高中物理竞赛解题方法-十四、近似法.doc

十四、近似法方法简介图141近似法是在观察物理现象、进行物理实验、建立物理模型、推导物理规律和求解物理问题时，为了分析认识所研究问题的本质属性，往往突出实际问题的主要方面，忽略某些次要因素，进行近似处理.在求解物理问题时，采用近似处理的手段简化求解过程的方法叫近似法.近似法是研究物理问题的基本思想方法之一，具有广泛的应用.善于对实际问题进行合理的近似处理，是从事创造性研究的重要能力之一.纵观近几年的物理竞赛试题和高考试题，越来越多地注重这种能力的考查.赛题精讲例1：一只狐狸以不变的速度沿着直线AB逃跑，一只猎犬以不变的速率追击，其运动方向始终对准狐狸.某时刻狐狸在F处，猎犬在D处，FDAB，且FD=L，如图141所示，求猎犬的加速度的大小.解析：猎犬的运动方向始终对准狐狸且速度大小不变，图142甲故猎犬做匀速率曲线运动，根据向心加速度为猎犬所在处的曲率半径，因为r不断变化，故猎犬的加速度的大小、方向都在不断变化，题目要求猎犬在D处的加速度大小，由于大小不变，如果求出D点的曲率半径，此时猎犬的加速度大小也就求得了.猎犬做匀速率曲线运动，其加速度的大小和方向都在不断改变.在所求时刻开始的一段很短的时间内，猎犬运动的轨迹可近似看做是一段圆弧，设其半径为R，则加速度其方向与速度方向垂直，如图141甲所示.在时间内，设狐狸与猎犬分别 到达，猎犬的速度方向转过的角度为/R而狐狸跑过的距离是： 因而/R/L，R=L/所以猎犬的加速度大小为=/L图142甲图142例2 如图142所示，岸高为，人用绳经滑轮拉船靠岸，若当绳与水平方向为时，收绳速率为，则该位置船的速率为多大？解析 要求船在该位置的速率即为瞬时速率，需从该时刻起取一小段时间求它的平均速率，当这一小段时间趋于零时，该平均速率就为所求速率.设船在角位置经时间向左行驶距离，滑轮右侧的绳长缩短，如图142甲所示，当绳与水平方向的角度变化很小时，ABC可近似看做是一直角三角形，因而有=图143两边同除以得：，即收绳速率因此船的速率为例3 如图143所示，半径为R，质量为m的圆形绳圈，以角速率绕中心轴O在光滑水平面上匀速转动时，绳中的张力为多大？解析 取绳上一小段来研究，当此段弧长对应的圆心角很小时，有近似关系式图143甲若取绳圈上很短的一小段绳AB=为研究对象，设这段绳所对应的圆心角为，这段绳两端所受的张力分别为和（方向见图143甲），因为绳圈匀速转动，无切向加速度，所以和的大小相等，均等于T. 和在半径方向上的合力提供这一段绳做匀速圆周运动的向心力，设这段绳子的质量为，根据牛顿第二定律有：；因为段很短，它所对应的圆心角很小所以将此近似关系和代入上式得绳中的张力为例4 在某铅垂面上有一固定的光滑直角三角形细管轨道ABC，光滑小球从顶点A处沿斜边轨道自静止出发自由地滑到端点C处所需时间，恰好等于小球从顶点A处自静止出发自由地经两直角边轨道滑到端点C处所需的时间.这里假设铅垂轨道AB与水平轨道BC的交接处B有极小的圆弧，可确保小球无碰撞的拐弯，且拐弯时间可忽略不计.在此直角三角形范围内可构建一系列如图144中虚线所示的光滑轨道，每一轨道是由若干铅垂线轨道与水平轨道交接而成，交接处都有极小圆弧（作用同上），轨道均从A点出发到C点终止，且不越出该直角三角形的边界，试求小球在各条轨道中，由静止出发自由地从A点滑行到C点所经时间的上限与下限之比值.解析 直角三角形AB、BC、CA三边的长分别记为 、，如图144甲所示，小球从A到B的时间记为，再从B到C的时间为，而从A直接沿斜边到C所经历的时间记为，由题意知，可得：=3：4：5，由此能得与的关系.因为所以因为：=3：4，所以 小球在图144乙中每一虚线所示的轨道中，经各垂直线段所需时间之和为，经各水平段所需时间之和记为，则从A到C所经时间总和为，最短的对应的下限，最长的对应的上限小球在各水平段内的运动分别为匀速运动，同一水平段路程放在低处运动速度大，所需时间短，因此，所有水平段均处在最低位置（即与BC重合）时最短，其值即为，故= 的上限显然对应各水平段处在各自可达到的最高位置，实现它的方案是垂直段每下降小量，便接一段水平小量，这两个小量之间恒有，角即为ACB，水平段到达斜边边界后，再下降一小量并接一相应的水平量，如此继续下去，构成如图所示的微齿形轨道，由于、均为小量，小球在其中的运动可处理为匀速率运动，分别所经的时间小量与之间有如下关联：于是作为之和的上限与作为之和的之比也为故的上限必为，即得：这样=7:5例5 在光滑的水平面上有两个质量可忽略的相同弹簧，它们的一对端点共同连接着一个光滑的小物体，另外一对端点A、B固定在水平面上，并恰使两弹簧均处于自由长度状态且在同一直线上，如图145所示.如果小物体在此平面上沿着垂直于A、B连线的方向稍稍偏离初始位置，试分析判断它是否将做简谐运动？解析 因为一个物体是否做简谐运动就是要看它所受的回复力是否是一个线性力，即回复力的大小与位移大小成正经，方向相反.因此分析判断该题中的小物体是否做简谐运动，关键是求出所受的回复力的表达式（即此题中所受合外力的表达式）.以AB中点为原点，过中点且垂直于AB的直线为轴，如图145甲所示，取轴正方向为正方向，小物体所受回复力为： 其中为弹簧的劲度系数，为弹簧的自由长度，为弹簧伸长后的长度，为弹簧伸长后与AB直线的夹角.由几何知识可得 将、代入式得：由此可见，小物体受的合外力是一个非线性回复力，因此小物体将不做简谐运动.同时本题表明，平衡位置附近的小振动未必都是简谐运动.例6 三根长度均为，质量均匀的直杆，构成一正三角形框架ABC，C点悬挂在一光滑水平转轴上，整个框架可绕转轴转动.杆AB是一导轨，一电动玩具松鼠可在导轨上运动，如图146所示，现观察到松鼠正在导轨上运动，而框架却静止不动，试论证松鼠的运动是一种什么样的运动.解析 松鼠在AB轨道运动，当框架不动时，松鼠受到轨道给它的水平力F作用，框架也受到松鼠给它的水平力F作用，设在某一时刻，松鼠离杆AB的中点O的距离为，如图146所示，松鼠在竖直方向对导轨的作用力等于松鼠受到的重力，m为松鼠的质量.以C点为轴，要使框架平衡，必须满足条件，松鼠对AB杆的水平力为，式中L为杆的长度.所以对松鼠而言，在其运动过程中，沿竖直方向受到的合力为零，在水平方向受到杆AB的作用力为F，由牛顿第三定律可知F=F，即其中即松鼠在水平方向受到的作用力F作用下的运动应是以O点为平衡位置的简谐运动，其振动的周期为当松鼠运动到杆AB的两端时，它应反向运动，按简谐运动规律，速度必须为零，所以松鼠做简谐运动的振幅小于或等于L/2=1m.由以上论证可知，当框架保持静止时，松鼠在导轨AB上的运动是以AB的中点O为平衡位置，振幅不大于1m、周期为2.64s的简谐运动.例7 在一个横截面面积为S的密闭容器中，有一个质量为m的活塞把容器中的气体分成两部分.活塞可在容器中无摩擦地滑动，活塞两边气体的温度相同，压强都是，体积分别是V1和V2，如图147所示.现用某种方法使活塞稍微偏离平衡位置，然后放开，活塞将在两边气体压力的作用下来回运动.容器保持静止，整个系统可看做是恒温的. （1）求活塞运动的周期，将结果用、V1、V2、m和S表示； （2）求气体温度时的周期与气体温度=30时的周期之比值.解析 （1）活塞处于平衡时的位置O为坐标原点当活塞运动到右边距O点处时，左边气体的体积由V1变为V1+，右边气体的体积由V2变为V2，设此时两边气体的压强分别为和，因系统的温度恒定不变，根据玻意耳定律有：而以上两式解出： 按题意，活塞只稍许离开平衡位置，故上式可近似为： ，于是活塞受的合力为所以活塞的运动方程是其中是加速度，由此说明活塞做简谐运动，周期为（2）设温度为时，周期为，温度为时，周期为.由于，得出所以，将数值代入得例8 如图148所示，在边长为的正三角形三个顶点A、B、C处分别固定电量为Q的正点电荷，在其中三条中线的交点O上放置一个质量为m，电量为的带正电质点，O点显然为带电质点的平衡位置，设该质点沿某一中线稍稍偏离平衡位置，试证明它将做简谐运动，并求其振动周期.解析 要想证明带电质点是否做简谐运动，则需证明该带电质点沿某一中线稍稍偏离平衡位置时，所受的回复力是否与它的位移大小成正比，方向相反.因此该题的关键是求出它所受回复力的表达式，在此题也就是合外力的表达式.以O为坐标原点，以AOD中线为坐标轴，如图148甲所示，设带电质点在该轴上偏移，A处Q对其作用力为，B、C处两个Q对其作用的合力为，取轴方向为正方向. 有因为当很小时可忽略高次项所以 （略去项） （略去项）因此带电质点所受合力为由此可知，合外力与大小成正比，方向相反.图149即该带电质点将做简谐运动，其振动周期为例9 欲测电阻R的阻值，现有几个标准电阻、一个电池和一个未经标定的电流计，连成如图149所示的电路.第一次与电流计并联的电阻为50.00，电流计的示度为3.9格；第二次为100.00，电流计的示度为5.2格；第三次为10.00，同时将待测电阻R换成一个20.00k的标准电阻，结果电流计的示度为7.8格.已知电流计的示度与所通过的电流成正比，求电阻R的阻值.解析 在测试中，除待求量R外，电源电动势E，电源内阻，电流计内阻以及电流计每偏转一格的电流，均属未知.本题数据不足，且电流计读数只有两位有效数字，故本题需要用近似方法求解.设电源电动势为E，电流计内阻为，电流计每偏转一格的电流为，用欧姆定律对三次测量的结果列式如下：从第三次测量数据可知，当用20k电阻取代R，而且阻值减小时电流计偏转格数明显增大，可推知R的阻值明显大于20k，因此电源内阻完全可以忽略不计，与R相比，电流计内阻与的并联值对干路电流的影响同样也可以忽略不计，故以上三式可近似为： 待测电阻R=120k图1410解、三式，可得=50例10 如图1410所示，两个带正电的点电荷A、B带电量均为Q，固定放在轴上的两处，离原点都等于.若在原点O放另一正点电荷P，其带电量为，质量为m，限制P在哪些方向上运动时，它在原点O才是稳定的？解析 设轴与轴的夹角为，正电点电荷P在原点沿轴方向有微小的位移时，A、B两处的点电荷对P的库仑力分别为、，方向如图1410所示，P所受的库仑力在轴上的分量为 根据库仑定律和余弦定理得 将、式代入得： 因为很小，忽略得： 又因为所以利用近似计算得 忽略得当（时具有恢复线性形式，所以在范围内，P可围绕原点做微小振动，所以P在原点处是稳定的.例11 某水池的实际深度为，垂直于水面往下看，水池底的视深为多少？（设水的折射率为）解析 如图1411所示，设S为水池底的点光源，在由S点发出的光线中选取一条垂直于面MN的光线，由O点垂直射出，由于观察者在S正方，所以另一条光线与光线SO成极小的角度从点S射向水面点A，由点A远离法线折射到空气中，因入射角极小，故折射角也很小，进入人眼的两条折射光线的反向延长线交于点S，该点即为我们看到水池底光源S的像，像点S到水面的距离，即为视深.由几何关系有所以，因为、均很小，则有，所以 又因所以视深针对训练1活塞把密闭气缸分成左、右两个气室，每室各与U形管压强 计的一臂相连，压强计的两臂截面处处相同.U形管内盛有密度 为102kg/m3的液体.开始时左、右两气室的体积都为 V0=1.2102m3，气压都为103Pa，且液体的液面处 在同一高度，如图1412所示.现缓缓向左推动活塞，直到液体在 U形管中的高度差h=40cm.求此时左、右气室的体积V1、V2.假 定两气室的温度保持不变.计算时可以不计U形管和连接管道中 气体的体积.取g=10m/s2.2一汽缸的初始体积为V0，其中盛有2mol的空气和少量的水（水的体积可忽略），其平衡 时气体的总压强是3.0大气压.经过等温膨胀使其体积加倍，在膨胀过程结束时，其中的 水刚好全部消失，此时的总压强为2.0大气压.若让其继续作等温膨胀，使其体积再次加 倍，试计算此时： （1）汽缸中气体的温度； （2）汽缸中水蒸气的摩尔数； （3）汽缸中气体的总压强. （假定空气和水蒸气均可当做理想气体处理）图141331964年制成了世界上第一盏用海浪发电的航标灯，它的气 室示意图如图1413所示.利用海浪上下起伏力量，空气 能被吸进来，压缩后再推入工作室，推动涡轮机带动发电 机发电.当海水下降时，阀门S1关闭，S2打开，设每次吸 入压强为1.0106Pa、温度为7的空气0.233m3（空气可 视为理想气体），当海上升时，S2关闭，海水推动活塞 绝热压缩空气，空气压强达到105Pa时，阀门S1才 打开.S1打开后，活塞继续推动空气，直到气体全部推入工 作室为止，同时工作室的空气推动涡轮机工作.设打开S1后，活塞附近的压强近似保持不 变，活塞的质量及活塞筒壁间的摩擦忽略不计.问海水每次上升时所做的功是多少？已知 空气从压强为、体积为V1的状态绝热的改变到压强为、体积为V2的状态过程中， 近似遵循关系式/=（V2/V1）5/3，1mol理想气体温度升高1K时，内能改变为图1414 3R/2.R=8.31J/(molK)4如图1414所示，在O轴的坐标原点O处， 有一固定的电量为的点电荷，在 处，有一固定的、电量为的点电荷，今有一 正试探电荷放在轴上的位置，并设斥力 为正，引力为负. （1）当的位置限制在O轴上变化时，求的受力平衡的位置，并讨论平衡的稳定性； （2）试定性地画出试探电荷所受的合力F与在O轴上的位置的关系图线.5如图1415所示，一人站在水面平静的湖岸边，观察到离岸边有一段距离的水下的一条 鱼，此人看到鱼的位置与鱼在水下的真实位置相比较，应处于什么方位.6如图1416所示，天空中有一小鸟B，距水面高，其正下方距水面深处 的水中有一条小鱼A.已知水的折射率为4/3，则小鸟看水中的鱼距离自己是多远？小鱼看 到鸟距离自己又是多远？参考答案十一、图象法1A 2A、D 3C45 6乙图中小球先到底端 7= 813.64s 92:1 10D 11十二、类比法1 2 34 5 6（1） （2） （3）7（注：将“两块半透镜移开一小段距离”后加“”.在“ 处放置一个”与“单色点光源”之间加“波长为的”.）8（1） （2）十三、降维法10.288103NF0.577103N 2(1)7.2N （2）0.8m/s2 35N沿斜面指向右上方水平方向的夹角为53 4 5 6（1） （2）十四、近似法1V1=0.8102m3 ，V2=1.6102m3 2（1）373K （2）2mol （3）1.0大气压 38.15104J 4（1）平衡是稳定的 （2）5应在鱼的右上方 66m，8m14