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  • 假设法在初中物理解题中的应用

    日期:2004-02-19  地址:  作者:
      

      物理解题中的假设,从内容要素看有参量假设、现象假设和过程假设等,从运用策略看有极端假设、反面假设和等效假设等.利用假设,我们可以方便地对问题进行分析、推理、判断,恰当地运用假设,可以起到化拙为巧、化难为易的效果.下面,结合实例介绍假设法在物理解题中的具体运用.
       一、参量假设
      有些物理问题给出的已知条件甚少,仅凭这些条件是无法建立方程求解的.因此,解题中必须恰当地假设一些辅助参量,根据这些参量之间的关系建立方程,运算中逐一消去这些辅助参量,求得问题的解.
      例1 如图1所示,一根粗细均匀的木棒,置于盛水的杯上,恰好静止,木棒露出杯外和浸在水中的长度均为木棒全长的14,求该木棒的密度.

    图1

    图2

      分析与解答 木棒在如图1所示情况下保持静止,可以认为木棒处于平衡状态,并将其看作以O为支点的杠杆(如图2所示),为了用杠杆平衡条件解题,必须对有关参量作出假设,设木棒与水平面间的夹角为θ,木棒的长度为l、横截面积为S、密度为ρ,根据题意,得
      
      
      木棒所受重力
      G=ρglS,
      木棒受到的浮力
      F=(1/4)ρglS,
       由杠杆的平衡条件,得
      G··cosθ=F··cosθ,
      代入有关参量,得
      ρglS·(1/4)lcosθ=(1/4)ρglS·(5/8)lcosθ,
      消去参量g、l、S、cosθ,得
      ρ=(5/8)ρ=0.625×103千克/米3
      二、现象假设
      物理量之间的联系,总是在一定的物理现象和物理过程中发生的.但是,有些物理问题往往隐去对物理现象和物理过程的描述,让解题者自己去设置物理现象,为物理量之间架起联系的桥梁.
      例2 将质量为m、比热为c的甲金属与质量为m、比热为c的乙金属混合制成合金,求这块合金的比热.
      分析与解答 比热、质量、温度、热量这四个物理量,是在物质吸热(或放热)的现象中发生联系的.因此,为了建立起这四个量之间的联系,我们假设对这块合金加热,让它吸收Q的热量,升高Δt的温度,设合金的比热为c,则从甲、乙两种金属各自吸热考虑,得
      Q=cΔt+cΔt,
      从合金整体吸热考虑,得
      Q=c(m+m)Δt,
      由以上两式,得
      c(m+m)Δt=cΔt+cΔt,上式变形,得
      c=(c+c)/(m+m).
      三、过程假设
      对物理过程设置障碍,使物理过程隐晦莫测,这是许多物理习题的一大特点.避开过程障碍,大胆巧妙假设一个虚拟过程,用假设的虚拟过程代替真实过程,并在此基础上求得原问题的解,这是解决“过程障碍”类问题的一种有效的方法.
      例3 甲、乙、丙三种液体,质量分别为2千克、3千克、4千克,温度分别为15℃、25℃、35℃,比热分别为4.2×10焦/(千克·℃)、2.4×10焦/(千克·℃)、2.1×10焦/(千克· ℃).求这三种液体混合后的共同温度.(混合过程中的热量损失不计)
      分析与解答 本题的难点在于乙液体的温度介于甲和丙液体之间,在利用热平衡方程解题时,因不知道乙液体是吸热过程还是放热过程,使解题思路受阻,且看下面的解答.
      先假设三种液体的温度都降低到15℃,则它们放出的总热量为
      Q=Q+Q+Q
       =0+cΔt+cΔt
       =0+2.4×10×3×(25-15)+2.1×10×4×(35-15)
       =2.4×10焦.
      再假设这些热量全部被三种液体吸收,它们的温度都将从15℃升高到共同温度t,则  
      Q=c(t-t)+c(t-t)+c(t-t),
      变形,得
      t=Q/(c+c+c)+t
      代入数据求解,得
      t=25℃.
      即这三种液体混合后的共同温度为25℃.
      四、极端假设
      极端假设就是抓住问题中的某些变化因素,假设把这些变化推向极端,通过极端状态的分析,对问题作出快捷的判断.
      例4 甲、乙两人都从跑道的一端前往另一端,甲在一半时间内跑,在另一半时间内走,而乙在一半路程上跑,在另一半路程上走,他们跑和走的速度分别相同,问谁先到达终点?
      A.甲先到终点
      B.乙先到终点
      C.甲、乙同时到达终点
      D.无法判断
      分析与解答
      从跑变为走的差别在于:跑的速度大于走的速度,用假设法把这种差别扩大到极端,设跑的速度比走的速度大无穷倍,则甲在一半时间里跑的路程就很接近终点,走的路程很小很小;而乙不管怎样都要走一半的路程,显然甲先到达终点.
      五、反面假设
      问题中的物理情景也许只呈现出正面的正常现象,如果顺着题意仅从正面考虑,会觉得问题无懈可击,找不到解题的一点蛛丝马迹.正难则反,假设一个反面现象,从反面着手,常常会茅塞顿开,迅速找到解题的突破口.
      例5 A、B、C、D四个标有“110V100W”字样的灯泡,要把它们接在220伏的电路中使用,图3甲、乙所示的两种接法中哪一种更好?试说明理由.

    图3

      分析与解答 如果仅从正面去分析这四个灯泡正常发光的情形,两种接法没有多大差别,若从反面考虑,假设某个灯泡断丝损坏,两种接法就有很大的差别.例如A灯损坏,在甲图中,C、D两灯并联的总电阻小于B灯的电阻,B灯两端的电压就会大于110伏,使B灯损坏,接着C、D灯也不会发光;而在乙图中,A灯损坏,不会造成其它灯的损坏,只是与其串联的C灯不发光,另外两灯B和D正常发光.可见,乙的接法效果好.
      六、等效假设
      在保证效果相同的前提下,通过假设把一个陌生问题变换为一个熟悉的等价问题,这就是等效假设.其中的等价问题,虽然只不过是解题中的一种假设,但它却会给我们解决当前问题带来许多方便.
      例6 如图4所示,吊灯重10牛,用两根柔线悬挂,已知线AB与天花板夹角为45°,线BC与竖直墙垂直.试求线AB和BC的拉力.

    图4

    图5

      分析与解答 本题的吊灯受三个力的作用处于平衡状态,但由于三个力不共线,难以用平衡力求解.对此,我们作如下假设:先撤掉线AB,用拉力F代替,设想线BC硬化,使灯和线BC可绕C点转动,如图5甲所示;再撤掉线BC,用拉力F代替,设想线AB硬化,使灯和线AB可绕A点转动,如图5乙所示.根据杠杆的平衡条件就可以列出关系式.
      由甲图,得
      G·=F1·
      F1=G=G· 1/sin45°=14.1牛.
      由乙图,得
      G·=F·
      F2=G=Gctg45°=10牛.
      综上所述易见,假设法的运用,不仅为快捷解题提供了便利,更为培养创新能力开辟了途径.但是,要正确恰当地运用假设法,必须深刻把握其“设而不假”的关键要领,即假设的内涵与问题本身并不矛盾.否则,就会造成“失之毫厘,谬以千里”的后果.


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