刊名: 教育研究
主办: 中国教育科学研究院
周期: 月刊
出版地:北京市
语种: 中文;
开本: 大16开
ISSN: 1002-5731
CN: 11-1281/G4
邮发代号:2-277
历史沿革:
专题名称:教育理论与教育管理
期刊荣誉:社科双效期刊;国家新闻出版总署收录;中国期刊网核心源刊;CSSCI 中文社会科学引文索引来源期刊;北京大学《中文核心期刊要目总览》来源期刊;
创刊时间:1979
高中物理中如何寻找等效最高点
【作者】 王 莉
【机构】 福建省宁化县第六中学
【摘要】【关键词】
【正文】 高中物理中的等效最高点和等效最低点,又称物理最高点和物理最低点,是相对于几何最高点和最低点而言的。几何最高点和最低点是图形中所画的,符合人眼视觉习惯的最高点和最低点。物理中等效最高点和最低点一般和等效“重力场”联系在一起,它们有时相同有时不同。从动力学角度看,在复合场中,电场力和重力的合力为“等效重力”,将这个力类比成重力去分析处理问题,从而找到等效最高点、最低点。比如:在匀强电场中,带电体受到的电场力和重力皆为恒力,可将重力和电场力进行合成,则合力F等效于重力,a=F/m为等效重力加速度,F的方向等效于“竖直向下”的方向。类比只有重力场作用的情况,F所指的方向为等效最低点,与之相对的就是等效最高点。物体在等效最低点时:速度最大;物体在等效最高点时:速度最小。从能量角度来看,等效最低点是指重力势能与电势能之和最小的位置或者为动能最大的位置;干脆些说,就是在没有速度的情况下可以达到平衡的那个点就是等效最低点由于最高点和最低点关于圆心对称,找到等效最低点,根据对称性就可以找到等效最高点!
(一)圆周运动问题中的等效最高点
在圆周运动中,经常遇到小球在竖直平面内做圆周运动的临界速度问题。小球能维持圆周运动的条件是能过最高点。这里的最高点是等效最高点,不一定是几何最高点。而等效最高点是物体在圆周运动过程中速度最小(称为临界速度)的点。等效最高点与几何最高点有时一致,有时不一致。
1、等效最高点与几何最高点重合
例1 如图1,一根长为l的细绳,
一端固定在O点,另一端系一质量为m
的小球,欲使小球在竖直平面内做圆周运
动,小球至最高点时速度应该是多大?
此题中,只有重力场,在图中几何最高
点A小球速度最小,因此A点也是物理中的
最高点,由圆周运动的规律可知:临界速度v=■。
若此题中,小球带正电,另加一电场方向竖直向下的匀强电场 E,如图2,由功能关系 可知,A点仍是最小速度,为等效最高点。此时可将电场力qE与重力mg的合力F=mg +qE看作等效重力mg',mg'=mg+qE,g'=■, g'称为等效重力加速度,此时A点临界速度v=■。
2、等效最高点与几何最低点重合
在例1中,若小球带正电,电场
强度方向改为竖直向上,且qE>mg,
如图3,则由功能关系可知,在图中
B点速度最小,则B点为等效最高点,
等效重力加速度g'■=,过B点临
界速度■l。
3、等效最高点与几何最高点、最低点都不重合
在例1中若小球带正电,电场强度方向改为水平向右,如图4,此时可作出电场力和重力的合成矢量图,让合力作用线通过圆心与圆相交,则交点C为等效最高点,可求等效重力加速度,g'=■,此时C点的临界速度v=■=■,与C点对称的D点为等效最低点。
(二)抛体运动问题中的等效最高点
1、仅在重力场中的抛体运动,任何速度都可以分解为竖直速度和水平速度两个分量。 那么只要在竖直方向还有速度,如果是向上则继续上升,如果是向下则已经下降了一段距离。因此只有竖直速度为零才不再上升也不曾下降,此时只剩水平方向的速度,该点就一定是最高点。此时物理中的最高点和几何最高点是一致的。
2、在复合场中的抛体运动,会出现
等效最高点和几何最高点不一致的情
况。如图5示在水平向右的匀强电场
中,竖直向上以初速度v0抛出一个带
正电小球q,求小球运动过程中的最小
速度。此题中的最小速度位置并未到达几何最高点,而是在合力与瞬时速度垂直的位置,此位置为物理中的等效最高点。
综上所述,高中物理中等效最高点与几何最高点不一定一致。在解答复合场中的力学问题时,要根据功能关系和动力学关系找出等效最高点作为解题的突破口。
(一)圆周运动问题中的等效最高点
在圆周运动中,经常遇到小球在竖直平面内做圆周运动的临界速度问题。小球能维持圆周运动的条件是能过最高点。这里的最高点是等效最高点,不一定是几何最高点。而等效最高点是物体在圆周运动过程中速度最小(称为临界速度)的点。等效最高点与几何最高点有时一致,有时不一致。
1、等效最高点与几何最高点重合
例1 如图1,一根长为l的细绳,
一端固定在O点,另一端系一质量为m
的小球,欲使小球在竖直平面内做圆周运
动,小球至最高点时速度应该是多大?
此题中,只有重力场,在图中几何最高
点A小球速度最小,因此A点也是物理中的
最高点,由圆周运动的规律可知:临界速度v=■。
若此题中,小球带正电,另加一电场方向竖直向下的匀强电场 E,如图2,由功能关系 可知,A点仍是最小速度,为等效最高点。此时可将电场力qE与重力mg的合力F=mg +qE看作等效重力mg',mg'=mg+qE,g'=■, g'称为等效重力加速度,此时A点临界速度v=■。
2、等效最高点与几何最低点重合
在例1中,若小球带正电,电场
强度方向改为竖直向上,且qE>mg,
如图3,则由功能关系可知,在图中
B点速度最小,则B点为等效最高点,
等效重力加速度g'■=,过B点临
界速度■l。
3、等效最高点与几何最高点、最低点都不重合
在例1中若小球带正电,电场强度方向改为水平向右,如图4,此时可作出电场力和重力的合成矢量图,让合力作用线通过圆心与圆相交,则交点C为等效最高点,可求等效重力加速度,g'=■,此时C点的临界速度v=■=■,与C点对称的D点为等效最低点。
(二)抛体运动问题中的等效最高点
1、仅在重力场中的抛体运动,任何速度都可以分解为竖直速度和水平速度两个分量。 那么只要在竖直方向还有速度,如果是向上则继续上升,如果是向下则已经下降了一段距离。因此只有竖直速度为零才不再上升也不曾下降,此时只剩水平方向的速度,该点就一定是最高点。此时物理中的最高点和几何最高点是一致的。
2、在复合场中的抛体运动,会出现
等效最高点和几何最高点不一致的情
况。如图5示在水平向右的匀强电场
中,竖直向上以初速度v0抛出一个带
正电小球q,求小球运动过程中的最小
速度。此题中的最小速度位置并未到达几何最高点,而是在合力与瞬时速度垂直的位置,此位置为物理中的等效最高点。
综上所述,高中物理中等效最高点与几何最高点不一定一致。在解答复合场中的力学问题时,要根据功能关系和动力学关系找出等效最高点作为解题的突破口。