高中物理习题中的等效法例谈

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  在物理问题中,一个过程的发展,一个状态的确定,往往是由多个因素所决定。在这一过程的发展中,若有某些因素所起的作用和另外一些因素所起的作用相同,一些因素和后一些因素是等效的,它们便可以相互代替,而对过程的发展或状态的确定的最后结果并不影响。这种以等效为前提而使某些因素相互代替来研究问题的方法就是等效法。应用等效法时往往是用较简单的因素代替较复杂的因素,使问题得以简化而便于求解。
  1. 几何形状的等效变换
  有些习题,如果直接对具有某种几何形状的物体进行分析、求解,似乎感到条件不足,甚至解不出来。如果我对物体的几何形状进行变换,从而达到求解的目的。
  例1,一块均匀半圆薄电阻合金片P,先将它按图1所示中甲方式接在AB之间,得它的电阻为R,然后按乙方式接在电极CD之间,这时P电阻多大?
  
  
  分析:初看此题无从下手,但我们可利用半圆合金片形状的特殊性进行几何形状的等效变换,即可以解决问题。图丙为两个P片串联,故总电阻为2R,而两个P片合成一个半圆形合金片还可以通图丁的方式组合,图丁和图丙的总电阻是相等的,而图丁是两个P片并联故图丁中每个P片的电阻为4R,因而图乙中的P片电阻为4R。
  2. 合力与分力的等效变换
  合力它的分力是等效替代的关系,在有些问题中,我们可以用合力代替它的两个分力,然后再去参与运算,可以使整个习题的运算变得思路清晰明了。
  例2,如图2所示,有五个力作用于同一点O,表示这五个力的有向线段恰好构成一个下六边形的两个邻边和三条对角线,已知F1=10N,则这五个力合力大小为多少牛?
  
  
  解析:由力的三角形法则及矢量的平移性可知,F3平移至F4和F1的矢端后,F4与F3的合力大小等于F1,F2平移至F5和F1的矢端后,F5与F2的合力亦等F1,故这五个力的合力为3F1,即30N。本题中F2与F5的合力,F3与F4的合力大小均等于F1,用F1分别等效替代这两组分力,问题即可求解。
  3. 物理模型的等效变换
  例3,如图3所示,在水平地面上有一辆运动的小车,车上固定一个盛水的杯子,杯子的直每径为L,当车向右做加速度为a的匀速直线运动时,水面呈如果中的状态,求液面的高度差H。
  
  
  分析:本题乍看起来不知从何处下手,但仔细分析,此题可以和斜联系起来。假设可以在杯中水平上取一小滴水A,并所它等效为一个放在斜面上的小物体A,如图所示3,这样的物理模型是大家比较熟悉的。
  4. 物理过程的等效转换
  若一个研究对象从同一初始状态出发,分别经过两个不同的过程而最后达到的结束状态是相同的,则对于研究对象的这个状态变化来说上述的两个过程是等效的。
  5. 参照系的等效变换
  在某些习题中物体的运动状态常以地面为参照系,这样的习题作起来有时很麻烦,然而恰当地变换参照系,可以化繁为简。
  例4,在平直公路上行驶的汽车,原来放在车厢后壁上的小球A,因汽车突然刹车而跌落到车厢地板上,设汽车刹车时加速度为9米/秒2,行李架离地面距离2米,求小球着地点与架子水平距离多大?(设空气阻力不计,小球落地时汽车仍未停止)
  解析:由题意如果以地面为参照系,那么,汽车刹车瞬间做匀减速运动,小球A做平抛运动,则
   t=2Hg ..................(1)
   S1=r0t+12at2 ..................(2)
   S+S1=r0t..................(3)
  由(2)(3):S=12at2 ..................(4)
  把(1)代入(4)得S=1.8米
  可见,我们必须对小车和小球都进行分析才能求解,比较麻烦,如果变换参照系,即以小车为参照系,则只须研究小球A的运动状态即可以解决。
  6. 电路的等效变换
  例5,如图2-2-6所示,虚线内各元件的参数均不知,若在a、b端接一只R1=10 Ω的电时,测得I1=1A ,若在a、b间换接电阻R2=18 Ω时,测得I2=0.6A ,若换接电阻R3时,测得其中电流I3=0.1A ,则R3的阻值为多少?
  
  
  
  解析:虚线框内元件的参数至少为3个(电源内阻不计时),两次测量显然不能求解出各元件参数,因此,不可能用常规方法求解R3,实际上,即使知道虚线框内各元件参数,利用串、并联电路及全电路欧姆定律求解R3也很复杂。
  对外接于a、b端的电阻而言,虚线框内部分相当于一个电流,设等效电动势及等效内阻分别为 ε、r,则
   ε=I1(R1+r)..................(1)
  ε=I2(R2+r)..................(2)
  ε=I3(R3+r)..................(3)
  根据已知条件由(1)(2)解得
  ε=12VR3=118Ω
  7. 等效法处理叠加场
  各种性质的场与实物(由分子和原子构成的物质)的根本区别之一是场具有叠加性,即几个场合可以同时占据同一空间,从而形成叠加场,对于叠加场中的力学问题,可以根据力的独立作用原理分别研究每一种场力对物体的作用效果,将叠加场等效为一个简单场,然后与重力场中的力学问题进行对比,利用力学的规律和方法进行分析和解答。
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