高中物理竞赛讲义课件

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物体平衡的种类。 4、动量
冲量。动量。动量定理。
动量守恒定律。
反冲运动及火箭。 5、机械能
功和功率。动能和动能定理。
重力势能。引力势能。质点及均匀球壳壳内和壳外的引
力势能公式(不要求导出)。弹簧的弹性势能。
功能原理。机械能守恒定律。
碰撞。
6、流体静力学 静止流体中的压强。 浮力。
7、振动 简揩振动。振幅。频率和周期。位相。 振动的图象。 参考圆。振动的速度和加速度。 由动力学方程确定简谐振动的频率。 阻尼振动。受迫振动和共振(定性了解)。
成的正三角形A2B2C2、A3B3C3、……设每个正三角形的边长依次 为l1、l2、l3……ln。显然,当ln→0时,三个质点相遇。
解法一:由前面分析,结合小量近似有:
l1

l

A A1

B B1
cos600

l

3 vt. 2
l2

l1

3 vt 2

l
2
3 vt. 2
l3

l2

3 vt 2
0
B
x 2R

即:扫过的曲面面积=质心在运动中走过的路程×曲线长度。
思考:1/4周长的线环呢?
x y 2R

话题2. 静力学问题解题思路。
确定研究对象;

受力分析;

写出静力学平衡方程 : x方向上的平衡方程; y方向上的平衡方程; 力矩平衡方程。
在平衡力的作用下,物体保持匀速直线运动或静止状态, 因此一个平衡力系统与物体不受力的情况相同,即合外力和合 外力矩为零。
mθ g N
系中并非如此。)
N+Fsinθ=mgcosθ, (2)
F=maA,
(3)
解之得
aA

mg sin cos M msin 2
N Mmg cos M m sin 2
解析方法3:-加速度还原法
M: N地
m:N
Mg N’
mg
ax
m
ay a2
a1
M

假设m相对M的加速度为a2,方向沿斜面向下。
F=Σ Fi=0 M=Σ Mi=0 对于某个力的力矩大小与支点或转轴(或矩心)有关,因 为力矩与力臂成正比,但力矩的平衡条件与支点或转轴无关。
平衡条件的解析式为
F=Σ Fi=0
Fx=Σ Fix=0
Fy=Σ Fiy=0 Fz=Σ fiz=0
M=ΣMi=0
Mx=ΣMix=0 My=ΣMiy=0 Mz=ΣMiz=0
C2 C1 C
x /2 x 2 3xvt
A2 l
ll12
B2
x / x 2 3xvt x 1 3v t x(1 3vt )
B1 B
x x / 3 vt.
x
2x
2
这表明等边三角形边长的收缩率为3v/2。
从初始边长l缩短到0需时间为 t l 2l 3v 3v
F gR
B
话题4 非惯性系和惯性力
牛顿运动定律只在惯性系中成立。相对惯性系做加速平动 和加速转动的参照系就是非惯性系。
如果非惯性系平动加速度为a,那么只要认为非惯性系中 所有物体都受到一个大小为ma、方向与a相反的惯性力,牛 顿定律同样适用。
例10 一个质量为M、斜面倾角为θ的劈A放在水平地面上,
zC=∑mixi/mC
例1 如图所示,一根竖直悬挂着的无限长细线上等距离 地固定着n个质量不等的质点小球,相邻两个小球之间的 距离为a。已知最上端小球与悬点之间距离也为a,它的质 量为m,其余各球的质量依次为2m、3m、……,一直到 nm。求整个体系的质心位置到天花板的距离。
(2n+1)a/3
(2)力矩法
8、波和声 横波和纵波。波长、频率和波速的关系。波的图象。 波的干涉和衍射(定性)。 声波。声音的响度、音调和音品。声音的共鸣。乐音
和噪声。
话题1 刚体质心的确定:
(1)定义法(坐标法)

将质点组各质点参量记为mi、ri ,质
点组的质心记为C,则
mC =∑mi
C的位置定义在坐标(x,y,z)
xC=∑mixi/mC yC=∑miyi/mC
解法二:设t时刻三角形边长为x,经极短时间△t后边长变为
x′。根据图中的几何关系,应用三角形的余弦定理可得
x/2 (vt)2 (x vt)2 2(vt)(x vt) cos600
x2 3xvt 3v2t 2.
在△t→0时,可略去二阶小量△t 2项,因此
A A1
斜面上放上一块质量为m的滑块B。现将系统由静止释放,求释
放后劈A对物块B的压力、劈A相对地面的加速度各是多少?
(不计一切摩擦)
解析方法1:-牵连加速度
对A, Nsinθ=MaA,
(1)
对B, Nsinθ=maBx,
(2)
mg-Ncosθ=maBy, (3)
A、B加速度关联,
aBy = (aBx+aA)tanθ (4)
对策:识破题目的障眼法,找到原型。
(3) 题目的物理过程较多,有的是同一个物理原型的反复运用,加上各 种物理情形的讨论,有的是多个不同物理原型的综合。
对策:养成严谨的思维习惯。对于讨论题不要想当然,问问自己,有几 种可能?都要考虑进去。
力学竞赛内容提要
1、运动学 参照系。质点运动的位移和路程,速度,加速度。 相对速度。 矢量和标量。矢量的合成和分解。 匀速及匀速直线运动及其图象。运动的合成。抛体运动。
圆周运动。 刚体的平动和绕定轴的转动。
2、牛顿运动定律 力学中常见的几种力 牛顿第一、二、三运动定律。惯性参照系的概念。 摩擦力。 弹性力。胡克定律。 万有引力定律。均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式
(不要求导出)。开普勒定律。行星和人造卫星的运动。
3、物体的平衡 共点力作用下物体的平衡。力矩。刚体的平衡。重心。
设质心离a边x,则
1 b2 a 2x 1 ab x=b/3
3
2
同理可得,y=a/3.
思考:半径为R、均匀半圆板的质心位置。
x 4R
3
例5 确定半径为R、质量分布均匀半圆形金属线环的质心位置。
解析:以AB为轴将线环旋转360°, 得一球面,得
4R2 2x R
A
●x

水平:N2=f1 竖直:N1+f2=mg
而 f1=μ1N1
f2=μ2N2
设梯子长度为l,以B为支点,则
f2 N2 N1 mg
mg(l/2)cosθ+ μ1N1lcosθ=N1lcosθ
arctan 1 12 21
f1
例7 三个完全相同的圆柱体,如图所示,叠放在水平桌面上,
将C 柱体放上 去之前,A、B两柱体接触但无挤压。 假设桌面与
B1 B
三个质点相遇?
解析:根据题意,三质点均做等速率曲线运动,而且任意时刻
三个质点的位置分别在正三角形的三个顶点上,但是这个正三角 形的边长不断缩小,如图所示。现把从开始到追上的时间t分成n
个微小时间间隔△t(△t→0),在每个微小时间间隔内,质点的 运动可以近似为直线运动。于是,第一个末三者的位置A1、B1、 C1如图所示。这样可依次作出以后每经△t,以三个质点为顶点组
2
解法三:因为每一时刻三个质点总在正三角形的顶点上,且
运动过程中A的运动速度方向始终指着当时B所在的位置,所 以此时质点A速度方向与AO连线的夹角恒为30°(O为中心
(2)若面物体上各质点速度不等,质心将沿曲线运动, 平面物体在空间扫出一个不规则体积。定理可证成立。
例4 一直角三角形板质量分布均匀,两直角边长度分别 为a和b,求质心位置。
已知结论:
质心将位于三中线交点。 验证:设质心位置坐标为(x,y)
令直角三角形绕直角边a旋 转一周,形成圆锥。
a
b
a
x
●y
b
力学竞赛辅导漫谈

1.物理竞赛辅导的目标 2.物理竞赛辅导具体任务
(1)竞赛所需的物理知识; (2)物理问题的思维方法; (3)解决赛题的思路方法; (4)提高选手的赛场情商。
3.竞赛试题与常规考题之间的区别: (1)考查的问题原型相同,但是综合性或复杂性更强。 对策:熟悉各种原型问题。
(2)在试题的入手上设置障碍,让人难以下手,实际上还是对应于一些 基本的物理原型。
ax a2 cos a1
a y a2 sin
N sin m(a2 cos a1 )
mg N cos ma2 sin
N sin Ma1 N地 Mg N cos 0
mg sin cos a1 M m sin 2
a2

(m M )g sin M m sin 2
例2 如图所示,一个质量均 匀、半径为R、质量密度为σ 的薄板。现沿着一条半径挖去 其中半径为R/2的圆形薄板, 求剩余薄板的质心位置。
R
R/2


O
质心在原来圆心、挖去薄板圆心所在的直径 上,在圆心O的另一侧,与O点距离为 R/6.
例3 如图所示,一根细长轻质硬棒上等距离地固定着n 个质量不等的质点小球,相邻两个小球之间的距离为a。已 知最左端小球与左端点之间距离也为a,它的质量为m,其 余各球的质量依次为2m、3m、……,一直到nm。求整个 体系的质心位置到左端点的距离。
由虚功原理 有 F· δx=6W · δx/2
故 F=3W
例9 如图所示,一个半径为R的四分之一光滑圆柱 面固定在水平桌面上,柱面上有一条单位长度质量为 ρ的均匀铁链。铁链因A端受到水平拉力F的作用而平 衡,B刚好与桌面接触,求水平拉力F的大小。
设在A端施加一个水平力F,
且有虚位移δr。则有
F
A
F r r g R 0
话题5 多物追及和相遇问题
【源题】(全俄中学生物理奥林匹克竞赛题)两两 A
C2 C1 C
相距均为l的三个质点A、B、C,同时分别以相同的
匀速率v运动,运动过程中A的运动速度方向始终指
A1
A2 l
ll12
B2
着当时B所在的位置、B始终指着当时C所在的位置、
C始终指着当时A所在的位置。试问经过多少时间
(2n+1)a/3
(3)巴普斯定理
1.内容:一个平面物体,质量均匀分布,令其上各质点沿垂 直于平面的方向运动,在空间扫过一立体体积,则此体积等 于面物体面积乘以物体质心在运动中所经过的路程。
2.讨论:
(1)若面物体上各质点以相同速度沿着一条与物体平面 垂直的直线运动时,在空间扫过的体积是柱体。定理显然成 立。
例6 一质量分布均匀的梯子AB,一端放在水平地面上,另一
端搁在竖直墙上,梯子与地面、梯子与墙面的动摩擦因数分
别为μ1、μ2,求梯子平衡时与地面所成的最小夹角θ。
关键:判断临界情况下,A、B两端同时达
到临界,A端达到B端未达到,或是B端达 到而A端尚未达到?
结论:梯子与地面成最小夹角θ而平衡
时,A、B端同时达到最大静摩擦力。
N

1
2
G,
2
2
f
NG
G 42
f
3
0

1 62
, 1
3 2
3
话题3.虚功原理 静力学的普遍原理
1.虚位移 质点或质点系在给定瞬时约束系统许 可的微小位移。
虚位移可以是线位移,也可以是角位移。
2.虚功 记为
力在虚位移上所做的元功。
δW F δr
3.虚功原理 质点或质点系在平衡状态下,所有
力在任何虚位移上的虚功之和为零。
n Fi δr 0
i 1
虚位移与实位移
例8 重为W的6根均匀刚性棒光滑绞合成正六变形 ABCDEF,顶边AB棒水平固定在天花板上,问在底边DE 的中点加一个多大的竖直方向的力F,可维持正六边形 的平衡?
解析:六根棒的重心在正六边形的 几何中心。
设底边DE在外力F作用下缓慢地上 升很小的位移δx,则其重心升高δx/2。

l
3
3 vt. 2
……
A
C2 C1 C
A1
A2 l
ll12
B2
B1
B
3
ln

l
n
vt. 2
3
以上各式2 v中n,t △l t→ln0. ,n→∞,并有n△t =t,ln→0(三人相遇)。
所以,三个质点一起运动到目标于原正三角形ABC的中心,
所需的时间为 t nt 2l . 3v
NB
aBx
A aA
aBy mθ g N
aA aBx θ
解之得
aA

ຫໍສະໝຸດ Baidu
mg sin cos M msin 2
aBy
Mmg cos
N
M m sin 2
解析方法2: -引入惯性力
对A, Nsinθ=MaA,
(1)
以A为参照系,对B物引入惯性力F=maA,
N
F=maA
B
A aA
在以A的坐标系中,物块B沿斜面加速下滑, 垂直斜面方向加速度为零。(在地面参考
柱体之间的动摩擦因数为μ0,柱体与柱体之间的动摩擦因数为μ, 若系统 处于平衡状态,μ0和μ必须满足什么条件?
可以证明,各接触点的摩擦力大小相等。
对C: 3N f G
NN
A的水平方向,有
f f 3 N1
2
2
A的竖直方向,有
f
f
NA f G
NA 解得
G
NA
3N f 1
32G,
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