談物理“命題” 和“一題多變”
在高中物理中,我們時常見到下面的命題。
[命題]如圖所示,一條長度爲a的柔軟細繩,兩端分別繫於距離爲b的兩豎直牆壁的同一水平線的A、B兩點之間,設a>b,且繩足夠長;一輕質滑輪搭掛於繩上,其下方懸掛質量爲m的物體。當系統平衡時。試求:⑴細繩中的張力T0的大小、細繩跟水平方向的夾角;⑵若細繩的長度a、物體的質量m等不變,使繩的右端沿牆壁下移〈或上移〉到任意點P,即使細繩兩端水平距離b保持不變,則細繩中的張力T的大小、細繩跟水平方向的夾角。
[解析]⑴首先,在題設條件下,輕繩、滑輪的質量和摩擦力均可忽略,先由線段的幾何關係、系統受力情況做出示意圖2。然後,根據三角關係、力的平衡條件,可得
------------①
----------②
由①、②式可得
-----------③
-------④
⑵容易理解,在這種情況下兩段細繩所產生的張力大小也是大小相等的。如圖3所示,設左右兩段細繩跟水平方向的夾角分別爲,同理,可得
----------⑤
-----------------⑥。
由於,
,
---------------------------------⑦
在中學數學中,對正比函數,可以證明下式
完全成立,從而由⑦式可得
,
亦即 ---⑧。
再把上式代入⑤式,又得
--------------⑨
同樣地,若使B點向上移到任意點P,解析表明仍舊可以求出⑧、⑨兩式的結果。
綜上解析再加以合理外推可知,當細繩的長度a、兩端水平距離b以及物體的質量m等均保持不變時,無論怎樣改變A、B兩點的位置,只要能使得兩段細繩的長度均不爲零,那麼,細繩中的張力的大小和兩段細繩的方向保持不變,其數值均可由③、④式來表示。
由圖4可以看出,當沿AC方向的自變量x發生變化時,沿AB方向的變量y亦發生相應的變化發生變化,而y與x成正比的函數關係。在B點從上面的.最高點D〈圖中並未畫出〉向下面的最低點C移動過程中,細繩的張力T的大小和方向等均保持不變。
既然如此,在物理解題的教學中,我們可以不改變上述基本思想的條件下,透過改變題設已知條件、未知目標等等方法,就可以編制或選擇一些類似的習題讓學生分析或解答,使之對物理概念、規律等加深理解和熟練應用,以期豐化、深化這一基本思想,強化、硬化學生解答此類物理問題的基本能力。
請讀者看以下三個常見的物理習題的解答。
[例題1]如圖5所示,總長爲L的輕繩兩端各系一個重量爲G的圓環,在輕繩的中點掛一重量爲2G的物體,已知圓環所受最大靜摩擦力等於壓力的1/2,求:兩圓環在杆上靜止時的最大距離X。
[解析]此例與命題情況類似。由於G=mg,因此由命題中⑵、⑶式得
--------①
----------②
又由圖可知 ---------③
對於圓環由平衡條件
-----------④
------------------⑤
再由②③④⑤式得
-----------------⑥
聯立①⑥求解,最後得結果爲
.
[例題2]如圖6所示,豎立在地面上的兩杆相距4m、長爲5m的細繩兩端分別固定與兩杆的頂端A和B,在繩上一輕質光滑的小掛鉤O的下面掛一重量爲G的物體。當物體靜止時,下列判斷正確的是
細繩AO段、BO段分別跟水平方向的夾角肯定相等;
細繩AO段、BO段的張力相等;
兩杆頂端所受的繩的拉力均爲5G/6;
只有兩杆等高時,選項A才正確。
[解析]類似地,由於G=mg,因此由命題中⑻、⑼式得
,
易知,對靜止狀態下、質量不計的輕繩而言,兩杆頂端所受繩的拉力等於兩段細繩中的張力。由命題所得結果看,無論兩杆是否等高,選項AB都正確。因此,本題正確選項爲A、B、C。
[例題3]如圖7所示,將一輕而柔軟的細繩一端拴在天花板上的A點,另一端拴在豎直牆上的B點,A和B到O點的距離相等,繩的長度是OA的兩倍。圖?—?爲一質量可忽略的動滑輪K,滑輪下懸掛一質量爲m的重物,設摩擦力可忽略。先將動滑輪和重物一起掛到細繩上,在達到平衡時,繩所受得拉力是多大?兩段細繩與水平方向的夾角分別爲多大?
[解析]類似地,設A和B到O點的距離爲l,則細繩長度爲2l。細繩所受的拉力可由命題內⑻、⑼式得到
談物理“命題”和“一題多變
學問君
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