物理競賽典型例題精講——圓周運動的彈簧振子

2020-12-11 物理競賽指導

02-06-6_圓周運動彈簧振子

本期高中物理競賽試題,我們共同來研究兩彈簧圍繞固定轉動轉動時的彈簧受力問題,由於單根彈簧的受力比較簡單,彈力提供向心力,本題目考慮兩個彈簧振子串聯時的圓周運動受力分析,此時難度稍大,但就整體難度而言,物理分析過程的難度比數學解題的難度要小很多,研究此題目的意義在於能夠正確應用數學的方式,合理分析解題過程,應用多種數學手段分析結論的能力的培養,此題第一問難度很小,第二問並不容易做出來。

好了,大體上本期高中物理競賽題的大體情況就是這個樣了,先看看題目吧。

高中物理競賽典型題

高中物理競賽題解題方法

此高中物理競賽題的第一問可以從兩個角度列方程,第一種是利用圓周運動的牛頓第二定律直接列方程,由於分析各個彈簧的受力,不難發現哪些力提供向心力,並結合牛頓第二定律列出方程;第二種方法就是將圓周運動的受力分析過程,通過引入慣性力修正的方式,轉化成靜力學問題後,在靜止的系統中受力分析得出受力平衡方程的方法,此方法在分析受力上,更加簡單一些,操作性也更強,因此比較推薦,題目中解題的思路也是按照這種方法來解題的。值得注意的是,此題目的兩種思路列出來的方程是完全相同的,這是個非常好的點,可以利用這個點檢查自己的方程列的是否正確。

列出方程後,結合胡克定律,代入上面的方程一就能化簡得到結論了,這個第一問其實很簡單,並不複雜。

然後數學計算過程比較複雜的第二問了,通過題目的第一問,不難理解第二問的角速度應該是與彈簧總長度的關係,因此在解決第二問的時候,應該得到轉動角速度與兩彈簧總長度的關係,因此題目中未知量正好是兩個:左側彈簧的總長度和右側彈簧的總長度,因此第一問中的兩個方程正好可以用,在計算時,為了簡化表示,引入了C的臨時變量後,方程一和方程二的變形變得非常簡單。

由於彈簧穩定轉動時,兩個彈簧必定都是伸長的,而不是壓縮的,因此代入上面化簡好的方程中,得到了兩個關於臨時變量C的不等式方程,畫出兩方程圖像,在值域的取值範圍內,分別找出自變量的範圍,即由圖像法解得的臨時變量C的取值範圍,並綜合取值範圍找到最終臨時變量C的取值範圍,還原臨時變量,就能得到角速度的取值範圍,此問解決。

高中物理競賽題重難點突破

本高中物理競賽試題的難點在於能夠正確找到方程,在高中數學可以解決的前提下,找到能夠表示角速度和兩彈簧長度的合理表達式,並配合數學的相關方法,從而解決問題,也就是此題中兩彈簧總長度和臨時變量C的方程,這個方程組是解決題目的關鍵。

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