物理选修33大题解法_对一道高考全国物理题的解法研究

  2008年高考全国物理第23题是一道非数值型的纯运动学试题,题意简单明了,初看此题,考生便会激起拿下它的强烈的求解欲望。但据当年考后调查,历经了“练兵千日,用在一时”磨练的莘莘学子却大多在此题面前败下阵来。我最近探讨了该题的解法,发现犹如进入科学迷宫,其解题思路的切入点,各种思路的解及其解的变化绵延不绝,奥妙无穷,令人叹为观止,最终不得不给该题定论:这是一道看起来容易,解起来难,同时又是考查考生科学的思维能力、解决问题的能力及应变能力的好题。现将自己对该题解法研究的结果呈现给大家,以抛砖引玉。
  【题目】已知O、A、B、C为同一直线上的四点,AB间的距离为l,BC间的距离为l,一物体自O点由静止出发,沿此直线做匀加速运动,依次经过A、B、C三点,已知物体通过AB段与BC段所用的时间相等。求O与A的距离。
  (原解略)
  思路1:利用并围绕速度公式求解。
  该思路是以匀变速直线运动的速度公式v=v+at为基准,然后根据运动学的其余规律及特点,逐个确定该式中的各个物理量,最后代入该式求出结果。
  解:设物体加速度为a,通过AB、BC段的时间为t,A、B点速度分别为v、v,OA间距离为l。根据速度公式有
  v=v+at(1)
  AB、BC段时间相等,故
  v=(2)
  且l-l=at(3)
  对OA段有
  v=2al(4)
  将(2)(3)(4)代入(1)式
  =+
  即得
  l=
  变解:列出(1)(2)(3)式,再对OA段列出v=at与l=at两式,也可得解。
  思路2:利用位移公式求解。
  该思路是根据匀变速直线运动的位移公式x=vt+at,分别列出OA、AB、BC三段的位移方程,然后解这些方程即可。
  解:设物体通过OA段的时间为t,其余如上。有
  l=at(1)
  l=at・t+at(2)
  l=a(t+t)t+at(3)
  解得l=
  变解:列出(1)式,再列出以下两式
  l+l=a(t+t)(2)′
  l+l+l=a(t+2t)(3)′
  由(1)(2)′(3)′式可得所求。
  思路3:利用位移差的等量关系求解。
  位移差的等量关系表现在两个方面,其一是位移之差的几何关系,即OA间距离等于OB与AB间距离之差;其二是做匀变速直线运动的物体,通过连续相邻相等时间内的位移差等于恒量。本题可用该思路求解。
  解:假设如上。
  根据位移差的几何关系有
  l=s-l(1)
  物体通过AB和BC段的时间相等有
  l-l=at(2)
  因为s=
  且v=
  所以s=(3)
  解得l=
  变解:列出(1)(2)式,再列出s=vt,v=at与v=三式即可。
  思路4:利用速度―位移公式求解。
  根据匀变速直线运动的速度公式和位移公式,消去时间t,导出的公式v-v=2ax叫速度―位移公式。本思路利用该公式,再列出一个辅助方程,即可得解。
  解:假设如上,再设C点速度v,则
  从O到A:v=2al(1)
  从A到B:v-v=2al(2)
  从B到C:v-v=2al(3)
  又物体在B点时的速度v=(4)
  解得:v=・a(5)[注解1]
  将(5)式代入(1)式得
  l==
  思路5:利用位移―平均速度公式求解。
  根据匀变速直线运动的速度公式和位移公式,消去加速度a,导出的公式x=(v+v)t=t叫位移―平均速度公式。本思路利用该公式,再列出一些辅助方程,也可得解。
  解:假设如上。
  有
  l=vt(1)
  l=(v+v)t(2)
  l=(v+v)t(3)
  又v=(v+v)(4)
  v=at(5)
  v=v+2at(6)
  由(2)(3)(6)式得
  l-l=at(7)
  由(2)(3)(4)式得
  v=(8)
  再根据(1)(5)(7)(8)式得
  l=
  变解:列出(2)(3)(4)式,再列出(5)′式,即可求得O到A的距离l。
  v=2a(l+l+l)(5)′
  由(2)(3)(4)式得
  v=(6)′
  将(6)′式代入(5)′式解得
  l=
  思路6:利用平均速度与瞬时速度的关系求解。
  做匀变速直线运动的物体,在某段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度,表示为v===(v+v)。本题可用这个关系方便地求解。
  解:假设如上,再设AB段中间时刻的速度为v,
  则v=a(t+t)。
  因v=,且l-l=at,所以=(t+t)
  即t=-
  于是得OA间距离
  s=at=(-)=
  变解1:假设如上。
  A点速度v=v-a・
  因为v=
  所以v=-a・(1)
  又l-l=at(2)
  OA间距离l=(3)
  由(1)(2)(3)式解得
  l===
  变解2:假设如上,再设BC段中间时刻的瞬时速度为v,则
  v==,v===
  得=
  因为v=at,v=a(t+t),v=a(t+2t),代入上式得
  t=t
  又l-l=at
  故OA间距离
  l=at=at=
  思路7:利用时间关系求解。
  本思路是利用AB段和BC段的时间相等求解。
  解:假设如上,再设物体从O到A、B、C各点的时间分别为t、t、t。
  则由x=at得t=,t=,t=
  因为t-t=t-t
  所以2t=t+t
  将以上各时间代入
  2=+
  解得
  l=
  变解:假设如上。则由v=2ax得物体经过A、B、C三点时的速度分别为v=,v=,v=
  因AB段平均速度=
  BC段平均速度=
  又物体通过AB段和BC段的时间相等,即=
  所以=
  解得OA间距离[注解2]
  l=
  思路8:利用图像法求解。
  图像法是研究匀变速直线运动的一种常用方法。特别对初速度为零的匀加速直线运动的题目,若能用图像法求解,则会使解题过程变得意想不到的便捷。本题用v-t图像求解。
  解:据题意作v-t图像如下,假设如图所示。
  由图可得=
  =
  解得l=
  思路9:利用比例式求解。
  因本题物体的初速度为零,且做匀加速直线运动,故可用比例式求解。
  解:将OA段时间按AB和BC段的大小n等分,则AB和BC段时间分别为第(n+1)、(n+2)等分。
  由初速度为零的匀加速直线运动的比例式:
  x∶x∶x∶…∶x∶l∶l=1∶3∶5∶…∶(2n-1)∶(2n+1)∶(2n+3)
  有=,得
  n=(1)
  同时有x∶l=1∶(2n+1),得
  x=(2)
  OA间的距离
  l=x+x+x+…+x=x+3x+5x+…+(2n-1)x
   =x[1+3+5+…+(2n-1)]=xn(3)
  由以上各式解得l=xn=
  看得出,以上诸解几乎囊括了匀变速直线运动的全部内容。然而,该试题的解题思路,对应的解,以及解的变化不会仅此而已,有待大家予以补充。我们研究过去试题的解法,目的在于展现命题者的匠心独具,挖掘试题潜在的教育功能,并借此为后来参加高考的人们从一个侧面领略自然科学的博大精深,摒弃题海战术,崇尚科学精神,掌握科学方法,寻求最佳解题途径提供有益的帮助。
  注解:(供参考)
  注解1:由(2)式:v-v=2al,得(v-v)(v+v)=2al(2)′
  由(3)式:v-v=2al,得(v-v)(v+v)=2al(3)′
  由(4)式:v=,得v-v=v-v(4)′
  再根据(2)′(3)′(4)′得:v=v(5)′
  (2)+(3)式:v-v=2a(l+l),再将(5)′代入得:
  v=v-2a(l+l)=・v-2a(l+l)
  即v[-1]=2a(l+l)
  也即v(l-6ll+9l-l+6ll-9l)=2a(l+l)(l-3l)
  化解、整理后得到(6)式:v=・a
  注解2:由=
  得:l-l=(l-l),等式两边平方:
  l(l+l+l)+ll-2ll=(l-l)(l+l),移项:
  l(l+l+l)+ll-(l-2ll+l)(l+l)=2ll,
  化解后得:3ll-ll+2lll=2ll
  即3l-l+2l=2,等式两边再次平方:
  (3l-l)+4l(3l-l)+4l=4l+4ll+4ll,
  化简后得到最后结果:l=
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