守恒思想在高中物理中的应用

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  守恒思想是高中物理非常重要和常见的解题思想,也是高考考查的热点内容.守恒思想:在讨论一个物理变化过程时,寻找整个过程中或过程发生前后存在着的不变的关系或不变的量的一种思维方法.
  
  解题思路: 利用守恒定律(包括机械能守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒、质量守恒)分析解决物理问题的基本思路.(1)明确研究系统及过程.
  (2)分析相互作用的物体在该过程中所受力情况及做功情况.判定系统的机械能或动量是否守恒.(3)确定其初、末态相对应的物理量. (4)正确选择守恒表达式,列出守恒方程,求解.
   注意:(1)在利用机械能守恒时,要选取零势面. (2)在利用动量守恒定律时,要注意“矢量性”“同时性”“统一性”.
  
   一、守恒思想在高中物理电路中的作用 
  
  例1 如图1所示的电路中,E为电源电动势,r为电源内阻,R1和R3均为定值电阻,R2为滑动变阻器.当R2的滑动触点在a端时合上开关S,此时三个电表
  A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U.现将R2的滑动触点向b端移动,则三个电表示数的变化情况是( )
  (A) I1增大,I2不变,U增大
  (B) I1减小,I2增大,U减小
  (C) I1增大,I2减小,U增大
  (D) I1减小,I2不变,U减小
  
  
   解析 :在R1、R2构成的闭合回路中,由守恒法得:
  I1•R1=I2•R2~可得
  
  I1 I2=
  
  R2 R1.
  因为R2在减小,所以I1 I2的比值在减小,即
  (A)、(C)项错误,因为由(B)、(D)项知U减小
  所以I3增大,又因为I1减小,所以I2增大.所以,选(B).
  
   点评 :在任何闭合回路中,电压总是守恒的,即代数和为零.
  
  例2 如图2所示,U=10 V,电阻R2=3Ω,R2=2
  
  Ω,R3=5 Ω,电容器的电容C2=4 μF,C2=1 μF,求:
  (1)当S闭合时间足够长时,C1和C2所带的电量各是多少?(2)把S断开,S断开后通过R2的电量是多少?
   解析:
  (1)S闭合足够长时间后,电路达到稳定,R3两端电压为0.所以,UC1
  =UR2=R2 R1+R2
  U=2 2+3×10 V=4 V.
  
  Q1=C1UC1=4×10-6×4 C=1.6×10-3 C,UC2
  =U=10 V.Q2=C2UC2=1×10-6×10 C=1×10-3 C.
  (2)S〖JP3〗断开,C1、C2将通过R1、R2、R3放电,至放电结束,通过R2的电量Q=Q1+Q2=1.6×10-5+1
  ×10-5 C=2.6×10-5 C.
  
   点评 :此题巧用了守恒法的思想进行解题.
  
   二、守恒思想在高中原子核能的应用 
  
  例3 已知氘核质量为2.0136 u,中子质量为1.0087 u,32He核的质量为3.0150 u.(1)写出两个氘核聚变成32He的核反应方程. (2)计算上述核反应中释放的核能.(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV作对心碰撞即可发生上述核反应,且释放的核能全部转化为机械能,则反应中生成的32He
  核和中子的动能各是多少?
  
  解析 :(1)应用质量数守恒和核电荷数守恒可以写出核反应方程为:
  21H+21H→32He+10n.
  (2)由题给条件可求出质量亏损为: Δm=2.0136×2-(3.0150+1.0087)u=0.0035 u,
  所以释放的核能为 
  ΔE=Δmc2=931.5×0.0035 MeV=3.26 MeV. 
  (3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能——即转化为32He核和中子的动能.若设32He核和中子的质量分别为m1、m2,速度分别为v1、v2,则由动量守恒及能的转化和守恒定律,得
  m1v1-m2v2=0,Ek1+Ek2=2Ek0+ΔE 解方程组,可得: Ek1=41.
   (2Ek0+ΔE)=
  
  1 4×(2×0.35+3.26) MeV=0.99 MeV.
  Ek2=
  3 4× (2Ek0+ΔE)=
  
  3 4×(2×0.35+3.26) MeV=2.97 MeV.
  三、守恒法在动量中的应用 
  
  例4 两辆质量相同的小车a和b,置于光滑水平面上,一人站在a车上,两车均静止.若这个人从a车跳到b车上,接着又跳回a车,仍与a车保持相对静止,则此时a车的速率
  ( )
  
  (A) 等于零 (B)小于b车的速率
  (C) 大于b车的速率 (D) 等于b车的速率 
  
  解析 :设人的质量为m0,车的质量为m.取a、b两车和人这一系统为研究对象,人在两车间往返跳跃的过程中,整个系统水平方向不受外力作用,动量守恒.取开始时人站在a
  车上和后来又相对a车静止时这两个时刻考察系统的动量,则
  
  0=(m0+m)va+mvb,
  可以得到A、B 两车速度的比值,即
  
  Va Vb=m m0+m.
  可见,两车反向运动,a车的速率小于b车的速率. 
  
  
   点评 :本题中两车相互作用前后动量在一直线上,但两者动量方向即速度方向均不甚明确,因此没有事先规定正方向,而是从一般的动量守恒表达式
  
  Va Vb的比值为负的,因此可以知道两车运动方向相反.答案(B).〖BP)〗
   三、守恒法在机械能中的作用 
  
   例4 质量为m1的物体A 经一轻质弹簧与下方地面上的质量为m2的物体B相连,弹簧的劲度系数为k , A 、B 都处于静止状态.一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体A,另一端连一轻挂钩.开始时各段绳都处于伸直状态,A 上方的一段绳沿竖直方向.现在挂钩上挂一质量为m3的物体C 并从静止状态释放,已知它恰好能使B 离开地面但不继续上升.若将C换成另一个质量为(m1+ m3)的物体D ,仍从上述初始位置由静止状态释放,则这次B 刚离地时D的速度的大小是多少?已知重力加速度为g.
   
  
   解析 : 开始时,A、B 静止,设弹簧压缩量为
  
  x1, 因为kx1=m1g挂C并释放后,C向下运动,A 向上运动,设B刚要离地时弹簧伸长量为x2, 有
  kx2=m2g,
  B不再上升,表示此时A 和C的速度为零,C已降到其最低点.由机械能守恒,
  
  与初始状态相比,弹簧弹性势能的增加量为
  ΔE=m3g(x1+x2)-m1g(x1+x2).
  
  
  C换成D后,当B刚离地时弹簧势能的增量与前一次相同,由能量关系得
  
  :1 2
  (m1+m3)v2+1 2
  
  m1v2=(m1+m3)g(x1+x2)-m1g(x1+x2)-ΔE得
  
  v=2m1(m1+m2)g2
  
  (2m1+m3)k.
  
   点评 :守恒思想在高中物理解题中应用非常广,如果能够熟练掌握,对于解题能够起到事半功倍的效果.
  
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