【题头】
图象思维法是根据各物理量间存在一定的数量关系,作出表示物理量之间的函数关系的图线,然后再利用图线的交点的坐标、图线的斜率、截距、图线与坐标轴所围几何图形的面积等对问题进行分析、推理、判断或计算,其本质是利用图像本身的数学特征所反映的物理意义解决物理问题,或者说根据物理图象判断物理过程、状态、物理量之间的函数关系,进一步求解某些物理量,是分析物理问题的有效手段之一。要求同学们会识图、会画图、会用图进行比较、推导和判定。下面我们一起体会运用图像解决物理问题的思维过程。
一、处理图像问题的关键:
搞清图像所揭示的物理规律或物理量间的函数关系
【问题1】
如图1所示,
水平地面上固定着光滑平行导轨,导轨与电阻R连接,放置竖直向上的匀强磁场中,杆的初速度为v0,不计导轨及杆的电阻,则下列关于杆的速度与其运动位移之间的关系图像正确的是:
【解析】
对导体棒研究:受到重力、支持力,水平向左的安培力,导体棒做加速度减小的减速运动,取极短时间
内,导体棒质量m,电阻为r,导轨间距L,速度为v时位移为x,由动量定理得:,又因为由以上三式可得:
【品析】
当我们无法或者不能准确选择图像时,需要写出横纵坐标物理量间的函数关系,依据函数关系做出正确判断。
二、图象思维法解决问题应从六看入手
看“轴、点、线、斜、截、面”。
1.看轴:弄清两个坐标轴表示的物理量及单位和标度;注意坐标原点是否从零开始;注意纵轴物理量为矢量情况时,横轴以上表示此物理量为正,横轴以下表示此物理量为负
如图2所示:x-t图中(1)表示静止,(2)表示从原点做匀速直线运动;v-t图中(1)表示匀速直线运动;(2表示)初速度为0的匀加速直线运动。
2.看点:注意交点、拐点的物理意义
如图2所示:x-t图中(4)含义是(2)和(3)的交点,表示二者相遇;v-t图中 (4)含义是 t1时刻(1)、(2)的速度相等。
3.看线:注意观察图像形状是直线、曲线还是折线等(变化),明确纵轴表示的量与横轴表示的量的制约关系,明确图像反映的物理规律。
4.看斜(斜率):图线上某点的斜率表示两物理量增量的比值,即
注意:只有当坐标轴对应两物理量为线性关系时,才有
成立,当非线性关系时,但可用图线斜率反映对应的物理量的变化。如图3所示:
,而,但曲线斜率可以判断该元件电阻逐渐减小。5.看截距:从横纵坐标的函数表达式中寻找截距和斜率含义。
【例题2】
2022年4月16日,“神舟十三号”返回舱在预定区域安全降落.返回舱在主伞(降落伞)打开后某段时间内先竖直减速下降,随后匀速竖直下降。若返回舱下降过程中受到的空气阻力与速度成正比,则在这段时间内,下列返回舱的动能
【解析】
选取返回舱减速下降过程中的一小段距离
【品析】
本题考受力分析、运动分析、牛顿第二定律及动能定理,同时也达到考查学生推理论证能力的目的。运用图像截距、斜率、函数表达式解决实际问题的能力。
6. 看面积:图线与横轴包围的面积表征一个物理量的积累,常与某一个表示过程或有积累特点的物理量对应。
【例题3】
如图所示,若令x轴和y轴分别表示某个物理量,则图像可以反映某种情况下物理量之间的关系,在有些情况中,图线上任一点的切线斜率、图线与x轴围成的面积也有相应的物理含义。A为图线上一点,过A点作图线的切线交y轴于M点,过A点作垂线交x轴于N点,切线AM的斜率记为k,图中的阴影面积记为S。下列说法正确的是:
【解析】
A.根据
,对于一段只含有电热元件的电路,若x轴表示电流I,y轴表示电压U,因P、U、I均为状态量,并非过程量,可知面积S不可以表示电流在这段电路中做功的功率。故A错误;B.根据
,对于做直线运动的物体,若x轴表示速度v,y轴表示物体所受的合外力F,因F、v为状态量,所以面积S不可以表示某速度时对应的合外力做功的瞬时功率。故B错误;C.根据
,可知若x轴表示时间t,y轴表示电量q,斜率k可以表示电容器在充电过程中对应时刻的电流大小。故C正确;D.根据
,若x轴表示半径r,y轴表示线速度v,因r、v是状态量,所以斜率k不可以表示对应半径的角速度大小。故D错误。故选C。【品析】
对于例题3这样的开放性试题,需要同学们真正理解、掌握了图像斜率和面积的含义,同时清晰涉及到的物理量的深刻含义,才能做出正确选择。有些物理过程运用图像解决会更加简洁、方便。物理图像能形象地表达物理规律、直观地描述物理过程、鲜明地表示物理量之间的相互关系,运用图像法是分析、解决物理问题的有效手段之一。
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