFI22安 对所有的位移求和，可得安培力的总冲量为 xRLBRxLBI2222)(其中 x 为杆运动的最大距离，对金属杆用动量定理可得 I=0mV0 由、两式得：220LBRmVx 例 18：如图 317 所示，电源的电动热为 E，电容器的 电容为 C，S 是单刀双掷开关，MN、PQ 是两根位于同 一水平面上的平行光滑长导轨，它们的电阻可以忽略不计，.实用文档.两导轨间距为 L，导轨处在磁感应强度为 B 的均匀磁场 中，磁场方向垂直于两导轨所在的平面并指向图中纸面 1和 L2是两根横放在导轨上的导体小棒，质量分别

25、为 m1和 m2，且21mm.它们在导轨上滑动 时与导轨保持垂直并接触良好，不计摩擦，两小棒的电阻 1，然后合向 2.求：1两根小棒最终速度的大小；2在整个过程中的焦耳热损耗.当回路中有电流时，该电流所产生的磁场可忽略不计 解析：当开关 S 先合上 1 时，电源给电容器充电，当开关 S 再合上 2 时，电容器通过导体小棒放电，在放电过程中，导体小棒受到安培力作用，在安培力作用下，两小棒开始运动，运动速度最后均到达最大.1设两小棒最终的速度的大小为 v，那么分别为 L1、L2为研究对象得：1111vmvmtFii vmtFii111 同理得：vmtFii222 由、得：vmmtFtFiiii)(

26、212211 又因为 11BliFi 21iitt 22BliFi iii21 所以 iiiitiBLtiiBLtBLitBLi)(212211 vmmqQBL)()(21 而 Q=CE q=CU=CBLv 所以解得小棒的最终速度 2221)(LCBmmBLCEv 2因为总能量守恒，所以热QvmmCqCE22122)(212121 即产生的热量 22122)(212121vmmCqCEQ热 .实用文档.)(2)()()(2121)(21)(12121222122122212122222122CLBmmCEmmLCBmmBLCEmmLCBCEvmmCBLvCCE 针对训练 1某地强风的风速为 v

27、，设空气的密度为，如果将通过横截面 积为 S 的风的动能全部转化为电能，那么其电功率为多少？2如图 319 所示，山高为 H，山顶 A 和水平面上 B 点的水平 距离为 s.现在修一条冰道 ACB，其中 AC 为斜面，冰道光滑，物体从 A 点由静止释放，用最短时间经 C 到 B，不计过 C 点 多大？最短时间为多少？3如图 321 所示，在绳的 C 端以速度 v 匀速收绳从而拉动低 处的物体 M 水平前进，当绳 AO 段也水平恰成角时，物体 M 的速度多大？4，如图 322 所示，质量相等的两个小球 A 和 B 通过轻绳绕过两个光滑的定滑轮带动 C 球上升，某时刻连接 C 球的两绳的夹角为，设

28、 A、B 两球此时下落的速度为 v，那么 C球上升的速度多大？5质量为 M 的平板小车在光滑的水平面上以 v0向左匀速运动，一质量为 m 的小球从高 h处自由下落，与小车碰撞后反弹上升的高度仍为 h.设 Mm，碰撞弹力 Ng，球与车之间的动摩擦因数为，那么小球弹起后的水平速度可能是 Agh2 B0 Cgh22 Dv0 6半径为 R 的刚性球固定在水平桌面上.有一质量为 M 的圆环状均匀弹性细绳圈，原长 2a，a=R/2，绳圈的弹性系数为 k绳伸长 s 时，绳中弹性张力为 ks.将绳圈从球的正 虑重力，忽略摩擦.1设平衡时弹性绳圈长 2b，b=a2，求弹性系数 k；用 M、R、g 表示，g 为重

29、力加速度 .实用文档.2设 k=Mg/22R，求绳圈的最后平衡位置及长度.7一截面呈圆形的细管被弯成大圆环，并固定在竖直平面内，在环内的环底 A 处有一质量为 m、直径比管径略小的小球，小球上连有一根穿过环顶 B 处管口的轻绳，在外力 F 作用 下小球以恒定速度 v 沿管壁做半径为 R 的匀速圆周运动，如图 3 局部的动摩擦因数为，而大环内侧局部的管内壁是光滑 球从 A 点运动到 B 点过程中 F 做的功 WF.8如图 324，来自质子源的质子初速度为零，经一 1019 流每秒打到靶上的质子数为 .假设分布在质子源 到靶之间的加速电场是均匀的，在质子束中与质子源相距 l 和 4l 的两处，各取

30、一段极短的相等长度的质子流，其中质 子数分别为 n1和 n2，那么 n1:n2 .9如图 325 所示，电量 Q 均匀分布在一个半径为 R 的 细圆环上，求圆环轴上与环心相距为 x 的点电荷 q 所受的 力的大小.10如图 326 所示，一根均匀带电细线，总电量为 Q，弯成半径为 R 的缺口圆环，在细线的两端处留有很小的 长为L 的空隙，求圆环中心处的场强.11如图 327 所示，两根均匀带电的半无穷长平行直导 线它们的电荷线密度为，端点联线 LN 垂直于这 R.试求在 LN 的 中点 O 处的电场强度.12如图 328 所示，有一均匀带电的无穷长直导线，其电荷线密度为.试求空间任意一点的电场

31、强度.实用文档.该点与直导线间垂直距离为 r.13如图 329 所示，半径为 R 的均匀带电半球面，电 荷面密度为，求球心 O 处的电场强度.14如图 330 所示，在光滑的水平面上，有一垂直向 下的匀强磁场分布在宽度为 L 的区域内，现有一个边长 为 aaL，质量为 m 的正方形闭合线框以初速 v0垂直 磁场边界滑过磁场后，速度变为 vvv0，求：1线框在这过程中产生的热量 Q；2线框完全进入磁场后的速度 v.15如图 331 所示，在离水平地面 h 高的平台上有一相 距 L 的光滑轨道，左端接有已充电的电容器，电容为 C，充电后两端电压为 U1.轨道平面处于垂直向上的磁感应 属棒，当闭合

32、S，棒离开轨道后电容器的两极电压变为 U2，求棒落在离平台多远的位置.16如图 332 所示，空间有一水平方向的匀强磁场，大小 为 B，一光滑导轨竖直放置，导轨上接有一电容为 C 的电 容器，并套一可自由滑动的金属棒，质量为 m，释放后，求 金属棒的加速度 a.答案：1321vS 2=60)223(2hsgh 3)cos1/(xv 42cos/v 5CD 6 1RMg22)12(2绳圈掉地上，长度为原长 722vmmgR 86.251015,2:1 92322)(xRQqxK 1032 RlQK 11Rk2 12rk2 13R2 142),(210220vvvvvm 15ghmuuCBL2)(21 1622LCBmmga