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高中物理奥赛辅导：第4讲_功和能

第4讲功和能

一、知识点击

1．功、功率和动能定理

⑴功功是力对空间的积累效应．如果一个恒力F

作用在一个物体上，物体发生的位移是

s ，那么力F

在这段位移上做的功为 W=Fscos θ

在不使用积分的前提下，我们一般只能计算恒力做的功．但有时利用一些技巧也能求得

一些变力做的功．

⑵功率：作用在物体上的力在单位时间内所做的功．

平均功率：W P t = 瞬时功率：cos lim lim cos W Fs P F t t

θυθ===?? ⑶动能定理

①质点动能定理： 2

22101122

Kt K K W F s m m E E E υυ==

-=-=?外外 ②质点系动能定理：若质点系由n 个质点组成，质点系内任何一个质点都会受到来自于

系统以外的作用力（外力）和系统内其他质点对它的作用力（内力），在质点运动时这些力都将做功．

201122i it i i i i W W m m υυ+=-∑∑∑∑外内

即0Kt K K W W E E E +=-=?系外系内

2．虚功原理：许多平衡状态的问题，可以假设其状态发生了一个微小的变化，某一力做了

一个微小的功△W ，使系统的势能发生了一个微小的变化ΔE ，然后即可由ΔW=△E 求出我们所需要的量，这就是虚功原理． 3．功能原理与机械能守恒

⑴功能原理：物体系在外力和内力（包括保守内力和非保守内力）作用下，由一个状态变到另一个状态时，物体系机械能的增量等于外力和非保守内力做功之和．因为保守力的功等于初末势能之差，即 0P P t P W E E E =-=-?

保

K P W W E +=??外非保内（E +E ）=

⑵机械能守恒：当质点系满足：0W W +=外非保内，则ΔE =0即E K + E P = E K0 + E P0=常量机械能守恒定律：在只有保守力做功的条件下，系统的动能和势能可以相互转化，但其总量保持不变．

说明：机械能守恒定律只适用于同一惯性系．在非惯性系中，由于惯性力可能做功，即使满足守恒条件，机械能也不一定守恒．对某一惯性系W 外=0，而对另一惯性系W 外≠0，机械能守恒与参考系的选择有关。 4．刚体定轴转动的功能原理

若刚体处于重力场中，则：M 外=M 其外+M G （M 其外表示除重力力矩M G 以外的其他外力矩） W=W

其外+W G =（M 其外+M G ）θ= E Kr 而21G P P P W E =-?=-（E -E ）

2211

P Kr C M E E mgh J θω=?+?=

+其外（）即为重力场中刚体定轴转动的功能原理．若呱0M θ=其外，即M 其外＝0，则：

C mgh J ω+

=常量刚体机械能守恒．二、方法演练

类型一、动力学中有些问题由于是做非匀变速运动，用牛顿运动定律无法直接求解，用动

能定理，计算细杆对小环做的功也比较困难，因此有时在受力分析时必须引入一个惯性力，这样就可以使问题简化很多。

例1．如图4—2所示，一光滑细杆绕竖直轴以匀角速度ω转动，细杆与竖直轴夹角θ保持不变，一个相对细杆静止的小环自离地面h 高处沿细杆下滑．求小球滑到细杆下端时的速度．

分析和解：本题中由于小环所需向心力不断减小，因此小环不是做匀变速运动，用牛顿运动定律无法直接求解，用动能定理，计算细杆对小环做的功也

比较困难，因此我们选择细杆做参考系，分析小环受力时必须加上一个惯性力，小环在旋转的非惯性系中，虽然有径向运动，受到科里奥利力的作用，

但小环在切向无位移，科里奥利力不做功．惯性离心力2f m r ω=,随半径r 的减小f 均匀减小，所以小环由半径r 0处移到下端r=0处，惯

性离心力对r 的平均值为20

m r F ω=

惯性离心力做的功：

222101

tan 2

W Fr m h ωθ=-=-

重力做功为： W 2 = mgh ，由动能定理得222211

(tan )22

mgh m h m ωθυ+-

υ=

类型二、在功能关系的问题中有些也牵涉到速度关联的问题，在解题中必须注意到它们之间的约束条件，找出有关速度关系，才能准确利用功能原理即可求解．

例2．如图4—3所示，一根长为l 的细刚性轻杆的两端分别连结小球a 和b ，它们的质量分别为m a 和m b ．杆可绕距a 球为

l 处的水平定轴O 在竖直平面内转动．初始时杆处于竖直位置，小球b 几乎接触桌面．在杆的右边水平桌面上，紧挨着细杆放着一个质量为m 的立方体匀质物块，图中ABCD 为过立方体中心且与细杆共面的截面．现用一水平恒力F 作用于a 球上，使之绕O 轴逆时针转动，求当a 转过α角

时小球b 速度的大小，设在此过程中立方体物块没有发生转动，且小球b 与立方体物块始终接触没有分离．不计一切摩擦．

解析：如图4—4所示，用b υ表示a 转过α。角时b 球速度的大小，υ表示此时立方体速度的大小，则有

cos b υαυ=

由于b 与正立方体的接触是光滑的，相互作用力总是沿水平方向，而且两者在水平方向的位移相同，因此相

互作用的作用力和反作用力做功大小相同，符号相反，做功的总和为0.因此在整个过程中推力F 所做的功应等于球a 、b 和正立方体机械能的增量．现用a υ表示此时a 球速度的大小，因为a 、b 角速度相同，14Oa l =,034Ob l =，所以得13

a b υυ= 根据功能原理可知

2211331sin (cos )(cos )42442442

a a a

b b b l l l l l F m m g m m g m αυαυαυ?=--++-+ 将①、②式代人③可得

222

11331

sin ()(cos )(cos )(cos )42442442

a b a b b b b l l l l l F m m g m m g m αυαυαυα?=--++-+ 解得

b υ=

类型三、一些平衡状态的问题，用平衡条件很难或无法求解，这时可以假设其状态发生了一个微小的变化，就可以设想某一力做了一个微小的功△W ，然后用虚功原理就可以很简单地解答出问题．

例3．如图4—5所示，一轻质三足支架每边长度均为l ，每边与竖直线成同一角度θ，三足置于一光滑水平面上，且恒成一正三角形．现用一绳圈套在三足支架的三足上，使其不能改变与竖直线间的夹角，设三足支架负重为G ，试求绳中张力F T ．

分析和解：在本题这可以取与原平衡状态逼近的另一平衡态，从而虚设了一个元过程，此过程中所有元功之和为零，以此为基本关系列出方程，通过极限处理，从而求得最后结果．

分析支架受力：由于负重受到重力G ，支架的每边足部同时

受到两侧绳的拉力F T T ，方向指向三足

构成的正三角形的几何中心，支架三边足部受水平地面支持力

F N ，此力方向竖直向上。T 力作用下向正三角形中心移动一极小位移x ?，因而支架的高度升高了y

?,T 力有一元功．

F N 力不做功．负重重力势能增大．对系统用功能原理得T x

G y ??=?? 上式中，支架升高y ?与x ?关系如图4—6，图中支

架一边位置从ab 变为a'b'，作b'b" ⊥ ab, aa" ⊥ a' b'，由于x ?很小，ab 边转过的角度△θ也很小，故可认为a"b'=ab"，且a'b'边与竖直方向夹角为θ，则有

sin cos x y θθ?=?, 即tan y x θ?=?

于是可得tan

T x G x θ??=?，即T F =。

类型四、能量守恒的问题往往牵涉到摩擦力做功和碰撞，摩擦力做功要消耗机械能，而碰撞可以造成多过程，两者结合起来就很容易在物理学中出现一些数列问题，因此在解题中如何通过能量关系的计算得出有关的通式是解决这类问题的关键。

例4．一固定的斜面，如图4—7所示，倾角θ= 450，斜面长L = 2.00 m.在斜面下端有一与斜面垂直挡板，一质量为m 的质点，从斜面的最高点沿斜面下滑，初速度为零．质点沿斜面到斜面最低端与挡板发生弹性碰撞．已知质点与斜面间的滑动摩擦因数μ=0.20.试求此质点从开始运动到与挡板发生第11次碰撞的过程中

运动的总路程．

分析和解：在本题中由于质点与挡板发生弹性碰撞，故机械能消耗在摩擦力做功上，因此只要求出下滑和上滑一个来回通过的路程的通式，就可用数列的方法求解了。质点在沿斜面滑动的过程中，受到摩擦力f 的大小为

cos f mg μθ=

若质点从斜面最高点第一次到达斜面最低端时的速度为

1υ，则有

211

sin cos 2

m mgL mgL υθμθ=- ① 质点与斜面挡板发生弹性碰撞后，以速度1υ开始沿斜面上滑．若上滑的最大路程为L l ，则有

21111

sin cos 2

m mgL mgL υθμθ=+ ② 由①、②两式得11sin cos sin cos mgL mgL mgL mgL θμθθμθ-=+

即

1sin cos sin cos L mg mg L mg mg θμθ

θμθ

+ 令上式等号右边的数值等于a ，并以θ=450，μ=0.20代入，则得

1L aL =，10.202

10.203

a -=

按同样的推理可知质点在第2次碰撞后上滑的距离为

221L aL a L ==

依此类推，可知在第10次碰撞后上滑的距离为：1010L a L = 第1次碰撞前质点运动的路程为：1S L =

第2次碰撞前质点运动的总路程为：2122S L L L aL =+=+

依此类推，可知在第11次碰撞前，即从开始到发生第11次碰撞期间，质点运动的总路程为：21010222S L aL a L a L =+++???+

上式等号右边的数值，可根据数学上等比级数求和的公式算出，即

10101

(12)1

a S L a a -=+?-，故S 10=9．86 m.

类型五、机械能守恒的问题往往还可以与刚体的约束条件的问题结合在一切，解决这类问题时一方面要考虑到约束面的约束反力，另一方面又要考虑约束反力是否做功，如果不做功，可重点考虑系统的质心变化和能量的关系，以及约束各点的速度关联。例5．如图4—8所示，质量为m 的钢球下连一根可不计质量的轻杆，杆长为L,杆原来直立在光滑的水平面上，轻推一下后，问：（1）小球下落的轨迹是什么？

（2）球在离地L/2处，杆着地点的速度为多少？

分析和解：（1）由球和杆组成的系统，因杆的质量可以忽略．所以系统的质心在球心．又因水平面光滑，该系统所受的外力有重力mg 、水平面的约束反力（即支持力）N 均沿竖直方向，故有

ix i

=∑,且由于t=0时，0CD υ=,于是有

C x =常量

即系统的质心—球心将沿着杆原来的直立方向运动，其轨迹为竖直线，如图4一8所示。

（2）球（系统）下落过程中，只有重力做功，故机械能守恒．因此当球离地面L/2时，根

据机械能守恒定律，有2

y m m gL υ=

由上式得：y υ=

又因杆不会伸长或缩短，即杆可视为刚体，所以杆两端的速度沿杆的方向的投影必须相等，根据图 4一9可知：sin cos y x υαυα=，α是杆与地面

的夹角，可算出0

30α=.所以tan x y υυα==

类型六、能量耗损的问题特别要注意的是两种基本的形式：转化和转移。解题时往往出现对某种耗散力的忽视把能量守恒的问题当成机械能守恒的问题来解。

例6．在一个倾角为α的斜面上镶嵌着许多同样的滚筒，相邻滚筒间的距离为d 。滚筒沿

水平方向放置，质量为m,半径为r 的表面覆盖橡胶的圆柱形铁棍．质量为m 、长度远大于d 的厚木板在斜面的顶端释放，如图3-43所示．

求木板的最终速度max υ，忽略空气阻力和滚筒转轴处的摩擦力．

分析和解：厚木板滑动距离L 时，有L d

个滚筒得到角速度max

max r

υω=

.厚木板势能

的减少为sin MgL α，而每个滚筒的动能为

22max max 1124

I m ωυ=，上述结论考虑了滚筒表面最终的切向速度应该与木板的速度相等，而每个滚筒的转动惯量为2

I mr =.

认为木板下降过程中损失的重力势能，全部转化成为滚筒的动能是不正确的．在此情况下由式2

max 1sin 4

L MgL m d αυ=

①

可以得到木板的最终速度为max υ=

然而，这个结果是错误的，因为没有考虑滚筒加速过程中由摩擦力作用而导致的热量损失．令单个滚筒与木板之间的摩擦力为F （t ）（没有必要假定这个力不随时间变化）．在

Δt

时间间隔内，滚筒角动量的变化为：()I rF t t ω?=?

②

把上式的变化对时间取和，从而得出滚筒最终速度的一个方程：

max

max ()r F t t I I

υω?==∑ ③

另一方面，在时间△t 内，克服摩擦力所做的功（热散失）ΔQ 为摩擦力与滚筒表面相对位移之积

[]max ()()Q F t r t t υω?=-?

考虑式②、③，总的耗散能量为

[]222max

max

max max max

()()()2

Q F t r t t r F t t I I I

ωωυωωωωω

=-?=?-?=-=∑∑∑

在上式的计算中利用了等式21

()2

ωωω?=

?．这个结果表明，摩擦生热损失的能量与滚筒得到的动能相等．需要注意的是，这个结果既不依赖于摩擦力的大小，也不依赖于摩擦力随时间的变化．

正确的能量守恒方程不是①式，而应该是

max max 11sin 244

L L mgL m Q m d d αυυ=

可以得到木板的最终速度为max υ=三、小试身手

1．一质量为m 的小滑块A 沿斜坡由静止开始下滑，与一质量为km 的静止在水平地面上的

小滑块B 发生正碰撞，如图4—11所示，设碰撞是弹性的，

且一切摩擦均不计，为使二者能且只能发生两次碰撞，则k 的值应满足什么条件？

2．半径等于r的半球形水池内充满了水如图4—12所示，把池内的水完全抽出至少要做多少功？

3．有一台反作用式汽艇的喷水式发动机，其进水孔面积为S1=0.9m2，而出水孔面积为S2=0.02m2，求发动机的效率．

4．如图4—13所示，已知滑轮的质量为M，半径为R，物体的质量为m，弹簧的劲度系数为k，斜面的倾角为θ,物体与斜面间光滑．物体从静止释放，释放时弹簧无形变．设细绳不

伸长．且与滑轮无相对滑动，忽略轴间摩擦力矩，

求物体沿斜面下滑x时的速度多大？（滑轮视作薄

圆盘）

5．如图所示，有一固定的、半径为a 、内壁光滑的半球形碗（碗口处于水平位置）, O 为球心．碗内搁置一质量为m 、边长为 a 的等边三角形均匀薄板ABC．板的顶点 A 位于碗内最低点，碗的最低点处对A 有某种约束使顶点A 不能滑动（板只能绕 A 点转动）.

（1）当三角形薄板达到平衡时，求出碗对顶点A 、B 、C 的作用力的大小各为多少．（2）当板处于上述平衡状态时，若解除对 A 点的约束，让它能在碗的内表面上从静止开始自由滑动，求此后三角形薄板可

能具有的最大动能．

6．玩具列车由许多节车厢组成，它以恒定速率沿水平轨道行驶进人“死圈”（图4—15）。列

车全长为L ，圈半径为R ，（2L R π>）．则列车应具有多

大的初速度0υ，才能确保节车厢脱离轨道？

7．如图4一16所示，长为L 的细绳上端固定在天花板上靠近墙壁的0点，下端系一质量为m

的小球竖直悬挂起来，A 点是平衡时小球的位置，现保持绳绷直，将小球从A 点拉开到绳水平的位置B ，然后在OA 连线上于墙上固定一细长的钉子于某点，问夏历两种情况下，钉子到悬点O 的距离各是多少？

（1）将球释放后，绳被钉子挡住，以钉子01为圆心做圆周运动，如图4—17所示; （2）将球释放后，绳被钉子O 2挡住，小球刚好能击中钉子，如图4—18所示.

8．两根长度均为l的刚性轻杆，一端通过质量为m的球形铰链连接，另一端分别接质量为m 和2m的小球．将此装置的两杆并拢，铰链向上竖直地放在桌上，然后轻敲一下，使球往两边滑，但两杆始终保持在竖直面内（图4一19），忽略一切摩擦．求：

（1）铰链碰到桌面前的速度υ；

υ；

（2）当两杆夹角为900时，质量为2m的小球的速度

（3）当两杆夹角为900时，质量为2m的小球的位移s2.

9．水平面上有一质量为M的木块，其斜面上放一质量为m的小木块（可看做质点），从静止在高度为h处下滑到底，（图4—20所示）。设斜面的倾角为α，各接触面的摩擦均可忽略不计，试求：

（1）下滑过程中，契形木块对水平面的压力；

（2）当m刚下滑到水平面上时，M滑行的距离；

（3）当m刚下滑到水平面上时，M对m的所

做的功。

参考解答

1．解：设碰撞前A 的速度为v 0，碰撞后A 、B 的速度分别为v 1和V 1，则

mv 0＝mv 1＋kmV 1，12 mv 02＝12 mv 12＋1

2 kmV 12，可解得： v 1＝

－（k －1）k ＋1 v 0，V 1＝2

k ＋1 v 0

，

为使A 能回到坡上，要v 1＜0，这导致k ＞1；为使A 能再追上B ，应有－v 1＞V 1，导致k ＞3；于是要发生第二次碰撞必须要k ＞3。设第二次碰撞后A 、B 的速度分别为v 2和V 2，则

m （－v 1）＋kmV 1＝mv 2＋kmV 2，12 mv 12＋12 kmV 12＝12 mv 22＋1

2 kmV 22，可解得： v 2＝4k －（k －1）2（k ＋1）2 v 0，V 2＝4（k －1）（k ＋1）2 v 0

，若v 2＞0必不会发生第三次碰撞，若v 2＜0，但－v 2≤V 2，也不会发生第三次碰撞，则由－v 2≤V 2可解得5－ 2 ≤k ≤5＋ 2 ，所以要能且只能发生两次碰撞的条件是交集 3＜k ≤5＋ 2 。

2．解：如题图所示，沿着容器的竖直直径，我们将水池内的水均匀细分成n 层，每一元层水

的高度△r

h n

，h ? 很小，故每一层水均可看做是一个薄圆柱，水面下第i 层水柱底面的半径2

)i ir r r n =-，这层水的质量为22()i ir r m r n n ρπ?

?=-???

? 那么将这层水抽出至少应做的功是2

2()i ir r ir

W g r n n n ρπ?

?=-?????

而将池内水完全抽出至少要做的功就是

2411lim lim i n n i i i i W W g r n

n ρπ→∞→∞==??

==-????∑∑

433332411(123)(123)lim n g r n n n

n ρπ→∞??

=+++???+-+++???+????

224

241(1)1(1)24lim n n n n n g r n n ρπ→∞??

++=?-?????

g r ρπ=

3．解：在Δt 时间内发动机吸收的水的体积为1V S t υ=?（其相对汽艇的速度为υ），动能关

系式为23111

k E m S t υρυ=

=? 水喷出的速度为u ，其动能关系式为：211

()2

E S t u ρυ'=? 因为水是不可压缩的，所以有12S t uS t υ?=?，由此得12S u S υ=，33

122

12k

S E t S ρυ'=? 由此可得发动机所做的功为22

3112

()12k k S S S W E E t S ρυ-'=-=? 而有效功为W F t υ'=?（ F 为对汽艇的反作用力）

212

()S S mu m F S t S υ

ρυ--=

=? 3

121

()S S W S t S ρυ-'==? 所以212

2 4.3%S W W S S η'=

==+ 4．解：选择m 、M 、弹簧和地球为系统，只受重力和弹力，其他外力不做功，故系统的机械

能守恒222111

sin 222

mgx kx m J θυω=

++ R υω=

J MR =

由以上三式解得：υ=5．解：（1）由几何关系知道OABC 是边长为a 正四面体，则有N BC ＝ 3 N B ，N B ＝N C ，OD －＝AD

－

＝ 3 a /2，OP －＝AG －

＝ 3 a /3，∠ODA ＝π－2α，所以由正弦定理得：

a sin 2α ＝ 3 a /2

sin α

，则sin α＝ 2 / 3 ，cos α＝ 3 /3，在?APO 中， AP －

＝

a 2/3＋a 2－2 3 3 a ?1

＝ 2 / 3 ，

由正弦定理得： AP －sin α ＝OP －sin β ＝＝OA

－sin （α＋β）

，

对力三角形也有：N A sin α ＝N B sin β ＝＝mg

sin （α＋β），

可解得：N A ＝6mg /3，N B ＝N C ＝mg /3，

（2）解除约束后重心最低的位置为板处于水平位置时，原来重心高为h ＝AG －cos ∠DAO ＝AG －

cos α＝a /3，，最后重心高为h ’＝a －OG '－＝a － 2 a / 3 ，E k ＝mg （h －h ’）＝6－23 mga 。

υ=

6．解：（1）设列车的“线密度”为λ，则由机械能守恒有

222011

222

L L R g λυλυλπ=+?， 22

4R g

πυυ=- ①

（2）不难判断轨道顶部的车厢最容易脱离轨道，

该车厢受力如右图所示，两个F T 是两边其他车厢对它的拉力。

T m

F mg R

υθ

??=?

+?，将m R θλ?=???代入，有 2T F R g λυλ?=+ ②

（3）用虚功原理求F T ，对左半侧或右半侧的列车来说，移动一小段Δs ，F T 做的功是T F s ??，效果是使Δs 长的车厢升高2R 高度，因而有

2T F s s Rg λ??=???，即2T F R g λ= ③

由①②③可解得2

3Rg υ=，所以0υ=

0υ= 7．解：以绳、球为研究对象，摆动过程中机械能守恒，而要使球能绕钉子做圆周运动，球必

须能经过圆周的最高点C ，为此据牛顿第二定律在最高点处的速度必须大于等于一临界值，即绳中拉力为零时的线速度，据此可求出位置O 1。

要小球能击中钉子，则钉子应另有一个位置，使得挡后先做圆周运动，在到达最高点C 以前，在过钉子所在水平面之后的某一位置D ，绳子松弛，球做斜上抛运动。同时击中钉子，同时利用运动过程中机械能守恒，在D 点绳松弛瞬时球还在做圆周运动应满足牛顿第二定律，此后开始斜上抛又应满足斜上抛运动规律，从而求出钉子的位置O 2。

（1）取小球、地球为一系统，设钉子到悬点的距离11O O x =，小球绕O 1刚好能做圆周运动，其半径为R 1，以小球圆周运动的最高点C 为重力势能零点，则小球从B 摆动到C 的过程中机械能守恒。有：211(2)2

C mg L R m υ-=

① 2

m mg R υ= ② 11x L R =- ③

由①②③式解得：135

x L =

即钉子到悬点的距离至少为135

x L =

（2）取小球、地球为一系统，设小球绕O 2刚好能击中钉子，且绕钉子做圆周运动时半径为R 2，钉子到悬点的距离22O O x =，当小球做圆周运动到D 点时速度为D υ，O 2D 与O 2O 之间夹角为θ，这时绳中拉力刚好为零，并取D 点为重力势能零点，则小球从B 摆动到D 的过程中机械能守恒：

由此得：2221(cos )2

D mg L R R m θυ--=

① 22

cos D

m mg R υθ= ② 此后小球做斜上抛运动，设从D 到击中O 2的时间为t ，则有

221

c o s s i n 2

R g t θυθ-=- ③

2sin cos D R t θυθ=? ④

由①②③④式解得23R L =

，22(1)3

x L R L =-=-

即钉子O 2到悬点O 的距离为(1L 8．解：（1）铰链碰到桌面前，三物体水平方向速度相同，由动量守恒可知，它们的水平速

度必为零．两小球也不可能有竖直速度，因此铰链的竖直速度υ=（2）当两杆成900时，设两小球的速度分别为1υ和3υ（水平方向），饺链的速度为,2υ，

与左杆的夹角为θ（图1）．

根据杆的长度不能变，所以有

012cos45cos υυθ= ①

032cos45sin υυθ= ②

根据物体系水平方向动量守恒，可得

0213cos(45)2m m m υθυυ++= ③

根据机械能守恒

222

1231112(1222m m m mgl υυυ++?=- ④ 如图2，设铰链速度的水平分量和竖直分量分别是2

υ'和2υ''，则有

'''=

32m m m υυυ'+= 22

13221112()(1222m m m mgl υυυυ'''+?++=

可以比较方便地解得：3υ=

（3）这个问题可用动量守恒定律的一个推论来解决，

一个物体系如果在水平方向上不受外力的作用，那么这个物体的质心在水平方向上的运动状态不会改变。本题中三个物体的质心在水平方向上不会移动．当杆成900角时，A 和C 的质心在M 点，投影在N 点，因此三物体总的质心投影在NB 的中点O 点（图3），最初B 球就是在O 点，所以B

9．解：（1）设在运动时地面对M 的支持为R ，m 对M 的压力为F N ，M 的加速度为a ，m 的

加速度为a '．

对M ：cos 0N Mg F R α+-= ①

sin N F Ma α= ②

对m ：sin N mg F ma α''-= ③

其中a ''是木块斜面对m 的牵连加速度， s i n

a a α''= ④ 由①②③④式解得2()

sin Mg M m R M m α

+ ⑤

M 对水平面的压力与R 大小相等，方向相反。

（2）m 从高度h 处由静止沿斜面下滑到水平面上时，设m 相对于M 的速度为1υ，此刻M 后退的速度为2υ，m 相对于地面参考系的速度为3υ 根据速度叠加原理，1υ、2υ和3υ的关系式为312υυυ=+

，即

222312122cos υυυυυα=+- ⑥

因为水平方向合外力为零，所以m 与M 系统的水平方向动量守恒，即 122(c o s )m M υαυυ-= ⑦ 据题意，系统的机械能守恒，此时有22

321122

mgh m M υυ=

+ ⑧ 由⑥⑦⑧三式联立解得2222

2cos ()(sin )

m gh m M M m α

υα=++ 又由①②③④式解得木楔M 后退的加速度a 为2sin cos sin mg a M m αα

所以，M 向后滑行的距离为：22

cot 2m

s h a

m M

υα=

（3）22222

1cos 2()(sin )

Mm gh W m m M M m α

υα-=-=++

高中物理竞赛辅导(2)

高中物理竞赛辅导（2）静力学力和运动共点力的平衡 n个力同时作用在物体上，若各力的作用线相交于一点，则称为共点力，如图1所示。作用在刚体上的力可沿作用线前、后滑移而不改变其力学效应。当刚体受共点力作用时，可把这些力沿各自的作用线滑移，使都交于一点，于是刚体在共点力作用下处于平衡状态的条件是：合力为零。（1）用分量式表示：（2） [例1]半径为R的刚性球固定在水平桌面上，有一质量为M的圆环状均匀弹性细绳圈，原长为，绳圈的弹性系数为k。将圈从球的正上方轻放到球上，并用手扶着绳圈使其保持水平，最后停留在平衡位置。考虑重力，不计摩擦。①设平衡时绳圈长，求k值。②若，求绳圈的平衡位置。

分析：设平衡时绳圈位于球面上相应于θ角的纬线上。在绳圈上任取一小元段，长为，质量为，今将这元段作为隔离体，侧视图和俯视图分别由图示（a）和（b）表示。元段受到三个力作用：重力方向竖直向下；球面的支力N方向沿半径R 指向球外；两端张力，张力的合力为位于绳圈平面内，指向绳圈中心。这三个力都在经线所在平面内，如图示（c）所示。将它们沿经线的切向和法向分解，则切向力决定绳圈沿球面的运动。解：（1）由力图（c）知：合张力沿经线切向分力为：重力沿径线切向分力为：（2-2）当绳圈在球面上平衡时，即切向合力为零。（2-3）由以上三式得（2-4）式中

由题设：。把这些数据代入（2-4）式得。于是。（2）若时，C=2，而。此时（2-4）式变成 tgθ=2sinθ-1, 即 sinθ+cosθ=sin2θ, 平方后得。在的范围内，上式无解，即此时在球面上不存在平衡位置。这时由于k值太小，绳圈在重力作用下，套过球体落在桌面上。 [例2]四个相同的球静止在光滑的球形碗内，它们的中心同在一水平面内，今以另一相同的球放以四球之上。若碗的半径大于球的半径k倍时，则四球将互相分离。试求k值。分析：设每个球的质量为m，半径为r ，下面四个球的相互作用力为N，如图示（a）所示。又设球形碗的半径为R，O' 为球形碗的球心，过下面四球的球心联成的正方形的一条对角线 AB作铅直剖面。如图3（b）所示。当系统平衡时，每个球所受的合力为零。由于所有的接触都是光滑的，所以作用在每一个球上的力必通过该球球心。上面的一个球在平衡时，其重力与下面四个球对它的支力相平衡。由于分布是对称的，它们之间的相互作用力N，大小相等以表示，方向均与铅垂线成角。

高中物理奥赛解题方法七对称法

七、对称法方法简介由于物质世界存在某些对称性，使得物理学理论也具有相应的对称性，从而使对称现象普遍存在于各种物理现象和物理规律中。应用这种对称性它不仅能帮助我们认识和探索物质世界的某些基本规律，而且也能帮助我们去求解某些具体的物理问题，这种思维方法在物理学中称为对称法。利用对称法分析解决物理问题，可以避免复杂的数学演算和推导，直接抓住问题的实质，出奇制胜，快速简便地求解问题。赛题精析例1：沿水平方向向一堵竖直光滑的墙壁抛出一个弹性小球A ，抛出点离水平地面的高度为h ，距离墙壁的水平距离为s ，小球与墙壁发生弹性碰撞后，落在水平地面上，落地点距墙壁的水平距离为2s ，如图7—1所示。求小球抛出时的初速度。解析：因小球与墙壁发生弹性碰撞，故与墙壁碰撞前后入射速度与反射速度具有对称性，碰撞后小球的运动轨迹与无墙壁阻挡时小球继续前进的轨迹相对称，如图7—1—甲所示，所以小球的运动可以转换为平抛运动处理，效果上相当于小球从A′点水平抛出所做的运动。根据平抛运动的规律： 2 x v t 1 y gt 2 = ? ? ? = ?? 因为抛出点到落地点的距离为3s ，抛出点的高度为h ，代入后可解得： v0 例2：如图7—2所示，在水平面上，有两个竖直光滑墙壁A和B ，间距为d ，一个小球以初速度v0从两墙正中间的O点斜向上抛出，与A和B各发生一次碰撞后正好落回抛出点O ，求小球的抛射角θ。

解析：小球的运动是斜上抛和斜下抛等三段运动组成，若按顺序求解则相当复杂，如果视墙为一平面镜，将球与墙的弹性碰撞等效为对平面镜的物、像移动，可利用物像对称的规律及斜抛规律求解。物体跟墙A 碰撞前后的运动相当于从O ′点开始的斜上抛运动，与B 墙碰后落于O 点相当于落到O ″点，其中O 、O ′关于A 墙对称，O 、O ″对于B 墙对称，如图7—2—甲所示，于是有： 020x v cos t 1y v sin t gt 2 =θ????=θ?-??，落地时x 2d y 0=??=? 代入可解得：sin2θ = 202gd v 所以，抛射角θ =1 2arcsin 202gd v 例3：A 、B 、C 三只猎犬站立的位置构成一个边长为 a 的正三角形，每只猎犬追捕猎物的速度均为v ，A 犬想追捕B 犬，B 犬想追捕C 犬，C 犬想追捕A 犬，为追捕到猎物，猎犬不断调整方向，速度方向始终“盯”住对方，它们同时起动，经多长时间可捕捉到猎物？解析：以地面为参考系，三只猎犬运动轨迹都是一条复杂的曲线，但根据对称性，三只猎犬最后相交于三角形的中心点，在追捕过程中，三只猎犬的位置构成三角形的形状不变，以绕点旋转的参考系来描述，可认为三角形不转动，而是三个顶点向中心靠近，所以只要求出顶点到中心运动的时间即可。由题意作图7—3 ，设顶点到中心的距离为s ，则由已知条件得： a 由运动合成与分解的知识可知，在旋转的参考系中顶点向中心运动的速度为： v ′= vcos30° 由此可知三角形收缩到中心的时间为：t =s v '=2a 3v （此题也可以用递推法求解，读者可自己试解。）例4：如图7—4所示，两个同心圆代表一个圆形槽，质量为m ，内外半径几乎同为R 。槽内A 、B 两处分别放有一个质量也为m 的小球，AB 间的距离为槽的直径。不计

高中物理竞赛流程详细解析

高中物理竞赛流程详细解析高中物理竞赛国内竞赛主要分为：物理竞赛预赛、物理竞赛复赛、物理竞赛决赛三个流程，国际性赛事分为国际物理奥林匹克竞赛和亚洲物理奥林匹克竞赛。一、全国中学生物理竞赛预赛（CPhO） 1、高中物理竞赛入门级赛事，每年9月上旬举办（也就是秋学期开学），由全国竞赛委员会统一命题，各省市、学校自行组织，所有中学生均可报名； 2、考试形式：笔试，共3小时，5道选择题、每题6分，5道填空题、每题10分，6道大题、每题20分，共计200分； 3、考试主要考力学、热学、电磁学、光学、近代物理等相关内容（回台回复“物竞考纲”查看明细）； 4、比赛分别设置了一等奖、二等奖和三等奖，因为预赛主要是各省市为了选拔复赛选手而筹备的，所以一般一等奖可以参加复赛。 5、一般来说，考完试后2~3天即可在考点查询成绩。二、全国中学生物理竞赛复赛（CPhO） 1、高中阶段最重要的赛事，其成绩对于自主招生及参加清北学科营等有直接影响，每年9月下旬举办（也就是预赛结束后）。 2、复赛分为笔试+实验：笔试，共3小时，8道大题，每题40分，共计320分；实验，共90分钟，2道实验，每道40分，共计80分；总分400分。 3、笔试由全国竞赛委员会统一命题，各省市自行组织、规定考点，大多数省份只有预赛一等奖的同学可以参加；实验由各省市自行命题，根据笔试成绩组织前几十名左右考生参加（也就是说实验不是所有人都考，只有角逐一等奖的同学才参加），最终根据实验和笔试的总成绩评定出一等奖、二等奖、三等。 4、各省市的实验时间稍有不同，具体可参考当地往年的考试时间。 5、考试内容在预赛的基础上稍有增加，具体考纲后台回复“物竞考纲”查看。 6、比赛设置了一等奖、二等奖、三等奖，也就是我们常说的省一、省二、省三，其中各省省一前几名入选该省省队，可参加决赛。 7、成绩有什么用？省一等奖可基本满足除清华、北大、复旦以外其他985/211高校的自主招生条件；省二等奖可满足部分985/211高校的自主招生条件；省三等奖可满足大部分211学校的自主招生条件。 8、各省省队成员可参加清北金秋营、冬令营，并根据成绩获得降分优惠。

高中物理奥林匹克竞赛专题4.动量和角动量习题

习题 4-1. 如图所示的圆锥摆，绳长为l ，绳子一端固定，另一端系一质量为m 的质点，以匀角速ω绕铅直线作圆周运动，绳子与铅直线的夹角为θ。在质点旋转一周的过程中，试求：（1）质点所受合外力的冲量I ；（2）质点所受张力T 的冲量I T 。解：（1）根据冲量定理：???==t t P P d dt 00 ??P P F 其中动量的变化：0v v m m - 在本题中，小球转动一周的过程中，速度没有变化，动量的变化就为0，冲量之和也为0，所以本题中质点所受合外力的冲量I 为零（2）该质点受的外力有重力和拉力，且两者产生的冲量大小相等，方向相反。重力产生的冲量=mgT=2πmg /ω；所以拉力产生的冲量2πmg /ω，方向为竖直向上。 4-2.一物体在多个外力作用下作匀速直线运动，速度=4m/s 。已知其中一力F 方向恒与运动方向一致，大小随时间变化内关系曲线为半个椭圆，如图。求：

（1）力F 在1s 到3s 间所做的功；（2）其他力在1s 到s 间所做的功。解：（1）由做功的定义可知：（2）由动能定理可知，当物体速度不变时，外力做的总功为零，所以当该F 做的功为125.6J 时，其他的力的功为-125.6J 。 4-3.质量为m 的质点在Oxy 平面内运动，运动学方程为j i r t b t a ωωsin cos +=，求：（1）质点在任一时刻的动量；（2）从0=t 到ωπ/2=t 的时间内质点受到的冲量。解：（1）根据动量的定义：(sin cos )P mv m a t b t ωωωω==-+i j （2）从0=t 到ωπ/2=t 的时间内质点受到的冲量等于它在这段时间内动量的变化，因为动量没变，所以冲量为零。 4-4.质量为M =2.0kg 的物体（不考虑体积），用一根长为l =1.0m 的细绳悬挂在天花板上。今有一质量为m =20g 的子弹

高中奥林匹克物理竞赛解题方法之七对称法

例1：沿水平方向向一堵竖直光滑的墙壁抛出一个弹性小球A ，抛出点离水平地面的高度为h ，距离墙壁的水平距离为s ，小球与墙壁发生弹性碰撞后，落在水平地面上，落地点距墙壁的水平距离为2s ，如图7—1所示. 求小球抛出时的初速度. 解析：因小球与墙壁发生弹性碰撞，故与墙壁碰撞前后入射速度与反射速度具有对称性，碰撞后小球的运动轨迹与无墙壁阻挡时小球继续前进的轨迹相对称，如图7—1—甲所示，所以小球的运动可以转换为平抛运动处理，效果上相当于小球从A ′点水平抛出所做的运动. 根据平抛运动的规律：?? ? ??==2 021gt y t v x 因为抛出点到落地点的距离为3s ，抛出点的高度为h 代入后可解得：h g s y g x v 2320 == 例2：如图7—2所示，在水平面上，有两个竖直光滑墙壁A 和B ，间距为d ，一个小球以初速度0v 从两墙正中间的O 点斜向上抛出，与A 和B 各发生一次碰撞后正好落回抛出点O ，求小球的抛射角θ. 解析：小球的运动是斜上抛和斜下抛等三段运动组成，若按顺序求解则相当复杂，如果视墙为一平面镜，将球与墙的弹性碰撞等效为对平面镜的物、像移动，可利用物像对称的规律及斜抛规律求解. 物体跟墙A 碰撞前后的运动相当于从O ′点开始的斜上抛运动，与B 墙碰后落于O 点相当于落到O ″点，其中O 、O ′关于A 墙对称，O 、O ″对于B 墙对称，如图7—2—甲所示，于是有 ? ??==?? ???-==0221sin cos 200y d x gt t v y t v x 落地时θθ 代入可解得2 202arcsin 2122sin v dg v dg == θθ 所以抛射角例3：A 、B 、C 三只猎犬站立的位置构成一个边长为a 的正三角形，每只猎犬追捕猎物的速度均为v ，A 犬想追捕B 犬，B 犬想追捕C 犬，C 犬想追捕A 犬，为追捕到猎物，猎犬不断调整方向，速度方向始终“盯”住对方，它们同时起动，经多长时间可捕捉到猎物？解析：以地面为参考系，三只猎犬运动轨迹都是一条复杂的曲线，但根据对称性，三只猎犬最后相交于三角形的中心点，在追捕过程中，三只猎犬的位置构成三角形的形状不变，以绕点旋转的参考系来描述，可认为三角形不转动，而是三个顶点向中心靠近，所以只要求出顶点到中心运动的时间即可. 由题意作图7—3，设顶点到中心的距离为s ，则由已知条件得 a s 3 3 = 由运动合成与分解的知识可知，在旋转的参考系中顶点向中心运动的速度为 v v v 2330cos = =' 由此可知三角形收缩到中心的时间为 v a v s t 32='= 此题也可以用递推法求解，读者可自己试解. 例4：如图7—4所示，两个同心圆代表一个圆形槽，质量为m ，内外半径几乎同为R. 槽内A 、B 两处分别放有一个质量也为m 的小球，AB 间的距离为槽的直径. 不计一切摩擦. 现将系统置于光滑水平面上，开始时槽静止，两小球具有垂直于AB 方向的速度v ，试求两小球第一次相距R 时，槽中心的速度0v . 解析：在水平面参考系中建立水平方向的x 轴和y 轴. 由系统的对称性可知中心或者说槽整体将仅在x 轴方向上运动。设槽中心沿x 轴正方向运动的速度变为0v ，两小球相对槽心做角速度大小为ω的圆周运动，A 球处于

高中物理竞赛讲义全套(免费)

目录中学生全国物理竞赛章程 (2) 全国中学生物理竞赛内容提要全国中学生物理竞赛内容提要 (5) 专题一力物体的平衡 (10) 专题二直线运动 (12) 专题三牛顿运动定律 (13) 专题四曲线运动 (16) 专题五万有引力定律 (18) 专题六动量 (19) 专题七机械能 (21) 专题八振动和波 (23) 专题九热、功和物态变化 (25) 专题十固体、液体和气体的性质 (27) 专题十一电场 (29) 专题十二恒定电流 (31) 专题十三磁场………………………………………………………………………… 33 专题十四电磁感应 (35) 专题十五几何光学 (37) 专题十六物理光学原子物理 (40)

中学生全国物理竞赛章程第一章总则第一条全国中学生物理竞赛（对外可以称中国物理奥林匹克，英文名为Chinese Physic Olympiad，缩写为CPhO）是在中国科协领导下，由中国物理学会主办，各省、自治区、直辖市自愿参加的群众性的课外学科竞赛活动，这项活动得到国家教育委员会基础教育司的正式批准。竞赛的目的是促使中学生提高学习物理的主动性和兴趣，改进学习方法，增强学习能力；帮助学校开展多样化的物理课外活动，活跃学习空气；发现具有突出才能的青少年，以便更好地对他们进行培养。第二条全国中学生物理竞赛要贯彻“教育要面向现代化、面向世界、面向未来”的精神，竞赛内容的深度和广度可以比中学物理教学大纲和教材有所提高和扩展。第三条参加全国中学生物理竞赛者主要是在物理学习方面比较优秀的学生，竞赛应坚持学生自愿参加的原则．竞赛活动主要应在课余时间进行，不要搞层层选拔，不要影响学校正常的教学秩序。第四条学生参加竞赛主要依靠学生平时的课内外学习和个人努力，学校和教师不要为了准备参加竞赛而临时突击，不要组织“集训队”或搞“题海战术”，以免影响学生的正常学习和身体健康。学生在物理竞赛中的成绩只反映学生个人在这次活动中所表现出来的水平，不应当以此来衡量和评价学校的工作和教师的教学水平。第二章组织领导第五条全国中学生物理竞赛由中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会（以下简称全国竞赛委员会）统一领导。全国竞赛委员会由主任1人、副主任和委员若干人组成。主任和副主任由中国物理学会常务理事会委任。委员的产生办法如下： 1．参加竞赛的省、自治区、直辖市各推选委员1人； 2．承办本届和下届决赛的省。自治区、直辖市各推选委员3人。 3．由中国物理学会根据需要聘请若干人任特邀委员。在全国竞赛委员会全体会议闭会期间由主任和副主任组成常务委员会，行使全国竞赛委员会职权。第六条在全国竞赛委员会领导下，设立命题小组、组织委员会和竞赛办公室等工作机构。命题小组成员由全国竞赛委员会聘请专家和高等院校教师担任。组

全国高中物理竞赛专题十三电磁感应训练题解答

1、如图所示为一椭圆形轨道，其方程为()22 2210x y a b a b +=>>，在中心处有一圆形区域，圆心在O 点，半径为()r b <，圆形区域中有一均匀磁场1B ，方向垂直纸面向里，1B 以 1B t k ??=的速率增大，在圆外区域中另有一匀强磁场2B ，方向与1B 相同，在初始时，A 点有一带正电q 的质量为m 的粒子，粒子只能在轨道上运动，把粒子由静止释放，若要其通过C 点时对轨道无作用力，求2B 的大小。解：由于r b a <<，故轨道上距O 为R 的某处，涡旋电场强度为 22122B r kr E R t R ?==? 方向垂直于R 且沿逆时针方向，故q 逆时针运动。 q 相对O 转过θ?角时，1B 对其做功为 2 2kr W F x Eq x q R R θ?=?=?=? 而2B 产生的洛伦兹力及轨道支持力不做功，故q 对O 转过θ角后，其动能为 2 2122 k kr E mv W q θ==?=∑ q 的速度大小为 2kr q v m θ = q 过C 时，()3 20,1,2,2 n n θππ=+= C 处轨道不受力的条件为 2 2mv qvB ρ = 其中ρ为C 处的曲率半径，可以证明：2 a b ρ=（证明略） A C 1 B 2 B O x y

将v 和θ的表达式代入上式可得 ()22 320,1,2,2br mk B n n a q ππ?? = += ??? 2、两根长度相等，材料相同，电阻分别为R 和2R 的细导线，两者相接而围成一半径为a 的圆环，P Q 、为其两个接点，如图所示，在圆环所围成的区域内，存在垂直于图面、指向纸内的匀强磁场，磁感应强度的大小随时间增大的变化率为恒定值b 。已知圆环中感应电动势是均匀分布的，设M N 、为圆环上的两点，M N 、间的圆弧为半圆弧的一半，试求这两点间的电压()M N U U -。解：根据法拉第定律，整个圆环中的感应电动势的大小 2E r b t π?Φ = =? （1）按楞次定律判断其电流方向是逆时针的，电流大小为 23E E I R R R = =+ （2）按题意，E 被均匀分布在整个圆环上，即?MN 的电动势为4E ，?NQPM 的电动势为34E ，现考虑?NQPM ，在这段电路上由于欧姆电阻所产生电势降落为()22I R R +，故 3242M N R U U E R I ? ?-=-+ ?? ? （3）由（1）、（2）、（3）式可得 21 12 M N U U r b π-=- （4）当然，也可采用另一条路径（?MTN 圆弧）求电势差 ()211 424321212 N M M N E R E E R U U I E r b U U R π-= -=-===--g g 与（4）式相符。 3、如图所示，在边长为a 的等边三角形区域内有匀强磁场B ，其方向垂直纸面向外。一个边长也为a 的等边三角形导轨框架ABC ，在0t =时恰好与上述磁场区域的边界重合，而后以周期T 绕其中心在纸面内顺时针方向匀速转动，于是在框架ABC 中产生感应电流，规 R T M N P Q 2R S

高中物理竞赛辅导讲义静力学

高中物理竞赛辅导讲义第1篇静力学【知识梳理】一、力和力矩 1．力与力系（1）力：物体间的的相互作用（2）力系：作用在物体上的一群力 ①共点力系 ②平行力系 ③力偶 2．重力和重心（1）重力：地球对物体的引力（物体各部分所受引力的合力）（2）重心：重力的等效作用点（在地面附近重心与质心重合） 3．力矩（1）力的作用线：力的方向所在的直线（2）力臂：转动轴到力的作用线的距离（3）力矩 ①大小：力矩=力×力臂，M =FL ②方向：右手螺旋法则确定。右手握住转动轴，四指指向转动方向，母指指向就是力矩的方向。 ③矢量表达形式：M r F =? （矢量的叉乘），||||||sin M r F θ=? 。 4．力偶矩（1）力偶：一对大小相等、方向相反但不共线的力。（2）力偶臂：两力作用线间的距离。（3）力偶矩：力和力偶臂的乘积。二、物体平衡条件 1．共点力系作用下物体平衡条件：合外力为零。（1）直角坐标下的分量表示 ΣF ix = 0，ΣF iy = 0，ΣF iz = 0 （2）矢量表示各个力矢量首尾相接必形成封闭折线。（3）三力平衡特性 ①三力必共面、共点；②三个力矢量构成封闭三角形。 2．有固定转动轴物体的平衡条件：

3．一般物体的平衡条件：（1）合外力为零。（2）合力矩为零。 4．摩擦角及其应用（1）摩擦力 ①滑动摩擦力：f k = μk N（μk－动摩擦因数） ②静摩擦力：f s ≤μs N（μs－静摩擦因数） ③滑动摩擦力方向：与相对运动方向相反（2）摩擦角：正压力与正压力和摩擦力的合力之间夹角。 ①滑动摩擦角：tanθk=μ ②最大静摩擦角：tanθsm=μ ③静摩擦角：θs≤θsm （3）自锁现象三、平衡的种类 1．稳定平衡：当物体稍稍偏离平衡位置时，有一个力或力矩使之回到平衡位置，这样的平衡叫稳定平衡。2．不稳定平衡：当物体稍稍偏离平衡位置时，有一个力或力矩使它的偏离继续增大，这样的平衡叫不稳定平衡。 3．随遇平衡：当物体稍稍偏离平衡位置时，它所受的力或力矩不发生变化，它能在新的位置上再次平衡，这样的平衡叫随遇平衡。【例题选讲】 1．如图所示，两相同的光滑球分别用等长绳子悬于同一点，此两球同时又支撑着一个等重、等大的光滑球而处于平衡状态，求图中α（悬线与竖直线的夹角）与β（球心连线与竖直线的夹角）的关系。面圆柱体不致分开，则圆弧曲面的半径R最大是多少？（所有摩擦均不计） R

(完整word版)高中物理竞赛的数学基础

普通物理的数学基础选自赵凯华老师新概念力学一、微积分初步物理学研究的是物质的运动规律，因此我们经常遇到的物理量大多数是变量，而我们要研究的正是一些变量彼此间的联系。这样，微积分这个数学工具就成为必要的了。我们考虑到，读者在学习基础物理课时若能较早地掌握一些微积分的初步知识，对于物理学的一些基本概念和规律的深入理解是很有好处的。所以我们在这里先简单地介绍一下微积分中最基本的概念和简单的计算方法，在讲述方法上不求严格和完整，而是较多地借助于直观并密切地结合物理课的需要。至于更系统和更深入地掌握微积分的知识和方法，读者将通过高等数学课程的学习去完成。 §1．函数及其图形本节中的不少内容读者在初等数学及中学物理课中已学过了，现在我们只是把它们联系起来复习一下。 1．1函数自变量和因变量绝对常量和任意常量在数学中函数的功能是这样定义的：有两个互相联系的变量x和y，如果每当变量x取定了某个数值后，按照一定的规律就可以确定y的对应值，我们就称y是x的函数，并记作 y=f(x），（A．1）其中x叫做自变量，y叫做因变量，f是一个函数记号，它表示y和x数值的对应关系。有时把y=f（x）也记作y=y（x）。如果在同一个问题中遇到几个不同形式的函数，我们也可以用其它字母作为函数记号，如（x）、ψ（x）等等。① 常见的函数可以用公式来表达，例如 e x等等。在函数的表达式中，除变量外，还往往包含一些不变的量，如上面切问题中出现时数值都是确定不变的，这类常量叫做绝对常量；另一类如a、b、c等，它们的数值需要在具体问题中具体给定，这类常量叫做任意常量。

在数学中经常用拉丁字母中最前面几个（如a、b、c）代表任意常量，最后面几个（x、y、z）代表变量。当y=f（x）的具体形式给定后，我们就可以确定与自变量的任一特定值x0相对应的函数值f（x0）。例如：（1）若y=f（x）=3+2x，则当x=-2时y=f（-2）=3+2×（-2）=-1．一般地说，当x=x0时，y=f（x0）=3+2x0． 1．2函数的图形在解析几何学和物理学中经常用平面上的曲线来表示两个变量之间的函数关系，这种方法对于我们直观地了解一个函数的特征是很有帮助的。作图的办法是先在平面上取一直角坐标系，横轴代表自变量x，纵轴代表因变量（函数值）y=f（x）．这样一来，把坐标为（x，y）且满足函数关系y=f （x）的那些点连接起来的轨迹就构成一条曲线，它描绘出函数的面貌。图A-1便是上面举的第一个例子y=f（x）=3+2x的图形，其中P1，P2，P3，P4，P5各点的坐标分别为（-2，-1）、（-1，1）、（0，3）、（1，5）、（2，7），各点连接成一根直线。图A-2是第二个例子各点连接成双曲线的一支。 1．3物理学中函数的实例反映任何一个物理规律的公式都是表达变量与变量之间的函数关系的。下面我们举几个例子。（1）匀速直线运动公式 s=s0＋vt，（A．2）此式表达了物体作匀速直线运动时的位置s随时间t变化的规律，在这里t相当于自变量x，s相当于因变量y，s是t的函数。因此我们记作s=s（t）＝s0＋vt，（A．3）式中初始位置s0和速度v是任意常量，s0与坐标原点的选择有关，v对于每个匀速直线运动有一定的值，但对于不同的匀速直线运动可以取不同的值。

高中物理竞赛专题训练

高中物理竞赛专题训练 1、一圆柱体的坚固容器，高为h，上底有一可以打开和关闭的密封阀门，现把此容器沉入深为H 的湖底，并打开阀门，让水充满容器，然后关闭阀门。设大气压强为P0，湖水的密度为，则容器内部底面受到的向下的压强为_________，若将此容器从湖底移动湖面上，这时容器内部底面上受到的向下的压强为 _________。（P 0+gH、P0+gH） 2、氢原子处于基态时，能量E=_________；当氢原子处于n=5的能量状态时，氢原子的能量为__________；当氢原子从n=5状态跃迁到n=1的基态时，辐射光子的能量是_________，是_________光线（红外线、可见或紫外线）。（—13.6 ev、—0.54ev 、13.06ev、紫外线） 3、质量为m的物体A置于质量为M、倾角为的斜面B上，A、B之间光滑接触，B的底面与水平地面也是光滑接触。设开始时A与B均为静止，而后A以某初速度沿B的斜面向上运动，如图所示，试问A在没有到达斜面顶部前是否会离开斜面？为什么？讨论中不必考虑B向前倾倒的可能性。（不会离开斜面，因为A与B的相互作用力为(mMcos g) / [M+m(sin)2]，始终为正值） 4、一电荷Q1均匀分布在一半球面上，无数个点电荷、电量均为Q2位于通过球心的轴线上，且在半球面的下部。第k个电荷与球心的距离为，而k=1，2，3，4……，设球心处的电势为零，周围空间均为自由空间。若Q1已知求Q2。（—Q1/2）

5、一根长玻璃管，上端封闭，下端竖直插入水银中，露出水银面的玻璃管长为76 cm。水银充满管子的一部分。玻璃管的上端封闭有0.001mol的空气，如图所示。外界大气压强为76cmHg。空气的定容摩尔热容量为C V =20.5J/mol k。当玻璃管与管内空气的温度均降低100C时，试问管内空气放出多少热量？（0.247焦耳） 6、如图所示，折射率n=1.5的全反射棱镜上方6cm处放置一物体AB，棱镜直角边长为6cm，棱镜右侧10cm处放置一焦距f1=10cm的凸透镜，透镜右侧15cm处再放置一焦距f2=10cm的凹透镜，求该光学系统成像的位置和像放大率。（在凹透镜的右侧10cm处、放大率为2） 7、在边长为a的正方形四个顶点上分别固定电量均为Q的四个点电荷，在对角线交点上放一个质量为m，电量为q（与Q同号）的自由点电荷。若将q沿着对角线移动一个小的距离，它是否会做周期性振动？若会，其周期是多少？（会做周期性振动，周期为） 8、一匀质细导线圆环，总电阻为R，半径为a，圆环内充满方向垂直于环面的匀强磁场，磁场以速率K均匀的随时间增强，环上的A、D、C三点位置对称。电流计G

高中物理竞赛辅导讲义第篇运动学

高中物理竞赛辅导讲义第2篇运动学【知识梳理】一、匀变速直线运动二、运动的合成与分解运动的合成包括位移、速度和加速度的合成，遵从矢量合成法则（平行四边形法则或三角形法则）。我们一般把质点对地或对地面上静止物体的运动称为绝对运动，质点对运动参考照系的运动称为相对运动，而运动参照系对地的运动称为牵连运动。以速度为例，这三种速度分别称为绝对速度、相对速度、牵连速度，则 v 绝对 = v 相对 + v 牵连或 v 甲对乙 = v 甲对丙 + v 丙对乙位移、加速度之间也存在类似关系。三、物系相关速度正确分析物体（质点）的运动，除可以用运动的合成知识外，还可充分利用物系相关速度之间的关系简捷求解。以下三个结论在实际解题中十分有用。 1．刚性杆、绳上各点在同一时刻具有相同的沿杆、绳的分速度（速度投影定理）。 2．接触物系在接触面法线方向的分速度相同，切向分速度在无相对滑动时亦相同。 3．线状交叉物系交叉点的速度，是相交物系双方运动速度沿双方切向分解后，在对方切向运动分速度的矢量和。四、抛体运动： 1．平抛运动。 2．斜抛运动。五、圆周运动： 1．匀速圆周运动。 2．变速圆周运动：线速度的大小在不断改变的圆周运动叫变速圆周运动，它的角速度方向不变，大小在不断改变，它的加速度为a = a n + a τ，其中a n 为法向加速度，大小为2 n v a r =，方向指向圆心；a τ为切向加速度，大小为0lim t v a t τ?→?=?，方向指向切线方向。六、一般的曲线运动一般的曲线运动可以分为很多小段，每小段都可以看做圆周运动的一部分。在分析质点经过曲线上某位置的运动时，可以采用圆周运动的分析方法来处理。对于一般的曲线运动，向心加速度为2n v a ρ =，ρ为点所在曲线处的曲率半径。七、刚体的平动和绕定轴的转动 1．刚体所谓刚体指在外力作用下，大小、形状等都保持不变的物体或组成物体的所有质点之间的距离始终保持不变。刚体的基本运动包括刚体的平动和刚体绕定轴的转动。刚体的任

高中物理奥赛必看讲义直线运动

第一部分：直线运动一、复习基础知识点一、考点内容 1.机械运动，参考系，质点，位移和路程。 2.匀速直线运动：速度，位移公式vt =x ，t x -图以及t v -图。 3.匀变速直线运动，加速度，平均速度，瞬时速度，速度公式at v v +=0，位移公式 202 1at t v x +=，推广式ax v v 22 2=-，t v -图。二、知识结构 ????????????? ??????? ???????? ? ? ? ?? ? ? ?=?????????=-+= -=? ??+=+== ?? ?? ? ???????? ?? ?????→ ??t v x ax v v t v v x at vt x at t v x at v v vt x 非匀变速匀变速匀速规律非匀变速直线运动匀减速直线运动匀加速直线运动匀变速直线运动匀速直线运动种类竖直上抛运动自由落体运动匀变速直线运动匀速直线运动物理过程质点研究对象理想模型物理量参考系运动名词概念直线运动2221212 0202200 三、复习思路本课时重点是瞬时速度和加速度概念,以及匀变速直线运动的规律,难点是加速度的理解。而匀变速直线运动规律与体育竞技、交通运输以及航空航天相结合是高考考查的热点。对匀变速直线运动规律要熟练掌握,同时学习研究物理的基本方法,如从简单问题入手的方法、运用图象研究物理问题和用数学公式表达物理规律的方法、实验的方法等等。匀变速直线运动是高中阶段物理学习的重点内容之一，对匀变速直线运动的学习与研究要注意两方面的内容：一是如何描述物体的运动，匀变速直线运动的特点是什么；二是匀变速直线运动的基本规律是什么。在这一单元中，我们仅仅研究物体的运动规律而不涉及力与运动的关系，能否清楚正确的分析物体的运动过程是本单元要求的一个重要能力，分析运动过程是求解力学问题的主要环节，是正确运用各种知识的前提条件。能否正确运

河北省邢台市育才中学人教A版高中物理奥赛辅导一轮复习七对称法练习(附答案)$826277

北京天梯志鸿教育科技有限责任公司七、对称法针对训练 1．从距地面高19.6m处的A点，以初速度为5.0m/s沿水平方向投出一小球. 在距A点5.0m处有一光滑墙，小球与墙发生弹性碰撞（即入射角等于反射角，入射速率等于反射率），弹回后掉到地面B处. 求：B点离墙的水平距离为多少？ 2．如图7—17所示，在边长为a的正方形四个顶点上分别固定电量均为Q的四个点电荷，在对角线交点上放一个质量为m，电量为q （与Q同号）的自由点电荷. 若将q沿着对角线移动一个小的距离，它是否会做周期性振动？若会，其周期是多少？ 3．如图7—18所示是一个由电阻丝构成的平面正方形无穷网络，当各小段电阻丝的电阻均为R时，A、B两点之间的等效电阻为R/2，今将A，B之间的一小段电阻丝换成电阻为R′的另一端电阻丝，试问调换后A，B之间的等效电阻是多少？ 4．有一无限大平面导体网络，它由大小相同的正六角形网眼组成，如图7—19所示，所有六边形每边的电阻均为R0，求a，b两结点间的等效电阻.

5．如图7—20所示，某电路具有8个节点，每两个节点之间都连有一个阻值为2Ω的电阻，在此电路的任意两个节点之间加上10V电压，求电路的总电流，各支路的电流以及电阻上消耗的总功率. 6．电路如图7—21所示，每两个节点间电阻的阻值为R，求A、B间总电阻R AB. 7．电路如图7—22所示，已知电阻阻值均为15Ω，求R AC，R AB，R AO各为多少欧？ 8．将200个电阻连成如图7—23所示的电路，图中各P点是各支路中连接两个电阻的导线上的点，所有导线的电阻都可忽略. 现将一电动势为ε，内阻为r的电源接到任意两个P点处，然后将任一个没接电源的支路在P点处切断，发现流过电源的电流与没切断前一样，则这200个电阻R1，R2，…，R100，r1，r2，

高中物理竞赛经典方法 2.隔离法

二、隔离法方法简介隔离法就是从整个系统中将某一部分物体隔离出来，然后单独分析被隔离部分的受力情况和运动情况，从而把复杂的问题转化为简单的一个个小问题求解。隔离法在求解物理问题时，是一种非常重要的方法，学好隔离法，对分析物理现象、物理规律大有益处。赛题精讲例1：两个质量相同的物体1和2紧靠在一起放在光滑水平桌面上，如图2—1所示，如果它们分别受到水平推力F 1和F 2作用，且F 1＞F 2 ，则物体1施于物体2的作用力的大小为（） A ．F 1 B ．F 2 C ．12F F 2+ D ．12F F 2 - 解析：要求物体1和2之间的作用力，必须把其中一个隔离出来分析。先以整体为研究对象，根据牛顿第二定律：F 1－F 2 = 2ma ① 再以物体2为研究对象，有N －F 2 = ma ② 解①、②两式可得N = 12 F F 2 +，所以应选C 例2：如图2—2在光滑的水平桌面上放一物体A ，A 上再放一物体B ，A 、B 间有摩擦。施加一水平力F 于B ，使它相对于桌面向右运动，这时物体A 相对于桌面（） A ．向左动 B ．向右动 C ．不动 D ．运动，但运动方向不能判断解析：A 的运动有两种可能，可根据隔离法分析设AB 一起运动，则：a =A B F m m + AB 之间的最大静摩擦力：f m = μm B g 以A 为研究对象：若f m ≥m A a ，即：μ≥A B B A m m (m m )g +F 时，AB 一起向右运动。若μ＜ A B B A m m (m m )g + F ，则A 向右运动，但比B 要慢，所以应选B 例3：如图2—3所示，已知物块A 、B 的质量分别为m 1 、m 2 ，A 、B 间的摩擦因数为μ1 ，A 与地面之间的摩擦因数为μ2 ，在水平力F 的推动下，要使A 、B 一起运动而B 不至下滑，力F 至少为多大？解析： B 受到A 向前的压力N ，要想B 不下滑，需满足的临界条件是：μ1N = m 2g 。

2019-2020年高中物理奥赛辅导：运动学学案

运动学一、知识点击 1．直线运动和曲线运动 ⑴匀变速直线运动：匀变速直线运动包括匀加速直线运动和匀减速直线运动两种情况，它的特点是加速度a=恒量，并与速度在同一直线上．匀变速运动的基本公式为： ① ② ⑵匀变速曲线运动：匀变速曲线运动的特点是a=恒量，但与速度的方向不在同一直线上，如斜抛运动，研究斜抛运动可以有多种方法，既可以将它看成是水平方向的匀速运动和竖直方向的（上或下）抛运动的合成；也可以看做是抛出方向的匀速运动和一个自由落体运动的合成． ⑶匀速圆周运动：匀速圆周运动的特点是a与的大小为恒量，但它们的方向无时无刻不在改变，它是一种特殊的曲线运动，但却是研究曲线运动的基础，一般曲线运动的任何一个位置，都可以作为一个瞬时的圆周运动来研究。我们经常将圆周运动分解成法向和切向两个方向来研究，法向加速度，对于匀速圆周运动，其切向的加速度为零，如果是变速圆周运动，那么它在切向上也有加速度．此时它的合加速度是：。 2．相对运动：在大多数情况下，我们都习惯于以地面作为参照物，但在某些场合，我们选择其他一些相对地面有速度的物体作为参照物，这样会给解决问题带来方便，所以相对运动就是研究物体对于不同参考系的运动以及它们之间的联系，比如A物体相对于地面的速度为，如果取另一个相对地面有速度的B物体作参照物，那么A物体相对B物体的速度为：或通常把物体相对“固定”参考系的速度称为绝对速度，把相对于“运动”参考系的速度称为相对速度，而把运动参考系相对固定参考系的速度称为牵连速度，所以上式我们可以表述为“相对速度等于绝对速度和牵连速度之差”．速度的合成必须用平行四边形定则进行计算．

高中物理奥赛专题十三磁场

专题十三磁场【拓展知识】 1．几种磁感应强度的计算公式（1）定义式：IL F B = 通电导线与磁场方向垂直。（2）真空中长直导线电流周围的磁感应强度：r I K r I B ==πμ20 （πμ20=K ）。式中r 为场点到导线间的距离，I 为通过导线的电流，μ0为真空中的磁导率，大小为4π×10-7H/m 。（3）长度为L 的有限长直线电流I 外的P 处磁感应强度：)cos (cos 4210θθπμ-= r I B 。（4）长直通电螺线管内部的磁感应强度：B=μ0nI 。式中n 为单位长度螺线管的线圈的匝数。 2．均匀磁场中的载流线圈的磁力矩公式：M=NBISsin θ。式中N 为线圈的匝数，S 为线圈的面积，θ为线圈平面与磁场方向的夹角。 3．洛伦兹力 F =qvBsin θ (θ是v 、B 之间的夹角) 当θ=0°时，带电粒子不受磁场力的作用。当θ=90°时，带电粒子做匀速圆周运动。当0°＜θ＜时90°，带电粒子做等距螺旋线运动，回旋半径、螺距和回旋周期分别为 qB mv R θsin =； qB mv h θπcos 2= ； qB m T π2= ； 4．霍尔效应将一载流导体放在磁场中，由于洛伦兹力的作用，会在磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称为霍尔效应，这电势差称为霍尔电势差。

【典型例题】 1．如图所示，将均匀细导线做成的环上的任意两点A和B与固定电源连接起来，总电流为I，计算由环上电流引起的环中心的磁感应强度。 2．如图所示，倾角为θ的粗糙斜面上放一木制圆柱，其质量为m = 0.2kg，半径为r，长为l =0.1m，圆柱上顺着轴线绕有N =10匝线圈，线圈平面与斜面平行，斜面处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B =0.5T，当通入多大电流时，圆柱才不致往下滚动？ 3．如图所示，S为一离子源，它能各方向会均等地持续地大量发射正离子，离子的质量皆为m、电量皆为q，速率皆为v0。在离子源的右侧有一半径为R的圆屏，图中OOˊ是通过圆屏的圆心并垂直于屏面的轴线，S位于轴线上，离子源和圆屏所在的空间有一范围足够大的匀强磁场，磁感应强度的大小为B，方向垂直于圆屏向右。在发射的离子中，有的离子不管S的距离如何变化，总能打到圆屏面上，求这类离子的数目与总发射离子数之比，不考虑离

高中物理竞赛辅导工作计划

高中物理竞赛培训工作计划为了使奥赛培训工作有条不紊的进行，并力争在2009年全国二十六届物理竞赛中取得优异成绩，现就2007年到2009年的物理竞赛的培训工作，制定如下工作计划。一、选拔培训队员：组队工作在高一新生入学后不久就着手进行，先动员学生报名，再举行测试初选。物理初选测试试题命制思想：①为适应物理竞赛培训，题量设置与竞赛一样，为七或八个大题，总分160分；②重点考查学生对已学物理知识的理解与应用；③试题中还包含对学生自学能力的考查（题中详细给出学生还未学习的高中物理规律，让学生依据提供信息解题）、运用数学知识解决物理问题能力的考查、将生活中的问题转化为物理模型的能力的考查等等。经过初选，保留50个左右的学生参加培训。奥赛培训，实行五定（定时间、定场地、定学生、定内容、定辅导老师）。以后通过培训逐步精减队员，到进入奥赛教程培训时，保留10个左右的队员。二、选好合适的教材与教辅资料选择能涵盖所有竞赛知识点，难度适当，有内容分析，有解题讲评，有一定量的难度合适的训练题的竞赛书1到2本。另外，结合自己授课安排，推荐学生几本参考书，让学生在有余力的前提下去自学、去查阅。拟定奥赛培训资料：第一轮使用范小辉编撰的《新编物理奥赛教程》（南京师范大学出版），这本教材知识点归纳详细、题型全面、

难度适中、有详细的习题解答；第二轮使用浙江大学出版的《更高更妙的物理》（沈晨编著）、湖南师范大学出版的《高中物理奥赛经典解题金钥匙》两本教材，以巩固拓宽知识、掌握解题方法技巧、提高学生解题能力。实验教材选用湖南师范大学出版的《高中物理奥赛经典实验教材》（青一平著）。三、进度安排： 1、高中教材知识学习：从组队开始培训，选择一本高三复习资料书作教材，通过传授与自学相结合，重点培训高中物理主干知识，引入奥赛中创新的思路和解题方法。这一轮从2007年9月底到第二年3月份； 2、第一轮奥赛教程培训：系统地按章节完成全国中学生物理竞赛所涉及到的竞赛内容；教练对教程中的知识点、例题及较难的习题进行认真讲解，掌握竞赛知识，进行题型归类。每完成一个章节，选题对前面章节进行检测，巩固效果。本轮计划用时10个月，到高二第二学期初。 3、第二轮奥赛教程培训：以学生自学为主，进行思维方法的分类与培训。教练的任务是帮助学生解决自学中遇到的问题，同时选题对学生进行测试。计划用时4个月。 4、第三轮赛前强化训练：完成竞赛涉及内容的常规训练；基本做完历届全国中学生物理竞赛预赛、复赛卷；收集典型的、新颖的试题，组编模拟训练试题，强化训练。一直到2009年9月初的预赛，决赛前减少训练量，查漏补缺，调整状态。

高中物理竞赛教程(超详细)电场

第一讲电场 §1、1 库仑定律和电场强度 1．1．1、电荷守恒定律大量实验证明：电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，正负电荷的代数和任何物理过程中始终保持 k 数， 0ε q F E = 式中q 是引入电场中的检验电荷的电量，F 是q 受到的电场力。借助于库仑定律，可以计算出在真空中点电荷所产生的电场中各点的电场强度为 2 2r Q k q r Qq k q F E === 式中r 为该点到场源电荷的距离，Q 为场源电荷的电量。

1．1．4、场强的叠加原理在若干场源电荷所激发的电场中任一点的总场强，等于每个场源电荷单独存在时在该点所激发的场强的矢量和。原则上讲，有库仑定律和叠加原理就可解决静电学中的全部问题。例1、如图1-1-1（a ）所示，在半径为R 、体电荷密度为ρ的均匀带电球体内部挖去半径为R '的一个小球，小球球心O '与大球球心O 相距为a ，试求O '的电场强度，并证明空腔内电场均匀。 ρ,R O 1．1．5．电通量、高斯定理、（1）磁通量是指穿过某一截面的磁感应线的总条数，其大小为θsin BS =Φ，其中θ 为截面与磁感线的夹角。与此相似，电通量是指穿过某一截面的电场线的条数，其大小为 θ?sin ES = θ为截面与电场线的夹角。高斯定量：在任意场源所激发的电场中，对任一闭合曲面的总通量可以表示为 ∑=i q k π?4 （ 041πε= k ） Nm C /1085.82120-?=ε为真空介电常数 O O ' P B r a ）

式中k是静电常量，∑i q为闭合曲面所围的所有电荷电量的代数和。由于高中缺少高等数学知识，因此选取的高斯面即闭合曲面，往往和电场线垂直或平行，这样便于电通量的计算。尽管高中教学对高斯定律不作要求，但笔者认为简单了解高斯定律的内容，并利用高斯定律推导几种特殊电场，这对掌握几种特殊电场的分布是很有帮助的。（2）利用高斯定理求几种常见带电体的场强 ①无限长均匀带电直线的电场一无限长直线均匀带电，电荷线密度为η，如图1-1-2（a）所示。考察点P到直线的距离为r。由于带电直线无限长且均匀带电，因此直线周围的电场在竖直方向分量为零，即径向分布，且关于直线对称。取以长直线为主轴，半径为r，长为l的圆柱面为高斯面， E 图1-1-5