高中奥林匹克物理竞赛解题方法-十-假设法

十、假设法方法简介假设法是对于待求解的问题，在与原题所给条件不相违的前提下，人为的加上或减去某些条件，以使原题方便求解。求解物理试题常用的有假设物理情景，假设物理过程，假设物理量等，利用假设法处理某些物理问题，往往能突破思维障碍，找出新的解题途径，化难为易，化繁为简。赛题精析例1如图2—10—1所示，一根轻质弹簧上端固定，下端挂一质量为m0的平盘，盘中有一物体，质量为m.当盘静止时，弹簧的长度比其自然长度伸长了L.今向下拉盘使弹簧再伸长△L后停止，然后松手放开.设弹簧总处在弹性限度以内，则刚松开手时盘对物体的支持力等于（）A．(1+△L/L)mgB．(1+△L/L)(m+m0)gC．△LmgD．(△L/L)(m+m0)g解析此题可以盘内物体为研究对象受力分析，根据牛顿第二定律列出一个式子，然后再以整体为研究对象受力分析，根据牛顿第二定律再列一个式子和根据平衡位置的平衡条件联立求解，求解过程较麻烦。若采用假设法，本题将变得非常简单。假设题中所给条件△L=0，其意义是没有将盘往下拉，则松手放开，弹簧长度不会变化，盘仍静止，盘对物体的支持力的大小应为mg.以△L=0代入四个选项中，只有答案A能得到mg.由上述分析可知，此题答案应为A.例2如图2—10—2所示，甲、乙两物体质量分别为m1=2kg,m2=3kg，叠放在水平桌面上。已知甲、乙间的动摩擦因数为μ1=0.6，物体乙与平面间的动摩因数为μ2=0.5，现用水平拉力F作用于物体乙上，使两物体一起沿水平方向向右做匀速直线运动，如果运动中F突然变为零，则物体甲在水平方向上的受力情况（g取10m/s2）A．大小为12N，方向向右B．大小为12N，方向向左C．大小为10N，方向向右D．大小为10N，方向向左解析当F突变为零时，可假设甲、乙两物体一起沿水平方运动，则它们运动的加速度可由牛顿第二定律求出。由此可以求出甲所受的摩擦力，若此摩擦力小于它所受的滑动摩擦力，则假设成立。反之不成立。如图2—10—2—甲所示。假设甲、乙两物体一起沿水平方向运动，则2—10—2—甲由牛顿第二定律得：f2=(m1+m2)a①f2=μN2=μ2(m1+m2)g②由①、②得：a=5m/s2可得甲受的摩擦力为f1=m1a=10N因为f=μ1m1=12Nf1f所以假设成立，甲受的摩擦力为10N，方向向左。应选D。例3一升降机在箱底装有若干个弹簧，如图2—10—3所示，设在某次事故中，升降机吊索在空中断裂，忽略摩擦力，则升降机在从弹簧下端触地后直到最低点的一段运动过程中（）A．升降机的速度不断减小B．升降机的速度不断变大C．先是弹力做的负功小于重力做的正功，然后是弹力做的负功大于重力做的正功D．到最低点时，升降机加速度的值一定大于重力加速度的值解析升降机在从弹簧下端触地后直到最低点的一段运动过程，它受重力、弹簧弹力两个力作用。当重力大于弹力时速度继续增大，当重力等于弹力时速度增大到最大，当重力小于弹力时，速度开始减小，最后减为零，因而速度是先增大后减小，所以选项C正确。假设升降机前一运动阶段只受重力作用，做初速度为零的匀加速直线运动，它下降了h高度，末速度为v，则v2=2gh后一运动阶段升降机只受弹力作用，做初速度为v、末速度为零的匀减速直线运动，把弹簧压缩了x，则v2=2ax所以2gh=2ax而xhmgkxxmkxhgmkxmFa2,)2(22,20即所以因为,2,2,gmmgmgmmgkxamgkxxh低即所以所以选项D也正确.例4一个光滑的圆锥体固定在水平桌面上，其轴线沿竖直方向，母线与轴线之间的夹角为θ=30°，如图2—10—4所示。一长为L的绳（质量不计），一端固定在圆锥体的顶点O处，另一端拴着一个质量为m的小物体（可看做质点）。物体以速度v绕圆锥体的轴线在水平面内做匀速圆周运动。（1）当61gLv时，求绳对物体的拉力；（2）gLv232，求绳对物体的拉力。解析当物体以某一速率绕圆锥体的轴线做水平匀面内的匀速圆周运动时，可能存在圆锥体对物体的弹力为零的临界状况，此时物体刚好与圆锥面接触但不发生形变。而当速率变大时，物体将脱离圆锥面，从而导致绳对物体的拉力大小和方向都要变化。因此，此题的关键是先求出临界状态下线速度的值。以小物体为研究对象，假设它与圆锥面接触，而没有弹力作用。受力如图2—10—4—甲所示，根据运动定律得：Tcosθ=mg①Tsinθ=sin2Lmv②解得：63gLv（1）因为vgLv61所以物体m与圆锥而接触且有压力，受力如图2—10—4—乙所示，由运动定律得T1cosθ+Nsinθ=mg①T1sinθ－Ncosθ=msin21Lv②解得拉力：)133(61mgT（2）因为vgLv232，所以物体m脱离圆锥面，设绳子与轴线的夹角为，受力如图2—10—4—丙所示，由运动定律得：sinsin222LvmT①mgTcos2②解得绳子拉力：T2=2mg例5如图2—10—5所示，倾角为α的斜面和倾角为β的斜面具有共同的顶点P，在顶点上安装一个轻质小滑轮，重量均为W的两物块A、B分别放在两斜面上，由一根跨过滑轮的细线连接着，已知倾角为α的斜面粗糙，物块与斜面间摩擦因数为μ；倾角为β的斜面光滑，为了使两物块能静止在斜面上，试列出α、β必须满足的关系式。解析因题目中没有给出具体数值，所以精糙斜面上物块的运动趋势就不能确定，应考虑两种可能。令细线的张力为T，假设物块A有沿斜面向上运动的趋势时，对A物块有T－μWcosα=Wsinα对B物块有：T=Wsinβ两式联立解得：sinβ=sinα+μcosα同理，假设物块A有沿斜面向下运动的趋势时，可解得sinβ=sinα－μcosα因此，物块静止在斜面上时两倾角的关系为sinα－μcosα≤sinβ≤sinα+μcosα例6如图2—10—6所示，半径为r的铅球内有一半径为2r的球形空腔，其表面与球面相切，此铅球的质量为M，在铅球和空腔的中心连线上，距离铅球中心L处有一质量为m的小球（可以看成质点），求铅球小球的引力。解析设想把挖去部分用与铅球同密度的材料填充，填充部分铅球的质量为M1.为了抵消填充球体产生的引力，我们在右边等距离处又放置一个等质量的球体。如图2—10—6甲所示。设放置的球体的质量为M1，则MMrM7181)2(34031填补后的铅球质量：M0=M+M1=8M/7.则原铅球对小球引力为])2/(1/2)[7/4()2(7/47/8)2(/2222212010rLLGMmrLGMmLGMmrLmGMLmGMFFF例7三个半径为r、质量相等的球放一在一个半球形碗内，现把第四个半径也为r，质量也相等的相同球放在这三个球的正上方，要使四个球都能静止，大的半球形碗的半径应满足什么条件？不考虑各处摩擦。解析假设碗的球面半径很大，把碗面变成平面。因为各接触面是光滑的，当放上第四个球后，下面的三个球会散开，所以临界情况是放上第四个球后，下面三个球之间刚好无弹力。把上面的球记为A，下面三个球分别记为B、C、D，则四个球的球心连起来构成一个正四面体，正四面体的边长均2r，如图2—10—7所示。设A、B球心的连线与竖直方向的夹角为α，设碗面球心为O，O与B球心的连线与竖直方向的夹角为β，碗面对上面三个球的作用力都为F，如图2—10—7—甲所示。先以整体为研究对象，受重力、碗面对三个球的弹力F，在竖直方向上有3Fcosβ=4mg①再以B球为研究对象，受重力mg、碗面对B球的作用力F、A球对B的压力FN，根据共点力平衡条件，有sinsincoscosNNFFFmgF消去FN，得：mgFFcossintan②①、②联立，消去F得：tan41tan③因为四个球的球心构成一个边长为2r正四面体，如图2—10—7所示，根据几何关系，可以知道：21)332()2(22332tan2222rrrOBABOBOAOB代入③式得：241tan于是碗面的半径为rOBrOBrBOR2cot1sin=7.633r所以半球形碗的半径需满足R≤7.633r.例8如图2—10—8所示，一根全长为L、粗细均匀的铁链，对称地挂在轻小光滑的定滑轮上，当受到轻微的扰动，铁链开始滑动，当铁链下降L1(L1≤L/2)的瞬间，铁链的速度多大？解析在铁链下降时，只有重力做功，机械能守恒。当铁链下降L1时，如图2—10—8—甲所示，假设此位置是把左侧铁链下端AB=L1段剪下来再接到右侧铁链的下端CD处实现的。设铁链的总质量为m，铁链下降到L1时，L1段中心下降L1高，所以重力做功LmgLgLLLmW2111根据机械能守恒定律：LmgLmv21221解得铁链的速度：12LLgv例9如图2—10—9所示，大小不等的两个容器被一根细玻璃管连通，玻璃管中有一段水银柱将容器内气体隔开（温度相同），当玻璃管竖直放置时，大容器在上，小容器在下，水银柱刚好在玻璃管的正中间，现将两容器同时降低同样的温度，若不考虑容器的变化，则细管中水银柱的移动情况是（）A．不动B．上升C．下降D．先上升后下降解析只要假设水银柱不动，分析气体压强随温度的变化情况，就可判定水银柱怎样移动。假设水银柱不移动，则两部气体的体积都不变，根据查理定律，有：.,,,:CpppppTTppTTppTTpTTppTpBABABBAA水银柱向下移动故选所以由于有化简为例10如图2—10—10所示，将一定量的水银灌入竖直放置的U形管中，管的内径均匀，内直径d=1.2cm.水银灌完后，两管听水银在平衡位置附近做简谐振动，振动周期T=3.43s.已知水银的密度ρ=1.36×104kg/m3.试求水银的质量m.解析题中水银做简谐振动，已知振动周期要求水银的质量m.根据简谐振动的周期公式kmT2，T已知，关键是求出k.简谐振动的物体受的回复力F=－kx，找出F与x的关系，求出k，问题就可以求解.如图2—10—10所示，设水银离开平衡位置的距离为xcm,则回复力为gxdF242由回复力的大小F=kx,得：gdxFk22根据kmT2解得水银的质量kggdTkTm914.388.9)1036.1()012.0()43.3(844222222例11热气球是靠加热气球内部空气排除部分气体而获得上升动力的装置，现外界气体温度是15℃，密度为1.2kg/m3,气球内、外气压相等，要用容积1000m3的气球吊起200kg的重物，必须把气球内的空气温度加热到多少才行？（取g=10m/s2）解析加热气球内的气体时，气体被排出，质量减少，在浮力不变的情况下，使F浮≥G总时，热气球升空.这里出现了气体质量减小的变质量问题，为应用三大实验定律只有依靠假设法，在此，为应用等压变化规律，假设升温后排出去的气体与留在热气球内的气体状态相同，如图2—10—11所示。初态体积V1=V0，末态体积V2=V0+△V0气体质量m=ρV0=1.2kg/m3×1000m3=1.2×103kgF浮=ρ空gV0≥G总=(m′+m物)g代入已知数据：1.2×10×103≥(m′+200)×10得m′≤1.0×103(kg)其中m是加热前热气球内空气质量，m′为加热后热气球内空气质量.△m=m－m′=1.2×103kg－10×103kg=200kg当密度相同时，300200,mVmmVVVmm所以对等质量、等压的气体应用盖·吕萨克定律初态V=V0=103m3T1=273+15=288k未态V2=V0+△V=1.2×103m3根据：2121TTVV解得加热后气体温度：T2=12VVT1=345.6K=72.6℃.例120.2L的氧气瓶内，装有4g氧气，在室温为0℃时，瓶内氧气的压强是多少？解析本题乍一看似乎缺少已知量，更无法利用理想气体状态方程，但当我们假设这些氧气的标准状态为初态时，则问题就可以解决了.假设这些氧气的初态为标准状态，则