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1、中考物理专题探究第十二讲 应用计算(二) 主 讲 薛钰康 单 位 苏州工业园区星海实验学校问题一:具体实际的物理问题是复杂、 多样的,物理学家是如何进行研究的呢 ?我们说,物理学家经常通过建构模型 来进行解答的。请看专题四 四、物理问题的模型建构 模型建构是物理学研究的基本方法,如光线、杠杆、电路图等 都是一种模型。初中物理计算中建构模型的本质是正确分析清题意 ,将题目反映的物理状态或过程与我们头脑中已有知识体系中相应 的物理模型建立对应,从而运用该模型相关的物理规律进行问题的 解答。 例1:(07无锡)如图甲是小明设计的一种 测定风力的装置,它可以根据电压表的读数 反映风力大小,该装置的迎风
2、板与一轻弹簧 的一端相接,穿在光滑的金属杆上,弹簧是 用绝缘材料制成的,原长为0.5m,受到压力 后会缩短,其缩短的长度L与它所受的压 力F的关系如图乙所示。迎风板面积为0.5m2 ,工作时总是正对着风吹来的方向电路中 左端导线与金属杆M端相连,右端导线接在N 点并可随迎风板在金属杆上滑动,且与金属 杆接触良好金属杆粗细均匀,有一定的电 阻,每10cm长的金属杆其电阻为0.1电 路中电阻R1的阻值为1.5,电源电压为9V 。(1)合上开关S,没有风吹时,弹簧处于原长此时电压表的示数是多 少? (2)由于风力的作用,迎风板向左压缩弹簧,从而使电压表读数为 7.5V,此时作用在迎风板上的风力多大?
3、 (3)若风速为20m/s,那么每分钟内有多少千克的空气冲击迎风板?( 空气 = 1.3kg/m3) 正确的解题分析过程: 审题:(注意题上划线部分) 例1:(07无锡)如图甲是小明设计的一种测定风力的装置,它可以 根据电压表的读数反映风力大小,该装置的迎风板与一轻弹簧的一端 相接,穿在光滑的金属杆上,弹簧是用绝缘材料制成的,原长为0.5m ,受到压力后会缩短,其缩短的长度L与它所受的压力F的关系如图 乙所示。迎风板面积为0.5m2,工作时总是正对着风吹来的方向电路 中左端导线与金属杆M端相连,右端导线接在N点并可随迎风板在金属 杆上滑动,且与金属杆接触良好金属杆粗细均匀,有一定的电阻, 每1
4、0cm长的金属杆其电阻为0.1电路中电阻R1的阻值为1.5,电 源电压为9V。(1)合上开关S,没有风吹时,弹簧处于原长此时电压表的示数是多 少? (2)由于风力的作用,迎风板向左压缩弹簧,从而使电压表读数为 7.5V,此时作用在迎风板上的风力多大? (3)若风速为20m/s,那么每分钟内有多少千克的空气冲击迎风板?( 空气 = 1.3kg/m3) 本题首先是一个弹簧模型和滑动变阻器模型结合的 问题,其电路图为: 第(1)(2)问 弹簧模型的力与压缩量之间的关系用图像表示出来 了,是正比例关系;其次金属杆部分实质是滑动变 阻器,其长度的变化影响电阻的变化,这样就把风 的压力的变化转变成电路中电
5、流的变化,然后通过 定值电阻上电压的变化所反映出来,因此该题的实 质是一个串联电路的计算问题。 第(3)问 空气冲击迎风板的本质是一个空气柱体模型,如图 以板面为底、一分钟空气流过的距离为高的空气柱 的质量即是每分钟撞击迎风板的空气量。解题过程思路分析:例2:(08常州)“512”坟川大地震发生后,常州常发集团向灾区人民捐 赠一批柴油发电机这种柴油发电机的工作原理为:以风冷四冲程直喷 式柴油机为动力系统,带动发电机发电,该柴油发电机说明书的部分内 容如表所示现在用一台该型号的柴油发电机给灾民临时安置区供电, 如图所示发电机到安置区的距离是400m,输电线路中的火线和零线均为 GBCZ60型单股
6、铜导线,该型导线单位长度的电阻为2.510-4m.安置 区家用电器的总功率为44kW,当这些家用电器都正常工作时,求: (1)输电线路中的电流多大? (2)输电线路损失的电功率多大? (3)发电机实际输出电压多大? (4)该柴油发电机工作过程中, 每小时消耗18kg柴油,柴油完全 燃烧产生的内能转化为发电机输 出电能的效率是多少?(柴油热值是3.3107J/kg) 学生的错误:(1)输电线路中的电流:(2)输电线路损失的电功率:(3)发电机实际输出电压:点评:输电问题是学生很不易清楚而出错的,主要是同学们缺乏输电线路模型。正确的解题分析过程: 审题:(注意题上划线部分)例2:(08常州)“51
7、2”坟川大地震发生后,常州常发集团向灾区人民捐 赠一批柴油发电机这种柴油发电机的工作原理为:以风冷四冲程直喷 式柴油机为动力系统,带动发电机发电,该柴油发电机说明书的部分内 容如表所示现在用一台该型号的柴油发电机给灾民临时安置区供电, 如图所示发电机到安置区的距离是400m,输电线路中的火线和零线均为 GBCZ60型单股铜导线,该型导线单位长度的电阻为2.510-4m.安置 区家用电器的总功率为44kW,当这些家用电器都正常工作时,求: (1)输电线路中的电流多大? (2)输电线路损失的电功率多大? (3)发电机实际输出电压多大? (4)该柴油发电机工作过程中,每小时消耗18kg柴油,柴油完全
8、燃烧产 生的内能转化为发电机输出电能的效率是多少?(柴油热值是3.3 107J/kg) 思路分析: 首先建构物理模型,实际输电 模型如右图所示,我们将用户 与输电导线电阻之间的关系可 看作串联,安置区用户看作一 个用电器,这是一个最基础的 串联电路,相信同学们能自行 求解了。 解题过程模型的建构是物理学常用的方法,正确建构能很快抓住问题的 本质、并将其图形形象化,能迅速找到解决问题的方法,做到事半 功倍。这是典型的“将复杂问题简单化”的物理化思维。归纳五、物理计算中的表格与图像 例1:(08镇江)有一种半导体材料的电阻值随着光照射强度的变化而 明显改变,用这种材料制作的电阻称为光敏电阻物理学上
9、用“光强”这 个物理量来表示光强弱的程度,符号为E,国际单位为坎德拉(cd),某 光敏电阻的阻值R与光强E之间的一组实验数据如下表所示:问题二:那么物理图像与表格数据又是如何反映物理规 律的呢?(1)分析上表数据,根据光敏电阻的阻值R随光强E变化的规律,填写表格空 格处的电阻,并归纳出光敏电阻的阻值R随光强E变化的关系式为 R= (2)小明将该光敏电阻R、电流表(量程为0 0.6A)、电压表(量程为03V)、开关、滑动变阻 器R0(最大阻值为50)和电压恒为6V的电源组成 如图所示的电路,闭合开关,调节滑动变阻器 使电流表的示数为0.4A时,电压表的示数为 2.4V,此时,光敏电阻所在处的光强
10、为多大?(4)若用该光敏电阻制作成如图所示的电磁继电器 来控制路灯L,要求当光照减弱到一定光强时,电 磁继电器能接通路灯L,则路灯L所在电路的M、N 触点应安装在衔铁的 (上方下方) (3)在上述电路中,随着电阻的变化,电流可能会超过电流表的量程,滑动 变阻器两端的电压可能会超过电压表的量程若光敏电阻处的光强在2.0 cd 至4.5cd范围内,为保证不超过电表量程,求出滑动变阻器允许连入电路的 阻值范围解析:半导体器件的问题也是近几年各地中考命 题经常出现,半导体材料的伏安特性一般是非线 性关系,可能有些半导体局部有线性关系,所以 其物理量的关系往往用表格或图像呈现。正确的解题分析过程: 审题
11、:(注意题上划线部分) (1)分析上表数据,根据光敏电阻的阻值R随光强E变化的规律,填写表格空 格处的电阻,并归纳出光敏电阻的阻值R随光强E变化的关系式为 R= (2)小明将该光敏电阻R、电流表(量程为00.6A)、电压表(量程为03V) 、开关、滑动变阻器R0(最大阻值为50)和电压恒为6V的电源组成如图 所示的电路,闭合开关,调节滑动变阻器使电流表的示数为0.4A时,电 压表的示数为2.4V,此时,光敏电阻所在处的光强为多大?(4)若用该光敏电阻制作成如图所示的电磁继电器来控制路灯L,要求当光照 减弱到一定光强时,电磁继电器能接通路灯L,则路灯L所在电路的M、N触 点应安装在衔铁的 (上方
12、下方) (3)在上述电路中,随着电阻的变化,电流可能会超过电流表的量程,滑动 变阻器两端的电压可能会超过电压表的量程若光敏电阻处的光强在2.0 cd 至4.5cd范围内,为保证不超过电表量程,求出滑动变阻器允许连入电路的 阻值范围(1)观察表格数据可以看出光强与光敏电阻有线性关系,运用数学知识, 本题为,运用待定系数法即可找出其表达式。(2)光敏电阻与滑动变阻器串联,如图,运用 串联规律和欧姆定律可以求出此时光敏电阻的 值,从表格中找出对应的光照强度。 思路分析:(3)初中电学中的范围问题,要注意由于电路中电阻变化引起电流表与 电压表的示数变化趋势,特别是它们的变化趋势相反的情形,要抓住端 值
13、条件进行求解,找出均安全的阻值范围。本题光强下限端值E=2.0 cd时,光敏电阻的阻值为 18,电源电压6V,电流表不可能超量程,但要电压 表不超量程,滑动变阻器接入电阻有限制,求出电压 表为3V时的滑动变阻器接入电阻; 本题光强上限端值E=4.5 cd时,光敏电阻的阻值为 8,电源电压6V,因此,要针对电流表不超量程为 0.6A和电压表不超量程为3V,分别求出滑动变阻器接 入电阻。结合上面计算,确定均安全的阻值范围。 友情提示:同学们在处理此类问题时往往会想当然, 总以为滑动变阻器总是能调置最大的而不加判断认为 上限就是最大阻值,或者也有同学认为最小就是0,这 种想当然要不得。(4)光照减弱
14、,光敏电阻阻值变大,电路中电流变小,电磁铁磁性变弱 ,弱到一定程度时衔铁在弹簧作用下向上弹起,要使路灯工作,此时应 使路灯电路开关闭合形成通路,因此要用上两个触点开关。解题过程例2:(08南通)图甲和图乙是利用热敏电阻来测量温度的原理图电 源电压均为20V且保持不变,定值电阻R0的阻值为30则: (1)图甲中电流表的示数为0.3A时,热敏电阻两端的电压和消耗的功率 分别是多少? (2)图乙中电压表的量程为015V,热敏电阻R的阻值随温度的变化关系 如图丙所示,试求此电路能测量的最高温度。 正确的解题分析过程: 审题:(注意题上划线部分)例2:(08南通)图甲和图乙是利用热敏电阻来测量温度的原理
15、图电 源电压均为20V且保持不变,定值电阻R0的阻值为30则: (1)图甲中电流表的示数为0.3A时,热敏电阻两端的电压和消耗的功率 分别是多少? (2)图乙中电压表的量程为015V,热敏电阻R的阻值随温度的变化关系 如图丙所示,试求此电路能测量的最高温度。 (2)从图像中反映温度越高热敏电阻阻 值越小,由电路图可知,电路中电流越大 ,电压表示数越大,但电压表的量程是 015V,最大允许达15V,此时,即为电路 测量的上限温度。思路分析:(1)本题条件如图,是较简明的串联电路的 计算。解题过程图像的优点能表述出两个物理量间连续变化的规律,但如果一定要找 出该规律的数学表达式则也是个难点有时我们
16、为了清楚表格数据的连续 变化关系,也可以画出其变化图像。点评:表格与图像分别是物理学三大表述方法 之一。数据表格的优点是能清晰和具体的反映 相关物理量的几组确定数据间对应关系,但缺 点是它是反映的有限的几组数据,两物理量的 一般关系要我们从数据变化规律中找寻,这是 表格数据处理的一个难点而图像则是既能表 述线性的物理规律,如图甲的电阻性元件的伏 安特性关系:总之,我们要会正确读图、识图,从图像上获取有效信息(或说是 物理已知条件)来解答相关问题。表格与图像分析是实验归纳法所必备 的物理分析法,而归纳法是物理学得以发展的最重要的方法。 也能表述非线性的物理规律,如图乙、丙 等半导体元件的伏安特性关系:问题三:能量法是物理学的两条主线之一,能源危机催生能量效 率的问题,能流图能很好直观反映能量的转化与转移的方法。 六、能量转化与效率 (2)普通汽车排出的高温尾