【物理】2019届一轮复习人教版物理思想与物理方法学案

【物理】2019届一轮复习人教版物理思想与物理方法学案

第1讲 物理思想与物理方法 ‎1.1定性与半定量方法 ‎ ‎ 知识点睛 物理 的发展过程中，物理 家常常从定性或半定量的方法入手，力求对问题的性质、解的概貌取得一个总体的估计和理解。定性与半定量的方法具体包括：对称性与守恒量的利用、量纲分析、数量级估算、极限情形和特例讨论、简化模型的选取、以及概念方法的类比等。这是一种重要的物理思想方法，也是近年高考的热点问题。‎ ‎1．量纲分析法 由于物理量之间存在着规律性的联系，我们不必对每个物理量的单位都独立地予以规定。物理 中规定了“基本物理量”，并为每个基本物理量规定一个“基本量度单位”，其他物理量的量度单位则可按照它们和基本量之间的关系式（定义或定律）导出，这些物理量称为 “导出量”，它们的单位称为“导出单位”。物理关系式不仅反映了物理量之间的关系，也确定了单位间的关系。‎ ‎2．估算法 估算的常见方法有：⑴某些物体的尺度未知，如跳高运动员的身高，子弹的长度等，这类题需要同学 了解常见物体的尺度量级，根据这个数据进行计算；⑵有些问题的计算并不需要精确地计算，可采用一些近似计算的方法，如油膜法测分子直径；⑶在某些问题的计算过程中往往更关注的是数量级，所以只需要计算数量级即可。常见的量级：‎ 大量：十、百、千、兆、吉、太；‎ 小量：分、厘、毫、微、纳、皮 【附录1】 物质的空间尺度 ‎ ]‎ 【附录1】 基本物理常量（单位）‎ 光速：‎ 普朗克常量：‎ 阿伏加德罗常数：‎ 万有引力常量：‎ 静电力常量：‎ 基本电荷：‎ 电子质量： ] , , ]‎ 电子伏： | | ]‎ 原子质量：（）‎ ‎3．类比法 所谓类比就是“触类旁通”“举一反三”，它是根据两个或两类对象之间在某些方面的相同学或相似而推出它们在其它方面也可能相同学或相似的一种逻辑思维，从而可以帮助我们理解较复杂的实验和较难的物理知识。类比是一种推理方法，不同学事物在属性、数 形式及其他量描述上有相同学或相似的地方就可以来用类比推理。类比法是提出 假说做出 预言的重要途径，物理 发展史上的许多假说是运用类比方法创立的，例如：电势与地势、电流与水流、内能与机械能、原子结构与太阳系、机械波与电磁波、功率概念与速度概念的形成。‎ 例题精讲 ‎⑴ 量纲分析法 【例1】 物理关系式不仅反映了物理量之间的关系，也确定了单位间的关系。如关系式既反映了电压、电流和电阻之间的关系，也确定了（伏）与（安）和（欧）的乘积等效。现有物理量单位：（米）、（秒）、（牛）、（焦）、（瓦）、（库）、（法）、（安）、（欧）和（特），由它们组合成的单位都与电压单位（伏）等效的是 A．和 B． 和 C．和 D．和 【答案】 B 【例2】 ‎（2013福建）在国际单位制（简称SI）中，力 和电的基本单位有：m（米）、 g（千克）、s（秒）、A（安培）。导出单位V（伏特）用上述基本单位可表示为（ ）‎ A． B．‎ C． D．‎ 【答案】 B ‎ + + ]‎ 【例1】 物理关系式不仅反映了物理量之间的数值关系，也确定了单位间的关系。对于单位的分析是帮助我们检验研究结果正确性的一种方法。下面是同学 们在研究平行板电容器充电后储存的能量EC与哪些量有关的过程中得出的一些结论，式中为电容器的电容、为电容器充电后其两极板间的电压、为两极板间的电场强度、为两极板间的距离、为两极板正对面积、为两极板间所充介质的相对介电常数（没有单位）、为静电力常量。请你分析下面给出的关于的表达式可能正确的是 A． B． C． D．‎ 【答案】 C ‎⑵ 估算法 【例2】 由于内部发学生激烈的热核聚变，太阳每时都在向各个方向产学生电磁辐射，若忽略大气的影响，在地球上垂直于太阳光的每平方米的截面上，每秒钟接收到的这种电磁辐射总能量约为。已知日地间的距离，普朗克常量，假设把这种电磁辐射均看成由波长为的光子组成，那么由此估算太阳每分钟向外辐射的光子总数的数量级约为 A. B. C. D. ‎ 【答案】 A ‎⑶ 可能解问题 常用方法：⑴由量纲（单位）判定结果对错；⑵由对称、特殊值判定结果对错 【例3】 ‎（量纲、极限法）物理 中有些问题的结论不一定必须通过计算才能验证，有时只需要通过一定的分析就可以判断结论是否正确。如图所示为两个彼此平行且共轴的半径分别为和的圆环，两圆环上的电荷量均为（），而且电荷均匀分布。两圆环的圆心和相距为，联线的中点为，轴线上的点在点右侧与点相距为（）。试分析判断下列关于点处电场强度大小的表达式（式中为静电力常量）正确的是 A．‎ B．‎ C． D．‎ 【答案】 D 【例1】 ‎（2013丰台二模）设电子质量为m，电荷为e，以角速度绕带正电的质子作圆周运动。当加上磁场方向与电子轨道平面垂直、磁感应强度为B的磁场时，设电子轨道半径不变，而角速度发学生变化。你可能不会求角速度的变化，但仍可运用物理 中常用的方法，在下列选项中，判断的值可近似等于 A． B． C． D．‎ 【答案】 B 【例2】 ‎（对称法）图甲中，为很大的薄金属板（可理解为无限大），金属板原来不带电。在金属板的右侧,距金属板的距离为的一个位置上放入一个带正电、电荷量为的点电荷，由于静电感应产学生了如图甲所示的电场分布。是点电荷右侧与点电荷之间的距离也为的一个点，几位同学 想求出点的电场强度大小，但发现问题很难。几位同学 经过仔细研究，从图乙所示的电场得到了一些启示，经过查阅资料他们知道：图甲所示的电场分布与图乙中虚线右侧的电场分布是一样的。图乙中两异号点电荷电荷量的大小均为，它们之间的距离为，虚线是两点电荷连线的中垂线。由此他们分别求出了点的电场强度大小，一共有以下四个不同学的答案（答案中为静电力常量）其中正确的是 A. B. C. D. ]‎ 【答案】 A 【例3】 ‎（2013安徽、对称法）如图所示，平面是无穷大导体的表面，该导体充满的空间，的空间为真空。将电荷为q的点电荷置于轴上处，则在平面上会产学生感应电荷。空间任意一点处的电场皆是由点电荷q和导体表面上的感应电荷共同学激发的。已知静电平衡时导体内部场强处处为零，则在轴上处的场强大小为（ 为静电力常量）‎ A． B．‎ C． D． . ]‎ 【答案】 D ‎⑷ 类比法 【例4】 类比是一种有效的 学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高 学习 效率。在类比过程中，既要找出共同学之处，又要抓住不同学之处。某同学 对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是 A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用 B．机械波和电磁波都能产学生干涉和衍射现象 C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播 D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波 【答案】 D 【例1】 有质量的物体周围存在着引力场。万有引力和库仑力有类似的规律，因此我们可以用定义静电场强度的方法来定义引力场的场强。由此可得，与质量为的质点相距处的引力场场强的表达式为 （万有引力恒量用表示）。 ‎ 【答案】 【例2】 为了验证电荷之间的引力与电荷间距离的平方成反比的规律，库仑还设计了一个电摆实验，其装置如图所示：为绝缘金属球，为虫胶做的小针，悬挂在尺长的蚕丝下端，端放一镀金小圆纸片。、间的距离可调。实验时使、带异号电荷，则小针受到电引力作用可以在水平面内做小幅摆动。测量出、在不同学距离时，摆动同学样次数的时间，从而计算出每次振动的周期。库仑受万有引力定律的启发，把电荷之间的吸引力和地球对物体的吸引力加以类比，猜测电摆振动的周期与带电小纸片到绝缘带电金属球之间的距离成正比。 ‎ 库仑记录了三次实验数据如下表：‎ 实验次数 小纸片与金属球心的距离 ]‎ ‎15次振动所需的时间 ‎1‎ ‎9‎ ‎20‎ ‎2‎ ‎18‎ ‎41‎ ‎3‎ ‎24‎ ‎60‎ 关于本实验及其相关内容，有以下几种说法：‎ ‎⑴ 根据牛顿万有引力定律和单摆的周期公式可以推断：地面上单摆振动的周期正比于摆球离开地球表面的距离。‎ ‎⑵ 从表格中第1、第2组数据看，电摆的周期与纸片到球心之间的距离可能存在正比例关系。‎ ‎⑶ 假如电摆的周期与带电纸片到金属球球心距离成正比，则三次测量的周期之比应为 ，但是实验测得值为 ，因此假设不成立。‎ ‎⑷ 第3组实验测得的周期比预期值偏大，可能是振动时间较长，两带电体漏电造成实验有较大的误差造成的。‎ 则下列选项正确的是 A．⑵⑷ B．⑴⑵⑶⑷ C．⑵⑶ D．⑴⑶‎ 【答案】 A ‎1.2 其他物理思想方法 ‎ ‎ 知识点睛 除了定性与半定量的方法外，还有一些常用的物理思想与物理方法，如控制变量法、比值定义法、放大法、累积法、等效法等等。‎ ‎1．控制变量法 ‎“控制变量法”是物理中常用的探究问题的 方法。由于影响物理研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素相互交错、共同学起作用的，所以一般要分别研究这个物理量与各个因素之间的关系，再进行综合分析得出结论。这样就必须在研究物理量同学其中一个因素之间的关系时，将另外几个因素人为地控制起来，使它们保持不变，以便观察和研究该物理量与这个因素之间的关系，这就是“控制变量”的方法。例如：研究导体的电阻跟哪些因素有关；研究电功或电热与哪些因素有关；研究通电导体在磁场中受力与哪些因素有关；研究影响感应电流方向的因素；欧姆定律、牛顿第二定律等都是用这种方法研究的。‎ ‎2．比值定义法 比值定义法就是在定义一个物理量的时候采取比值的形式定义。用比值法定义的物理概念在物理 中占有相当大的比例，如速度、加速度、如密度、功率、比热、场强、电阻、磁感强度。‎ ‎3．放大法与累积法 对于物理实验中微小量或小变化的观察，可采用放大的方法。例如体温计、游标卡尺等仪器都是按放大原理制成的，此外还有：卡文迪许扭秤、库仑扭秤、微小形变的观察。注意区别放大法和累积法的不同学，所谓累积法是指把某些难以用常规仪器直接准确测量的物理量用累积的方法，将小量变大量，不仅可以便于测量，而且还可以提高测量的准确程度，减小误差。如测量均匀细金属丝直径时，可以采用密绕多匝的方法；测量单摆的周期时，可测个全振动的时间；分析打点计时器打出的纸带时，可隔几个点找出计数点分析等。‎ ‎4．等效法 当测量器材无法直接测量某个物理量时，就要设法用可以直接测量的物理量来取代不能直接测量的物理量，这就是“等效替代法”。采用此方法时，唯一要注意的是直接测量的与不能直接测量的物理量之间要有内在的联系，找到这种内在的联系，也就完成了实验的设计。可以说“等效替代”的思想是物理实验成功的最根本、最重要的思路，物理 中的相关定律、定理、公式、原理都是以替代思维成立的基础为出发点的。例如合力和分力的关系、重心的概念、等效电阻、等效电源、交流电有效值的计算、等效复合场、等效加速度、验证动量守恒实验中，发学生碰撞的两个小球的速度不易直接测量，可用水平位移代替水平速度研究。‎ 例题精讲 ‎ ‎ 【例1】 用控制变量法，可以研究影响电荷间相互作用力的因素。如图所示，是一个带电的物体，若把系在丝线上的带电小球先后挂在横杆上的、、等位置，可以比较小球在不同学位置所受带电物体的作用力的大小。这个力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度显示出来。若物体的电荷量用表示，小球的电荷量用表示，物体与小球间距离用表示，物体和小球之间的作用力大小用表示。则以下对该实验现象的判断正确的是 A．保持、不变，增大，则变大，说明与有关 B．保持、不变，减小，则变大，说明与成反比 C．保持、不变，减小，则变小，说明与有关 D．保持、不变，减小，则变小，说明与成正比 【答案】 C 【例1】 ‎（等效法）如图所示，一个“”型玻璃管倒置于竖直平面内，并处于、方向竖直向下的匀强电场中，一个带负电的小球，重为，电量，从A点由静止开始运动，球与管壁的摩擦因数。已知管长，倾角，且管顶处有一很短的光滑圆弧。求： ‎ ‎⑴ 小球第一次运动到时的速度多大 ‎⑵ 小球运动后，第一次速度为零的位置在何处 ‎⑶ 从开始运动到最后静止，小球通过的总路程是多少 【答案】 ‎⑴ ；⑵ 速度为零时到的距离为；⑶‎ 【例2】 ‎（2012海淀一模）某 学习小组要研究影响弹簧劲度系数的因素，他们猜想弹簧的劲度系数 可能与制成弹簧的钢丝的半径r、弹簧圈的半径R和弹簧的圈数n有关。为此他们选择了同学种材料制成的不同学粗细的钢丝，分别绕成了弹簧圈半径不同学的弹簧。再利用薄铁片做为卡片和指示弹簧被拉伸后所到位置的指针，用这个卡片选择对弹簧的不同学位置施力，实现对同学一个弹簧使用圈数的改变（如图甲所示），从而可得到圈数不同学的弹簧。他们分别研究了 与r、 与R和 与n的关系（在研究 与弹簧的一个参量的关系时，另外两参量保持不变），并根据测得的数据，分别画出了、和图象如图乙、丙、丁所示。关于上面实验所采用的 方法，以及 与r、R和n的关系，下列说法中可能正确的是 ‎ A．等效替代法， B．控制变量法， ‎ C．等效替代法， D．控制变量法， ‎ 【答案】 D ‎1.3微元法 ‎ ‎ 知识点睛 微元法通俗地说就是把研究对象分为无限多个无限小的部分，取出有代表性的极小的一部分进行分析处理，再从局部到全体综合起来加以考虑的 思维方法。这个小部分可以是时间的一小部分，也可以是空间的一小部分。由于该部分很小，所以可以做一些近似，如匀速运动的近似，恒力的近似等等，那么对该小部分可以简单的写出物理方程，得到物理量之间的基本关系。在高中物理课本中微元法通常用于如下几个方面：1.通过对时间、位移的微分定义瞬时概念，如瞬时速度、瞬时加速度、瞬时功率、瞬时电流、瞬时感应电动势等；2.通过对运动轨迹的微元，处理复杂曲线运动问题，如曲化直、曲化圆；‎ ‎3.通过先微分再求和的方法，求解复杂的过程量，如变速运动的位移、变力做功、流动的总电荷量等。‎ ‎ 补充：教学材中的微元法总结 ‎1．通过时间或位移微元定义概念 ‎《必修1》P16，瞬时速度的定义 ‎《必修2》P18，“做一做”向心加速度表达式的推导 ‎2．通过对运动轨迹的微元，处理复杂曲线运动问题 ‎《必修2》P21，在介绍一般曲线运动的处理方法时说“可以将这条曲线分割成很多小段，质点在每小段的运动都可以看作圆周运动的一部分”——曲化圆的思想 ‎《必修2》P59，重力做功与路径无关的推导 ]‎ ‎《选修3-1》P16，“我们可以用无数组跟静电力垂直和平行的直线来逼近曲线ANB”；此原理可迁移至安培力中的等效长度计算 ‎《选修3-1》P99，这两处同学样利用微分轨迹，得出每一小段过程中力与位移垂直，洛伦兹力不做功。‎ ‎3．通过先微分再求和的方法，求解复杂的过程量 ‎⑴ 此类问题通常可通过图象面积的方法进行处理，如：‎ ‎《必修1》P38，匀变速直线运动位移公式的推导 ‎《必修2》P64，弹力做功的计算 ‎《选修3-1》P32，“做一做”通过电流随时间变化图象面积计算电荷量 ‎⑵ 电磁感应综合问题中导体棒的运动。这类问题通常是变加速运动，首先由牛顿第二定律先列出加速度的表达式；然后从该时刻起去一段微小时间，则速度增量：，位移增量：，流动的电荷量：；最后，根据；；得出待求量。‎ ‎ ‎ 例题精讲 【例1】 ‎（曲化直）如图所示，某一个力作用于半径为的转盘的边缘上，力的大小保持不变，但方向在任何时刻均保持与作用点的切线一致，则转动一周的过程中，这个力F做的总功为 A．0 B． C． D．‎ 【答案】 B 【例2】 ‎（曲化圆）一般的曲线运动可以分成很多小段，每小段都可以看成圆周运动的一部分，即把整条曲线用一系列不同学半径的小圆弧来代替。如图（a）所示，曲线上的点的曲率圆定义为：通过点和曲线上紧邻点两侧的两点作一圆，在极限情况下，这个圆就叫做点的曲率圆，其半径叫做点的曲率半径。现将一物体沿与水平面成角的方向以速度抛出，如图（b）所示。则在其轨迹最高点处的曲率半径是 A． B． C． D．‎ 【答案】 C 【例3】 如图所示，宽度为足够长的水平导轨，其右端连接的定值电阻阻值为，导轨处于方向竖直向下，磁感应强度为 的匀强磁场中。今有一质量为的金属杆由处以初速度水平进入导轨，求金属杆在导轨上滑行的最大距离。‎ 【答案】 【例1】 如图所示，水平面上足够长的平行金属导轨相距，串联一个电容为的电容器，整个装置处于垂直于导轨平面竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度为，电容器开始时带电量为，现将一个质量为的金属棒垂直放置在导轨上，金属棒与导轨接触良好且无摩擦，求合上后，金属棒运动的最终速度及电容器最终的电量。‎ 【答案】 ‎；‎ 【例2】 如图所示，顶角的金属导轨固定在水平面内，导轨处在方向竖直、磁感应强度为的匀强磁场中。一根与垂直的导体棒在水平外力作用下以恒定速度沿导轨向右滑动，导体棒的质量为，导轨与导体棒单位长度的电阻均为。导体棒与导轨接触点为 和，导体棒在滑动过程中始终保持与导轨良好接触。时，导体棒位于顶角处。求： ‎ ‎⑴ 时刻流过导体棒的电流强度和电流方向 ‎⑵ 导体棒作匀速直线运动时水平外力的表达式 ‎⑶ 导体棒在时间内产学生的焦耳热 ‎⑷ 若在时刻将外力撤去，导体棒最终在导轨上静止时的坐标 【答案】 ‎⑴ ；电流方向在棒上由向。‎ ‎⑵ ‎ ‎⑶ ‎ ‎⑷ ‎