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三个力学假设 用“假设法”解力学题

时间:2019-01-17 来源:东星资源网 本文已影响 手机版

  假设法是解决物理问题的一种重要方法.用假设法解题,一般是依题意从某一假设入手,然后运用物理规律得出结果,再进行适当讨论,从而找出正确答案.这种解题方法严谨、合乎逻辑,而且可拓宽思路.物理解题中的假设,从内容要素看有参数假设、条件假设和过程假设等,从运用策略看有等效假设、顺向假设和极值假设等.利用假设,我们可以方便地对问题进行分析、推理、判断.恰当地运用假设,可以起到化拙为巧、化难为易的效果.下面,结合实例介绍假设法在解物理力学题中的具体运用.
  一、参数假设
  有些物理问题给出的已知条件很少,仅凭这些条件是无法建立等式求解的.因此,解题中必须恰当地假设一些辅助数值,根据物理量之间的关系建立等量关系,利用所设数值运算,求得问题的解.
  例1 如图1所示,两物体保持静止,则G1∶G2是( ).
  A.1∶1 B.1∶2
  C.1∶3 D.1∶4
  解析 由于图中没有标出G1、G2的大小,不少同学觉得无从下手,此时可假设G1的数值为1N(或其他数值都可),然后再根据定、动滑轮的特点得到G2是2 N.答案为B.
  例2 一名中学生从一楼爬到三楼做功大约是( ).
  A.60J B.300J C.3000J D.6000J
  解析 计算做功要用公式W=Fs,但爬楼的力F和一到三楼的距离s没有说明,因此在解题时就要根据此前学习的常识假设中学生体重约500N,每层楼高约3m,一到三楼的距离是6m,从而计算得到一名中学生从一楼爬到三楼做功大约是3000J.选C.
  二、条件假设
  自然界发生的物理现象总是在一定的物理条件下发生的.但是,有些物理问题往往隐去物理条件描述,让解题者自己去设置物理条件,为物理量之间架起联系的桥梁.
  例3 请以“假如我们生活在一个没有重力的世界”为题,写出两个相关的场景:① ; ② .
  解析 因为我们一直生活在有重力的环境中,难以想象出失重时的状况.因此同学们可以从重力的三要素去假设条件:重力的方向是竖直向下的,如果没有重力,抛出去的物体就不会向下落到地面上;地球上的物体是有重力大小的,如果没有重力,物体重力大小为零,我们可以举起一座山.答案合理就行.
  例4 如图2所示,在水平桌面上静止着两个球A、B,它们靠在一起,但不互相挤压.它们之间有弹力的相互作用吗?为什么?
  解析 当两个物体直接接触且之间有弹性形变时,两者之间就存在弹力.但是,有时物体间发生的是微小弹性形变,肉眼不易观察,所以判断有无弹力产生成了一个难点.如何解决这个问题呢?此时可假设弹力存在,看假设的结果是否符合物体原来的运动状态,若符合,说明弹力存在;若不符合,说明弹力不存在;假设AB之间有弹力的相互作用,对AB受力分析可知:A在水平方向只受到B水平向左的压力,A就受到非平衡力,就不能处于静止状态;同样B也如此.这与题意不合,因此AB之间没有弹力的相互作用.
  例5 下列各摩擦中属于有害摩擦的是( ).
  A.自行车刹车皮与钢圈之间的摩擦
  B.单杠运动员上杠时,手与单杠的摩擦
  C.汽车行驶时与空气之间的摩擦
  D.人走路时,鞋子与地面之间的摩擦
  解析 由于有些同学生活经验缺乏,不能判断出上述事例中的摩擦是否有害,这时可以用假设法做识别.分析时可以假设例子中的条件变化,即如果没有摩擦的话会不会影响例子中正常状况的发生,如果有影响摩擦就是有益的,如果没有影响就是有害的.A中如果没有摩擦自行车就停不下来,是有影响的,因此有益的.B中如果没有摩擦手就握不住单杠,是有影响的,因此有益的.C中如果没有摩擦汽车仍可行驶,是没有影响的,因此有害的.D中如果没有摩擦人就无法行走,是有影响的,因此有益的.答案为C.
  三、过程假设
  有些题目对物理过程不作明确交代,使物理过程隐晦莫测,这是不少物理习题的一大特点.这就要避开过程障碍 ,大胆巧妙假设一个虚拟过程,并在此基础上根据物理规律分析求得原问题的解,这是解决“过程障碍”类问题的一种有效的方法.
  例6 如图3所示,在匀速运动的水平传送带上,有一物体M相对静止在传送带上,则关于物体M的受力情况(不计空气阻力),下列说法正确的是( ).
  A.受重力、支持力和向左的摩擦力
  B.受重力、支持力和向右的摩擦力
  C.受重力和支持力的作用
  D.以上说法都不对
  
  
  
  
  
  解析 物体M在竖直方向上受重力和支持力的作用,而且这两个力是一对平衡力.在水平方向上,M是否受摩擦力作用呢?题目中没有对物体匀速运动的过程做详细地说明,既没说明速度大小,也没说明运动方向.可以假设M向左(或向右)运动,受向右(或向左)的摩擦力,再进一步分析M在水平方向又不再受其他力的作用,这样M在水平方向受力不平衡,它与传送带间要发生相对运动,这与题设条件相矛盾.M相对静止在传送带上,实际是M随传送带一起做匀速运动.我们知道,物体只有在不受力或受平衡力作用时才能保持匀速直线运动状态或静止状态.可见,如果M受摩擦力作用,那么它就不可能随传送带一起做匀速运动.因此,答案应选C.
  例7 在木棍的一端,缠上几圈细铁丝,制成一支简易密度计.将此密度计直立于某液体中的情形如图4所示.将密度计露出液面的部分切去后,则密度计余下的部分将( ).
  A.下沉 B.停留在原处
  C.上浮 D.无法判断
  
  
  
  
  
  
  解析 密度计未切断时,如图4甲所示,其重力等于浮力,即G=F.将密度计露出液面的部分切去后,密度计的浮沉情况不明.假设密度计余下的部分仍浸没在液体中,那么它所受的浮力仍为F,但密度计余下部分的重力GOB<GAB,由GAB=F、GOB<GAB得F>GOB.这就是说,将密度计露出液面的部分切去后,密度计因浮力大于重力GOB而上浮,直至浮力减小到跟密度计余下部分的重力GOB相等为止.可见,答案应选C.
  四、等效假设
  在保证效果相同的前提下,通过假设把一个陌生问题变换为一个熟悉的等价问题,这就是等效假设.其中的等价问题,虽然只不过是解题中的一种假设,但它却会给我们解决当前问题带来许多方便.
  例8 如图5甲,一纯冰块漂浮在水面上,已知ρ水>ρ冰,当冰块全部熔化成水后,液面的变化情况是( ).
  A.不变 B.上升
  C.下降 D.不能判断
  
  
  
  
  
  解析 假定将冰块从水中取出后,水面将下降到图5乙位置.甲乙之间的水面差就是冰排开水的体积V排,如果该冰块熔化成水后体积为V水,倒入乙图中.若则液面不变,V水=V排;若液面上升,V水>V排,;若液面下降,则V水<V排.
  冰块漂浮在盐水面时 V排=F浮/ρ水g
  =G冰/ρ水g而冰块熔化成水后体积V水=G水/ρ水g=G冰/ρ水g,所以V水=V排.这就是说,冰全部熔化成水后倒入乙图中,水面恰好和冰块漂浮时相平,即液面不变.故答案应选A.
  五、顺向假设
  有些问题中的物理情景也许只呈现出正面的正常现象,如果顺着题意仅从正面考虑,就会顺理成章地得出一个错误答案.在分析时就假设这个答案是正确的,顺着它进一步分析,常常会茅塞顿开,迅速找到习题的正确答案.
  例9 如图6所示,材料完全相同的木块A和B叠放在水平桌面上,在12N的水平推力F1作用下,A、B一起向左做匀速直线运动,此时木块A所受的摩擦力为 N;木块B所受的摩擦力为 N;若将A、B紧靠着放在水平桌面上,用水平推力F2推A使它们一起匀速运动,则推力F2= N.
  
  
  
  
  解析 如果顺着题意思考:AB都做匀速运动,因受平衡力,所以A受到的摩擦力方向向右,大小与F1相等为12N.但由图6甲可知,木块A和B叠放在水平桌面上时,F1只作用在B上,木块B肯定受到力的作用,与A接触的物体只有B,所以我们就假设A受到B对它向右的摩擦力,然后再分析、推理:如果A受到B对它的摩擦力,同时在水平方向上又没其他物体对它有力的作用,那么A就是受到非平衡力的作用,运动状态会发生改变,这与题设A、B一起做匀速直线运动不相符合,故A不会受到摩擦力的作用.参考答案:0;12;12.
  六、极值假设
  极值假设就是首先认清题目中的变化因素,然后比较它在题目中的不同物体上的变化程度,最后用假设法把这一变化因素推向其中一个物体变化的极大值的极端状态,通过对极端状态的分析,对问题作出快捷的判断.
  例10 如图,杠杆AOB上分别放有质量不相等的两个球A、B,杠杆在水平位置平衡,如果两球以相同的速度同时向支点匀速移动向支点匀速移动,则杠杆( ).
  A.仍然平衡
  B.不能平衡,大球那端下沉
  C.不能平衡,小球那端下沉
  D.无法判断
  
  
  
  
  
  解析 本题中的大球和小球的共同变化因素是:以相同的速度同时向支点匀速移动.开始时大球GA、小球GB到支点的距离分别为OA、OB,根据杠杆平衡条件,可得GAOA=GBOB,显然OA<OB,因此在两球上的变化程度是:两球以相同的速度向支点运动,则相同时间内它们移动的距离相同.采用假设法,由于大球移动的距离OA短,设两球均向支点移动OA,则支点左端无物体,右端还压着小球GB物体,杠杆不再平衡,右端下沉,故选C.
  例11 如图8所示,G1、G2是两铁块,挂在滑轮下静止,现把两铁块同时浸没在水中,将会出现什么现象?
  
  
  
  
  
  
  
  解析 本题可通过计算得出结论,但用假设法却更快捷.开始时G1、G2静止,所以G2是G1的2倍.本题中的共同变化因素是:由于把两铁块都浸没在水中,绳A、B上拉力减小.变化的程度是:两者都减小各自的浮力大小,因此假设:A 处绳上的力最大减少了G1,则B处绳上拉力减小2 G1.减少后A处拉力为0,B处拉力也为0.所以B滑轮所受向上和向下的拉力都为0,因此整个装置仍静止.
  综上所述易见,假设法的运用,不仅为快捷解题提供了便利,更为培养创新能力开辟了途径.但是,要正确恰当地运用假设法,必须深刻把握其“设而不假”的关键要领,即假设的内涵与问题本身并不矛盾.否则,就会造成“失之毫厘,谬以千里”的后果.

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