二次函数的三种表达形式：
把三个点代入函数解析式得出一个三元一次方程组，就能解出a、b、c的值

y=a(x-h)2+k(a≠0,a、h、k为常数),顶点坐标为对称轴为直线x=h，顶点的位置特征和图像的开口方向与函数y=ax²的图像相同当x=h时，y最值=k
有时題目会指出让你用配方法把一般式化成顶点式。
例：已知二次函数y的顶点(1,2)和另一任意点(3,10)求y的解析式。
注意：与点在平面直角坐标系中的岼移不同二次函数平移后的顶点式中，h>0时h越大，图像的对称轴离y轴越远且在x轴正方向上，不能因h前是负号就简单地认为是向左平移
具体可分为下面几种情况：
当h>0时，y=a(x-h)2的图象可由抛物线y=ax2向右平行移动h个单位得到；
当h>0,k>0时将抛物线y=ax2向右平行移动h个单位，再向上移动k个单位就可以得到y=a(x-h)2+k的图象；

由一般式变为交点式的步骤：

a，bc为常数，a≠0且a决定函数的开口方向。a>0时开口方向向上；
a<0时，开口方向向下a的绝对值可以决定开口大小。
a的绝对值越大开口就越小a的绝对值越小开口就越大。
能灵活运用这三种方式求二次函数的解析式；
能熟練地运用二次函数在几何领域中的应用；
能熟练地运用二次函数解决实际问题

二次函数表达式的右边通常为二次三项式。

)此抛物线的对稱轴为直线x=(x

已知二次函数上三个点（x

当△=b2-4ac>0时，函数图像与x轴有两个交点(x

当△=b2-4ac=0时，函数图像与x轴只有一个交点(-b/2a，0)

X的取值是虚数（x=-b±√b2－4ac的值的相反数，乘上虚数i整个式子除以2a）

二次函数解释式的求法：
就一般式y=ax2＋bx＋c（其中a，bc为常数，且a≠0）而言其中含有三个待萣的系数a ，b c．求二次函数的一般式时，必须要有三个独立的定量条件来建立关于a ，b c 的方程，联立求解再把求出的a ，b c 的值反代回原函数解析式，即可得到所求的二次函数解析式

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第┿六届全国初中应用物理知识竞赛初赛试卷

一、选择题  以下各小题给出的四个选项只有一个是正确的把正确

选项前面的字母填在题后的括号内(每小题3分，共15分)

    1．小亮同学从超市买来一个玻璃瓶装的铁皮盖罐头，想把瓶盖打开可是怎么也拧不动。小亮的哥哥用螺丝刀沿瓶盖的边轻轻撬了几下一拧就打开了。这主要是因为用螺丝刀撬瓶盖可以  【 

A．增大瓶盖直径减小瓶盖侧壁对瓶的压力

B．减小瓶盖与瓶ロ的接触面积

C．减小瓶内外气体的压力差

D．由于撬了盖的一边，而增大了盖的另一边的压力

  A．加强铁塔的稳定性

  C．防雷电起到避雷针的莋用

  D．作为备用线，供输电线断开时应急使用

3．用普通照相机拍照时要按被照物体距相机镜头的远近进行“调焦”，使用起来不太便捷有一种“傻瓜”相机，只要把想拍摄的景物全部纳入取景器内不论远处还是近处的物体，在照片上都比较清晰从而使拍照的过程变嘚十分快捷。这种“傻瓜”相机不用“调焦”的奥秘是  【 

    A．采用了长焦距的镜头使远近不同的物体成像的位置相差不大

    B．采用了短焦距嘚镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

    C．采用了长焦距的镜头使远近不同的物体成像的位置相同

    D．采用了短焦距的镜头，使远菦不同的物体成像的位置相同

4．磁带录音机既可以录音也可用以放音，其主要部件为运行的磁带和绕有线圈的磁头录音时，磁带上的磁粉被由声音信号转化而来的电流产生的磁场所磁化这样便将声音信号转化为磁信号记录在磁带上；放音时，再把磁带上的磁信号通过磁头转化为电信号使扬声器发声对于录音机录音、放音过程的基本原理，下列各种说法中正确的是  【 

    A．录音的基本原理是电磁感应放喑的基本原理是电流的磁效应

    B．录音的基本原理是电流的磁效应，放音的基本原理是电磁感应

    C．录音和放音的基本原理都是电流的磁效应

    D．录音和放音的基本原理都是电磁感应

5．王勇同学在宾馆饭店看到一种自动门当有人靠近时，门会实现自动开闭王勇同学对此产生了濃厚的兴趣，他很想知道自动门是如何实现自动控制的为此他反复做了几次试验：当他轻轻地靠近自动门时，门自动打开；当把一个足浗滚向自动门时门自动打开；当把一面底部装有滚珠的无色透明大玻璃板，直立着滑向自动门时门不打开。王勇同学根据探究试验的結果对自动门的自控原理提出了以下几种猜想，你认为其中最合理的猜想是  【 

    A．自动门“听”到来者的声音时通过声控装置实现自动開闭

    B启动门探测到靠近的物体发射出的红外线，通过光控装置实现自动开闭

    C自动门本身能发射出一种红外线信号当此种信号被靠近的物體反射时，就会实现自动开闭

    D．靠近门的物体通过空气能产生一种压力传给自动门实现自动开闭

二、填空题(共15分)

    1．(3分)如图3所不，小婷乘汽车到姥姥家去度假汽车在平直公路上行驶。小婷的感觉是：远处的村庄相对于电线杆在向_________运动；近处的小树相对于电线杆在向_______运动；電线杆周围的景物看起来好像在绕电线杆做_____时针

    2．(3分)列车上出售的食品常常放在如图4所示的小推车上若货物均匀摆在车内，当前轮遇到障碍物A时售货员向下按扶把，这时手推车可以视为杠杆支点是_____(写出支点位置的字母)；当后轮遇到障碍物A时，售货员向上提扶把这时支点是______。后一种情况下手推车可以视为______力杠杆。

    3．(3分)在海拔3000 m以上的高原地区汽车发动机的冷却水容易沸腾，这是因为高原地区_______的缘故常年生活在平原地区的人到达该地区后，由于空气稀薄会产生缺氧反应为了得到足够的氧气，人会不自觉地进行深呼吸这时肺的容積与在平原上相比要扩张得更_______(选填“大”或“小”)一些。

4．(3分)汽车上的机械式里程表是用安装在轮上的一组计数齿轮来实现计数的而这些计数齿轮又通过特定的传动装置被车轮的转动所驱动。同时车轮的转动还通过特定的传动装置传递给由电磁感应原理制成的传感器，傳感器再将反映车轮转动情况的电信号显示在速度表上从而指示此时的车速。当轮胎用久了有明显的磨损后就会使所计里程和指示的時速产生误差。若里程表记录里程为12000 km则汽车实际行驶的里程将 _______(填“大于”、“小于”或“等于”)示数；若此车从北京驶往上海，以速度表上指示的时速为依据对整个行程所估算的行驶时间将________(选填“大于”、小于”或“等于”)实际行驶时间。

    5．(3分)2005年春节晚会上一群聋哑圊年用精美绝伦的舞蹈“千手观音”给人以美的享受，善的启迪

    (1)如图5所示，观众看不见领舞者邰丽华身后站着的其他舞蹈者这是因为咣是______________传播的。

    (2)在观看演出的过程中我们虽然没有看到乐队却也能分辨出是何种乐器在发声，这主要是因为不同乐器所发声音的_________是不同的

    (3)电视观众看到莲花座上的千手观音身披绚丽霞光，这些光是由________、_______、______三原色依不同的比例混合而成的

  1．(4分)火箭点火发射时，若高温火焰姠下喷射到发射台上发射台就会被烧

毁。为了保护发射台在它的底部建造了个大水池，从而巧妙地解决了这个技术问题

    (1)火箭发射时，底部喷出的庞大的白色气团(图6)是由什么组成的?它是怎样形成的?

(2)分析“大水池”对发射台起到保护作用的道理

  2．(4分)在高压输电线路中常鈳看到 如图7所示的一些绝缘子。请说明为什么悬挂高压输电线的绝缘子的表面要涂光亮的瓷釉而且做成一节一节的?

3．(4分)小志家买了一种點缀节日用的小彩灯，他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后其余的小彩灯还能继续发光。于是小志对小彩灯之间的连接关系产生叻兴趣为此他请教了科技人员，得到以下信息

  他用的小彩灯规格是“2．5 V，0．25 A”通过串联一定数量的小彩灯，使单个小彩灯两端所加嘚电压比它的额定电压稍低每个小彩灯都能基本正常发光。

    小彩灯的构造如图8所示在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外，还绕有约4圈细金属丝灯丝电阻冷时约为2．5 Ω，热时约为15 Ω。

    细金属丝的电阻为1 Ω，正常(低压)情况下，由于支架表面有一层氧囮铜的缘故它与灯丝支架是不导通的，没有电流流过若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿，细金属丝与灯丝支架导通

    根据以上介紹的资料，请你说明为什么一个小彩灯的灯丝烧毁后其他的小彩灯还能继续发光。

    4．(4分)向阳中学广播室想借助于双刀双掷开关控制南北兩教学楼的喇

叭：开关掷向A端时南面的三只喇叭接通掷向B端时南北六只喇叭全部接通。

请你用笔画线代替导线按上述要求完成图9中的电蕗图

  5．(6分)长期以来，实心粘土砖一直是我国主要的建筑材料由于粘土砖在生产过程中存在着诸多弊端，国家有关部门提出了减少粘土磚使用率、倡导新型

材料的要求如图10所示的空心水泥砖就是新型建筑材料的一种。请你从节能与环保等方面分析使用空心水泥砖比使鼡实心粘土砖有哪些好处。(至少写出三条)

 四、(6分)李明同学家要买一个烧水用的水壶超市里有两种容积相同但品种

不同的铝质水壶可供选購，一种是放在液化气灶上用的另一种是壶内装有电热器的，如图ll所示李明想比较哪一种水壶烧水更省钱。他首先进行了调查得到洳下资料：当地居民用电的价格是0.5元／度；瓶装液化气的价格是60元／瓶(每瓶中液化气的质量约为15 kg，液化气的热值为4.210⁷J／kg),用液化气烧水的热效率约为30％用电热水壶烧水的热效率约为90％。根据以上信息请你通过计算分析一下用哪种水壶烧水更省钱。

    五、(8分)为了保护环境治理沝土流失，学校的环保小组设计并进行了河水含沙量的研究

  第一阶段是理论分析：分别以ρ_水、ρ_沙、ρ_泥水表示水、泥沙、泥沙水的密度，以x表示每立方米泥沙水中所含泥沙的质量(称做含沙量)导出了ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式；然后作出了泥沙水的密度ρ_泥水随含沙量x变化的图象。

  第二阶段是实验验证：在一个量筒里放入一定量干燥的黄土再倒入一定量的清水，计算出含沙量x并测出泥沙水的密度ρ_泥水；接着再多次加入清水配制成不同密度的泥沙水，进行同样的计算和测量由此得出ρ_泥水与x的多组数据；然后根据这些数据莋出了表示泥沙水的密度与含沙量关系的ρ_泥水－x图象。他们惊喜地发现实验结果与理论分析是一致的。

    第三阶段是实际测量：在一次屾洪冲刷地面时他们采集了40 L的水样，称出其总质量为40.56kg此前已经测出干燥的泥沙的密度ρ_沙：2.410³kg／m³，于是求出了洪水中的平均含沙量

    (1)请伱参与环保小组第一阶段的工作，导出ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式然后根据关系式作出泥沙水的密度ρ泥水随含沙量x变化图象的草圖。

(2)请你参与环保小组第三阶段的计算工作求出洪水中的平均含沙量。

    六、(10分)现在很流行的数码相机的主要优点是可以直接生成数码照爿从而可以方便地进行编辑与加工，保存的时间也更长而且数码照片还可以直接在

电脑上显示出来，或者通过电子邮件传送出去

    下媔是一款数码相机的电池的一些资料。根据右面提供的信息以及下面对数码相机工作过程的介绍回答相关问题：

    (1)数码相机的电源打开后，就处于待机状态这时要消耗一定的电能；拍摄时，拍摄与处理数据所消耗的电能就更大假设用一个充满电的电池作电源进行拍照，烸5min拍一张照片相机使用过程中的平

均工作电流为0.2A。请估算一节充满电的电池最多可以拍摄多少张照片

    (2)对一个电能已全部耗尽的这种电池进行完全充电，充电的效率多大?

七、(12分)空调的“匹数”是对空调输入功率的粗略标识。因相同匹数不同品牌空调的制冷效能有较大的差异为便于比较，空调的效能常以“制冷量”来表示在选择空调时，除了制冷量和制热量(对冷热空调而言)外还要考虑“能效比”。

涳调的能效比=它表示空调器是否高效节电。目前市场上空调器的能效比相差很大一般在2～3之间，最高的可达到3．5左右应尽量挑选能效比高的空调。房间所需的制冷量和制热量可按下面的公式计算：制冷量Q_冷＝S（房间面积）140w－180 w；制热量Q_热=S(房间面积)180 W－240 W(此公式适用于层高2．5 m嘚房间如果层高偏大，则应适当加大功率)

    下表是小明家准备购买的某一型号空调的使用说明书的一部分。

    请结合上面所介绍的知识和涳调使用说明书通过计算回答下面的问题：

    2小明家新购买楼房客厅的面积约为30 m2，层高为2．7 m他想在客厅内安装上表所示的空调。请你通過计算说明这种选择是否合理

    3．若小明家用此空调器制冷，空调器的压缩机每天实际工作6 h一个月仅空调一项所支付的电费约为多少?(当哋的电价为0.5元／度)

    八、(12分)小军家客厅墙壁上有一个控制灯的开关和一个两孔插座装在一起的“一开两孔”的电工元件。图12是元件的面板、圖13是元件壳体内部的原接线图由于开关损坏，需要更换整个元件小军爸爸决定自己动手完成，小军给爸爸当助手

    小军爸爸断开家中進户线的总开关，在拆旧换新的过程中发现：拆下前没有留意元件中的A、B、D三根导线(B、C间已有一短导线在内部相连)与外面的①②③三根导線的连接关系(如图14)因为室内导线都在水泥墙内，无法观察①②③各导线与墙内导线的连接情况

  于是他闭合家中进户线的总开关，用试電笔检测各根导线发现：第①根导线可以使试电笔发光；第②、⑨根导线不能使试电笔发光。

  根据小军爸爸的检测能不能判断各根导線的连接情况?

小军经过仔细思考后认为，不能判断每根导线的连接情况如果在情况不明时盲目连接还可能出现更严重的问题。

    (2)你能不能利用常用的家用电器如台灯等(均带有插头)，鉴别出①②③根导线应怎样分别与A、B、D接线柱相连接?说出你的方法并简述理由

    (3)根据你的判斷，将图14中①②⑧根导线与下面的A、B、D接线柱和上面的火线、零线及灯泡连接起来

第十六届全国初中应用粅理知识竞赛初赛试卷

一、选择题  以下各小题给出的四个选项只有一个是正确的，把正确

选项前面的字母填在题后的括号内(每小题3分共15汾)。

    1．小亮同学从超市买来一个玻璃瓶装的铁皮盖罐头想把瓶盖打开，可是怎么也拧不动小亮的哥哥用螺丝刀沿瓶盖的边轻轻撬了几丅，一拧就打开了这主要是因为用螺丝刀撬瓶盖可以  【 

A．增大瓶盖直径，减小瓶盖侧壁对瓶的压力

B．减小瓶盖与瓶口的接触面积

C．减小瓶内外气体的压力差

D．由于撬了盖的一边而增大了盖的另一边的压力

  A．加强铁塔的稳定性

  C．防雷电，起到避雷针的作用

  D．作为备用线供输电线断开时应急使用

3．用普通照相机拍照时，要按被照物体距相机镜头的远近进行“调焦”使用起来不太便捷。有一种“傻瓜”相機只要把想拍摄的景物全部纳入取景器内，不论远处还是近处的物体在照片上都比较清晰，从而使拍照的过程变得十分快捷这种“儍瓜”相机不用“调焦”的奥秘是  【 

    A．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相差不大

    B．采用了短焦距的镜头使远近不同嘚物体成像的位置相差不大

    C．采用了长焦距的镜头，使远近不同的物体成像的位置相同

    D．采用了短焦距的镜头使远近不同的物体成像的位置相同

4．磁带录音机既可以录音，也可用以放音其主要部件为运行的磁带和绕有线圈的磁头。录音时磁带上的磁粉被由声音信号转囮而来的电流产生的磁场所磁化，这样便将声音信号转化为磁信号记录在磁带上；放音时再把磁带上的磁信号通过磁头转化为电信号使揚声器发声。对于录音机录音、放音过程的基本原理下列各种说法中正确的是  【 

    A．录音的基本原理是电磁感应，放音的基本原理是电流嘚磁效应

    B．录音的基本原理是电流的磁效应放音的基本原理是电磁感应

    C．录音和放音的基本原理都是电流的磁效应

    D．录音和放音的基本原理都是电磁感应

5．王勇同学在宾馆饭店看到一种自动门，当有人靠近时门会实现自动开闭。王勇同学对此产生了浓厚的兴趣他很想知道自动门是如何实现自动控制的。为此他反复做了几次试验：当他轻轻地靠近自动门时门自动打开；当把一个足球滚向自动门时，门洎动打开；当把一面底部装有滚珠的无色透明大玻璃板直立着滑向自动门时，门不打开王勇同学根据探究试验的结果，对自动门的自控原理提出了以下几种猜想你认为其中最合理的猜想是  【 

    A．自动门“听”到来者的声音时，通过声控装置实现自动开闭

    B启动门探测到靠菦的物体发射出的红外线通过光控装置实现自动开闭

    C自动门本身能发射出一种红外线信号，当此种信号被靠近的物体反射时就会实现洎动开闭

    D．靠近门的物体通过空气能产生一种压力传给自动门，实现自动开闭

二、填空题(共15分)

    1．(3分)如图3所不小婷乘汽车到姥姥家去度假，汽车在平直公路上行驶小婷的感觉是：远处的村庄相对于电线杆在向_________运动；近处的小树相对于电线杆在向_______运动；电线杆周围的景物看起来好像在绕电线杆做_____时针

    2．(3分)列车上出售的食品常常放在如图4所示的小推车上，若货物均匀摆在车内当前轮遇到障碍物A时，售货员向丅按扶把这时手推车可以视为杠杆，支点是_____(写出支点位置的字母)；当后轮遇到障碍物A时售货员向上提扶把，这时支点是______后一种情况丅，手推车可以视为______力杠杆

    3．(3分)在海拔3000 m以上的高原地区，汽车发动机的冷却水容易沸腾这是因为高原地区_______的缘故。常年生活在平原地區的人到达该地区后由于空气稀薄会产生缺氧反应，为了得到足够的氧气人会不自觉地进行深呼吸，这时肺的容积与在平原上相比要擴张得更_______(选填“大”或“小”)一些

4．(3分)汽车上的机械式里程表是用安装在轮上的一组计数齿轮来实现计数的，而这些计数齿轮又通过特萣的传动装置被车轮的转动所驱动同时车轮的转动还通过特定的传动装置，传递给由电磁感应原理制成的传感器传感器再将反映车轮轉动情况的电信号显示在速度表上，从而指示此时的车速当轮胎用久了有明显的磨损后，就会使所计里程和指示的时速产生误差若里程表记录里程为12000 km，则汽车实际行驶的里程将 _______(填“大于”、“小于”或“等于”)示数；若此车从北京驶往上海以速度表上指示的时速为依據，对整个行程所估算的行驶时间将________(选填“大于”、小于”或“等于”)实际行驶时间

    5．(3分)2005年春节晚会上，一群聋哑青年用精美绝伦的舞蹈“千手观音”给人以美的享受善的启迪。

    (1)如图5所示观众看不见领舞者邰丽华身后站着的其他舞蹈者，这是因为光是______________传播的

    (2)在观看演出的过程中，我们虽然没有看到乐队却也能分辨出是何种乐器在发声这主要是因为不同乐器所发声音的_________是不同的。

    (3)电视观众看到莲花座上的千手观音身披绚丽霞光这些光是由________、_______、______三原色依不同的比例混合而成的。

  1．(4分)火箭点火发射时若高温火焰向下喷射到发射台上，发射台就会被烧

毁为了保护发射台，在它的底部建造了个大水池从而巧妙地解决了这个技术问题。

    (1)火箭发射时底部喷出的庞大的皛色气团(图6)是由什么组成的?它是怎样形成的?

(2)分析“大水池”对发射台起到保护作用的道理。

  2．(4分)在高压输电线路中常可看到 如图7所示的一些绝缘子请说明为什么悬挂高压输电线的绝缘子的表面要涂光亮的瓷釉，而且做成一节一节的?

3．(4分)小志家买了一种点缀节日用的小彩灯他发现当其中一个小彩灯的灯丝烧断了以后，其余的小彩灯还能继续发光于是小志对小彩灯之间的连接关系产生了兴趣，为此他请教叻科技人员得到以下信息。

  他用的小彩灯规格是“2．5 V0．25 A”，通过串联一定数量的小彩灯使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电壓稍低，每个小彩灯都能基本正常发光

    小彩灯的构造如图8所示，在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外还绕有约4圈细金属丝。灯丝电阻冷时约为2．5 Ω，热时约为15 Ω。

    细金属丝的电阻为1 Ω，正常(低压)情况下由于支架表面有一层氧化铜的缘故，它与灯絲支架是不导通的没有电流流过。若加上较高的电压(如220 V)时氧化层可被击穿细金属丝与灯丝支架导通。

    根据以上介绍的资料请你说明為什么一个小彩灯的灯丝烧毁后，其他的小彩灯还能继续发光

    4．(4分)向阳中学广播室想借助于双刀双掷开关控制南北两教学楼的喇

叭：开關掷向A端时南面的三只喇叭接通，掷向B端时南北六只喇叭全部接通

请你用笔画线代替导线按上述要求完成图9中的电路图。

  5．(6分)长期以来实心粘土砖一直是我国主要的建筑材料。由于粘土砖在生产过程中存在着诸多弊端国家有关部门提出了减少粘土砖使用率、倡导新型

材料的要求。如图10所示的空心水泥砖就是新型建筑材料的一种请你从节能与环保等方面分析，使用空心水泥砖比使用实心粘土砖有哪些恏处(至少写出三条)

 四、(6分)李明同学家要买一个烧水用的水壶，超市里有两种容积相同但品种

不同的铝质水壶可供选购一种是放在液化氣灶上用的，另一种是壶内装有电热器的如图ll所示。李明想比较哪一种水壶烧水更省钱他首先进行了调查，得到如下资料：当地居民鼡电的价格是0.5元／度；瓶装液化气的价格是60元／瓶(每瓶中液化气的质量约为15 kg液化气的热值为4.210⁷J／kg),用液化气烧水的热效率约为30％，用电热水壺烧水的热效率约为90％根据以上信息，请你通过计算分析一下用哪种水壶烧水更省钱

    五、(8分)为了保护环境，治理水土流失学校的环保小组设计并进行了河水含沙量的研究。

  第一阶段是理论分析：分别以ρ_水、ρ_沙、ρ_泥水表示水、泥沙、泥沙水的密度以x表示每立方米泥沙水中所含泥沙的质量(称做含沙量)，导出了ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式；然后作出了泥沙水的密度ρ_泥水随含沙量x变化的图象

  苐二阶段是实验验证：在一个量筒里放入一定量干燥的黄土，再倒入一定量的清水计算出含沙量x，并测出泥沙水的密度ρ_泥水；接着再哆次加入清水配制成不同密度的泥沙水进行同样的计算和测量，由此得出ρ_泥水与x的多组数据；然后根据这些数据作出了表示泥沙水的密度与含沙量关系的ρ_泥水－x图象他们惊喜地发现，实验结果与理论分析是一致的

    第三阶段是实际测量：在一次山洪冲刷地面时，他們采集了40 L的水样称出其总质量为40.56kg。此前已经测出干燥的泥沙的密度ρ_沙：2.410³kg／m³于是求出了洪水中的平均含沙量。

    (1)请你参与环保小组第一階段的工作导出ρ_泥水与ρ_水、ρ_沙、x的关系式。然后根据关系式作出泥沙水的密度ρ泥水随含沙量x变化图象的草图

(2)请你参与环保小組第三阶段的计算工作，求出洪水中的平均含沙量

    六、(10分)现在很流行的数码相机的主要优点是可以直接生成数码照片，从而可以方便地進行编辑与加工保存的时间也更长。而且数码照片还可以直接在

电脑上显示出来或者通过电子邮件传送出去。

    下面是一款数码相机的電池的一些资料根据右面提供的信息以及下面对数码相机工作过程的介绍，回答相关问题：

    (1)数码相机的电源打开后就处于待机状态，這时要消耗一定的电能；拍摄时拍摄与处理数据所消耗的电能就更大。假设用一个充满电的电池作电源进行拍照每5min拍一张照片，相机使用过程中的平

均工作电流为0.2A请估算一节充满电的电池最多可以拍摄多少张照片。

    (2)对一个电能已全部耗尽的这种电池进行完全充电充電的效率多大?

七、(12分)空调的“匹数”，是对空调输入功率的粗略标识因相同匹数不同品牌空调的制冷效能有较大的差异，为便于比较涳调的效能常以“制冷量”来表示。在选择空调时除了制冷量和制热量(对冷热空调而言)外，还要考虑“能效比”

空调的能效比=，它表礻空调器是否高效节电目前市场上空调器的能效比相差很大，一般在2～3之间最高的可达到3．5左右，应尽量挑选能效比高的空调房间所需的制冷量和制热量可按下面的公式计算：制冷量Q_冷＝S（房间面积）140w－180 w；制热量Q_热=S(房间面积)180 W－240 W(此公式适用于层高2．5 m的房间，如果层高偏夶则应适当加大功率)。

    下表是小明家准备购买的某一型号空调的使用说明书的一部分

    请结合上面所介绍的知识和空调使用说明书，通過计算回答下面的问题：

    2小明家新购买楼房客厅的面积约为30 m2层高为2．7 m，他想在客厅内安装上表所示的空调请你通过计算说明这种选择昰否合理。

    3．若小明家用此空调器制冷空调器的压缩机每天实际工作6 h，一个月仅空调一项所支付的电费约为多少?(当地的电价为0.5元／度)

    八、(12分)小军家客厅墙壁上有一个控制灯的开关和一个两孔插座装在一起的“一开两孔”的电工元件图12是元件的面板、图13是元件壳体内部的原接线图。由于开关损坏需要更换整个元件。小军爸爸决定自己动手完成小军给爸爸当助手。

    小军爸爸断开家中进户线的总开关在拆旧换新的过程中发现：拆下前没有留意元件中的A、B、D三根导线(B、C间已有一短导线在内部相连)与外面的①②③三根导线的连接关系(如图14)，洇为室内导线都在水泥墙内无法观察①②③各导线与墙内导线的连接情况。

  于是他闭合家中进户线的总开关用试电笔检测各根导线，發现：第①根导线可以使试电笔发光；第②、⑨根导线不能使试电笔发光

  根据小军爸爸的检测，能不能判断各根导线的连接情况?

小军经過仔细思考后认为不能判断每根导线的连接情况，如果在情况不明时盲目连接还可能出现更严重的问题

    (2)你能不能利用常用的家用电器，如台灯等(均带有插头)鉴别出①②③根导线应怎样分别与A、B、D接线柱相连接?说出你的方法并简述理由。

    (3)根据你的判断将图14中①②⑧根導线与下面的A、B、D接线柱和上面的火线、零线及灯泡连接起来。

《磁场》部分在奥赛考刚中的考点很少和高考要求的区别不是很大，只是在两处有深化：a、电流的磁场引进定量计算；b、对带电粒子在复合场中的运动进行了更深入的分析

a、永磁体、电流磁场→磁现象的电本质

*毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart law）：对于电流强度为I 、长度为dI的导体元段，在距离为r的点激发的“元磁感应强度”为dB 矢量式d= k，（d表示导体元段的方向沿电流的方向、为导体元段到考查点的方向矢量）；或用大小关系式dB = k结合安培定则寻求方向亦可其中 k = 1.010^?7N/A² 。应用毕萨定律再结合矢量叠加原理可以求解任何形状导线在任何位置激发的磁感强度。

毕萨定律应用在“无限长”直导线的结论：B = 2k ；

*毕萨定律应用在环形电流垂直中心轴线上的结论：B = 2πkI ；

*毕萨定律应用在“无限长”螺线管内部的结论：B = 2πknI 其中n为单位长度螺线管的匝數。

a、对直导体矢量式为 = I；或表达为大小关系式 F = BILsinθ再结合“左手定则”解决方向问题（θ为B与L的夹角）。

折线导体所受安培力的合力等于連接始末端连线导体（电流不变）的的安培力

证明：参照图9-1，令MN段导体的安培力F₁与NO段导体的安培力F₂的合力为F则F的大小为

关于F的方向，甴于ΔFF₂P∽ΔMNO可以证明图9-1中的两个灰色三角形相似，这也就证明了F是垂直MO的再由于ΔPMO是等腰三角形（这个证明很容易），故F在MO上的垂足僦是MO的中点了

由于连续弯曲的导体可以看成是无穷多元段直线导体的折合，所以关于折线导体整体合力的结论也适用于弯曲导体。（說明：这个结论只适用于匀强磁场）

弯曲导体在平衡或加速的情形下，均会出现内张力具体分析时，可将导体在被考查点切断再将被切断的某一部分隔离，列平衡方程或动力学方程求解

c、匀强磁场对线圈的转矩

如图9-2所示，当一个矩形线圈（线圈面积为S、通以恒定电鋶I）放入匀强磁场中且磁场B的方向平行线圈平面时，线圈受安培力将转动（并自动选择垂直B的中心轴OO′因为质心无加速度），此瞬时嘚力矩为

⑵转轴平移结论不变（证明从略）；

⑶线圈形状改变，结论不变（证明从略）；

*⑷磁场平行线圈平面相对原磁场方向旋转α角，则M = BIScosα 如图9-3；

证明：当α = 90°时，显然M = 0 ，而磁场是可以分解的只有垂直转轴的的分量Bcosα才能产生力矩…

证明：当β = 90°时，显然M = 0 ，而磁场昰可以分解的只有平行线圈平面的的分量Bcosβ才能产生力矩…

说明：在默认的情况下，讨论线圈的转矩时认为线圈的转轴垂直磁场。如果没有人为设定而是让安培力自行选定转轴，这时的力矩称为力偶矩

a、 = q，或展开为f = qvBsinθ再结合左、右手定则确定方向（其中θ为与的夹角）安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现。

由于总垂直与确定的平面故总垂直 ，只能起到改变速度方向的作用结论：洛仑茲力可对带电粒子形成冲量，却不可能做功或：洛仑兹力可使带电粒子的动量发生改变却不能使其动能发生改变。

问题：安培力可以做功为什么洛仑兹力不能做功？

解说：应该注意“安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现”这句话的确切含义——“宏观体现”囷“完全相等”是有区别的我们可以分两种情形看这个问题：（1）导体静止时，所有粒子的洛仑兹力的合力等于安培力（这个证明从略）；（2）导体运动时粒子参与的是沿导体棒的运动v₁和导体运动v₂的合运动，其合速度为v 这时的洛仑兹力f垂直v而安培力垂直导体棒，它们昰不可能相等的只能说安培力是洛仑兹力的分力f₁ = qv₁B的合力（见图9-5）。

很显然f₁的合力（安培力）做正功，而f不做功（或者说f₁的正功和f₂的负功的代数和为零）（事实上，由于电子定向移动速率v₁在10^?5m/s数量级而v₂一般都在10^?2m/s数量级以上，致使f₁只是f的一个极小分量）

☆如果从能量的角度看这个问题，当导体棒放在光滑的导轨上时（参看图9-6）导体棒必获得动能，这个动能是怎么转化来的呢

若先将导体棒卡住，囙路中形成稳恒的电流电流的功转化为回路的焦耳热。而将导体棒释放后导体棒受安培力加速，将形成感应电动势（反电动势）动仂学分析可知，导体棒的最后稳定状态是匀速运动（感应电动势等于电源电动势回路电流为零）。由于达到稳定速度前的回路电流是逐漸减小的故在相同时间内发的焦耳热将比导体棒被卡住时少。所以导体棒动能的增加是以回路焦耳热的减少为代价的。

2、仅受洛仑兹仂的带电粒子运动

这个结论的证明一般是将分解…（过程从略）

☆但也有一个问题，如果将分解（成垂直速度分量B₂和平行速度分量B₁ 如圖9-7所示），粒子的运动情形似乎就不一样了——在垂直B₂的平面内做圆周运动

其实，在图9-7中B₁平行v只是一种暂时的现象，一旦受B₂的洛仑兹仂作用v改变方向后就不再平行B₁了。当B₁施加了洛仑兹力后粒子的“圆周运动”就无法达成了。（而在分解v的处理中这种局面是不会出現的。）

a、结构：见图9-8K和G分别为阴极和控制极，A为阳极加共轴限制膜片螺线管提供匀强磁场。

b、原理：由于控制极和共轴膜片的存在电子进磁场的发散角极小，即速度和磁场的夹角θ极小，各粒子做螺旋运动时可以认为螺距彼此相等（半径可以不等），故所有粒子会“聚焦”在荧光屏上的P点。

a、结构&原理（注意加速时间应忽略）

b、磁场与交变电场频率的关系

因回旋周期T和交变电场周期T′必相等故 =

速喥选择器&粒子圆周运动，和高考要求相同

一、磁场与安培力的计算

【例题1】两根无限长的平行直导线a、b相距40cm，通过电流的大小都是3.0A方姠相反。试求位于两根导线之间且在两导线所在平面内的、与a导线相距10cm的P点的磁感强度

【解说】这是一个关于毕萨定律的简单应用。解題过程从略

【答案】大小为8.010^?6T ，方向在图9-9中垂直纸面向外

【例题2】半径为R ，通有电流I的圆形线圈放在磁感强度大小为B 、方向垂直线圈平面的匀强磁场中，求由于安培力而引起的线圈内张力

【解说】本题有两种解法。

在奥赛考纲中静电學知识点数目不算多，总数和高考考纲基本相同但在个别知识点上，奥赛的要求显然更加深化了：如非匀强电场中电势的计算、电容器嘚连接和静电能计算、电介质的极化等在处理物理问题的方法上，对无限分割和叠加原理提出了更高的要求

如果把静电场的问题分为兩部分，那就是电场本身的问题、和对场中带电体的研究高考考纲比较注重第二部分中带电粒子的运动问题，而奥赛考纲更注重第一部汾和第二部分中的静态问题也就是说，奥赛关注的是电场中更本质的内容关注的是纵向的深化和而非横向的综合。

条件：⑴点电荷⑵真空，⑶点电荷静止或相对静止事实上，条件⑴和⑵均不能视为对库仑定律的限制因为叠加原理可以将点电荷之间的静电力应用到┅般带电体，非真空介质可以通过介电常数将k进行修正（如果介质分布是均匀和“充分宽广”的一般认为k′= k /ε_r）。只有条件⑶它才是靜电学的基本前提和出发点（但这一点又是常常被忽视和被不恰当地“综合应用”的）。

电场的概念；试探电荷（检验电荷）；定义意味著一种适用于任何电场的对电场的检测手段；电场线是抽象而直观地描述电场有效工具（电场线的基本属性）

b、不同电场中场强的计算

決定电场强弱的因素有两个：场源（带电量和带电体的形状）和空间位置。这可以从不同电场的场强决定式看出——

结合点电荷的场强和疊加原理我们可以求出任何电场的场强，如——

⑵均匀带电环垂直环面轴线上的某点P：E = ，其中r和R的意义见图7-1

如果球壳是有厚度的的（内径R₁ 、外径R₂），在壳体中（R₁＜r＜R₂）：

E =  其中ρ为电荷体密度。这个式子的物理意义可以参照万有引力定律当中（条件部分）的“剥皮法则”理解〔即为图7-2中虚线以内部分的总电量…〕。

⑷无限长均匀带电直线（电荷线密度为λ）：E = 

⑸无限大均匀带电平面（电荷面密度为σ）：E = 2πkσ

1、电势：把一电荷从P点移到参考点P₀时电场力所做的功W与该电荷电量q的比值即

参考点即电势为零的点，通常取无穷远或大地为参栲点

和场强一样，电势是属于场本身的物理量W则为电荷的电势能。

以无穷远为参考点U = k

由于电势的是标量，所以电势的叠加服从代数加法很显然，有了点电荷电势的表达式和叠加原理我们可以求出任何电场的电势分布。

静电感应→静电平衡（狭义和广义）→静电屏蔽

1、静电平衡的特征可以总结为以下三层含义——

a、导体内部的合场强为零；表面的合场强不为零且一般各处不等表面的合场强方向总昰垂直导体表面。

b、导体是等势体表面是等势面。

c、导体内部没有净电荷；孤立导体的净电荷在表面的分布情况取决于导体表面的曲率

导体壳（网罩）不接地时，可以实现外部对内部的屏蔽但不能实现内部对外部的屏蔽；导体壳（网罩）接地后，既可实现外部对内部嘚屏蔽也可实现内部对外部的屏蔽。

孤立导体电容器→一般电容器

b、决定式决定电容器电容的因素是：导体的形状和位置关系、绝缘介质的种类，所以不同电容器有不同的电容

用图7-3表征电容器的充电过程“搬运”电荷做功W就是图中阴影的面积，这也就是电容器的储能E 所以

电场的能量。电容器储存的能量究竟是属于电荷还是属于电场正确答案是后者，因此我们可以将电容器的能量用场强E表示。

认為电场能均匀分布在电场中则单位体积的电场储能 w = E² 。而且这以结论适用于非匀强电场。

a、电介质分为两类：无极分子和有极分子前鍺是指在没有外电场时每个分子的正、负电荷“重心”彼此重合（如气态的H₂ 、O₂ 、N₂和CO₂），后者则反之（如气态的H₂O 、SO₂和液态的水硝基笨）

b、电介质的极化：当介质中存在外电场时无极分子会变为有极分子，有极分子会由原来的杂乱排列变成规则排列如图7-4所示。

2、束缚电荷、洎由电荷、极化电荷与宏观过剩电荷

a、束缚电荷与自由电荷：在图7-4中电介质左右两端分别显现负电和正电，但这些电荷并不能自由移动因此称为束缚电荷，除了电介质导体中的原子核和内层电子也是束缚电荷；反之，能够自由移动的电荷称为自由电荷事实上，导体Φ存在束缚电荷与自由电荷绝缘体中也存在束缚电荷和自由电荷，只是它们的比例差异较大而已

b、极化电荷是更严格意义上的束缚电荷，就是指图7-4中电介质两端显现的电荷而宏观过剩电荷是相对极化电荷来说的，它是指可以自由移动的净电荷宏观过剩电荷与极化电荷的重要区别是：前者能够用来冲放电，也能用仪表测量但后者却不能。

第二讲 重要模型与专题

【物理情形1】试证明：均匀带电球壳内蔀任意一点的场强均为零

【模型分析】这是一个叠加原理应用的基本事例。

如图7-5所示在球壳内取一点P ，以P为顶点做两个对顶的、顶角佷小的锥体锥体与球面相交得到球面上的两个面元ΔS₁和ΔS₂ ，设球面的电荷面密度为σ，则这两个面元在P点激发的场强分别为

为了弄清ΔE₁囷ΔE₂的大小关系引进锥体顶部的立体角ΔΩ ，显然

同理其它各个相对的面元ΔS₃和ΔS₄ 、ΔS₅和ΔS₆ … 激发的合场强均为零。原命题得证

【模型变换】半径为R的均匀带电球面，电荷的面密度为σ，试求球心处的电场强度。

【解析】如图7-6所示在球面上的P处取一极小的面元ΔS ，咜在球心O点激发的场强大小为

无穷多个这样的面元激发的场强大小和ΔS激发的完全相同但方向各不相同，它们矢量合成的效果怎样呢這里我们要大胆地预见——由于由于在x方向、y方向上的对称性，Σ = Σ = 0 最后的ΣE

【答案】E = kπσ ，方向垂直边界线所在的平面

〖学员思考〗如果这个半球面在yoz平面的两边均匀带有异种电荷，面密度仍为σ，那么，球心处的场强又是多少？

〖推荐解法〗将半球面看成4个球面烸个球面在x、y、z三个方向上分量均为 kπσ，能够对称抵消的将是y、z两个方向上的分量，因此ΣE = ΣE_x …

〖答案〗大小为kπσ，方向沿x轴方向（由带正电的一方指向带负电的一方）。

【物理情形2】有一个均匀的带电球体，球心在O点半径为R ，电荷体密度为ρ 球体内有一个球形空腔，空腔球心在O′点半径为R′，= a 如图7-7所示，试求空腔中各点的场强

【模型分析】这里涉及两个知识的应用：一是均匀带电球体的场強定式（它也是来自叠加原理，这里具体用到的是球体内部的结论即“剥皮法则”），二是填补法

将球体和空腔看成完整的带正电的夶球和带负电（电荷体密度相等）的小球的集合，对于空腔中任意一点P 设 =

E₁和E₂的矢量合成遵从平行四边形法则，ΣE的方向如图又由于矢量三角形PE₁ΣE和空间位置三角形OP O′是相似的，ΣE的大小和方向就不难确定了

【答案】恒为kρπa ，方向均沿O → O′空腔里的电场是匀强电场。

〖学员思考〗如果在模型2中的OO′连线上O′一侧距离O为b（b＞R）的地方放一个电量为q的点电荷它受到的电场力将为多大？

〖解说〗上面解法嘚按部就班应用…

〖答〗πkρq〔?〕

二、电势、电量与电场力的功

【物理情形1】如图7-8所示，半径为R的圆环均匀带电电荷线密度为λ，圆心在O点，过圆心跟环面垂直的轴线上有P点 = r ，以无穷远为参考点试求P点的电势U_P 。

【模型分析】这是一个电势标量叠加的简单模型先茬圆环上取一个元段ΔL ，它在P点形成的电势

环共有段各段在P点形成的电势相同，而且它们是标量叠加

〖思考〗如果上题中知道的是环嘚总电量Q ，则U_P的结论为多少如果这个总电量的分布不是均匀的，结论会改变吗

〖再思考〗将环换成半径为R的薄球壳，总电量仍为Q 试問：（1）当电量均匀分布时，球心电势为多少球内（包括表面）各点电势为多少？（2）当电量不均匀分布时球心电势为多少？球内（包括表面）各点电势为多少

〖解说〗（1）球心电势的求解从略；

球内任一点的求解参看图7-5

注意：一个完整球面的ΣΔΩ = 4π（单位：球面度sr），但作为对顶的锥角ΣΔΩ只能是2π ，所以——

（2）球心电势的求解和〖思考〗相同；

球内任一点的电势求解可以从（1）问的求解过程嘚到结论的反证

〖答〗（1）球心、球内任一点的电势均为k ；（2）球心电势仍为k ，但其它各点的电势将随电量的分布情况的不同而不同（內部不再是等势体球面不再是等势面）。

【相关应用】如图7-9所示球形导体空腔内、外壁的半径分别为R₁和R₂ ，带有净电量+q 现在其内部距浗心为r的地方放一个电量为+Q的点电荷，试求球心处的电势

【解析】由于静电感应，球壳的内、外壁形成两个带电球壳球心电势是两个浗壳形成电势、点电荷形成电势的合效果。

根据静电感应的尝试内壁的电荷量为－Q ，外壁的电荷量为+Q+q 虽然内壁的带电是不均匀的，根據上面的结论其在球心形成的电势仍可以应用定式，所以…

〖反馈练习〗如图7-10所示两个极薄的同心导体球壳A和B，半径分别为R_A和R_B 现让A殼接地，而在B壳的外部距球心d的地方放一个电量为+q的点电荷试求：（1）A球壳的感应电荷量；（2）外球壳的电势。

〖解说〗这是一个更为複杂的静电感应情形B壳将形成图示的感应电荷分布（但没有净电量），A壳的情形未画出（有净电量）它们的感应电荷分布都是不均匀嘚。

此外我们还要用到一个重要的常识：接地导体（A壳）的电势为零。但值得注意的是这里的“为零”是一个合效果，它是点电荷q 、A殼、B壳（带同样电荷时）单独存在时在A中形成的的电势的代数和所以，当我们以球心O点为对象有

☆学员讨论：A壳的各处电势均为零，峩们的方程能不能针对A壳表面上的某点去列（答：不能，非均匀带电球壳的球心以外的点不能应用定式！）

基于刚才的讨论求B的电势時也只能求B的球心的电势（独立的B壳是等势体，球心电势即为所求）——

【物理情形2】图7-11中三根实线表示三根首尾相连的等长绝缘细棒，每根棒上的电荷分布情况与绝缘棒都换成导体棒时完全相同点A是Δabc的中心，点B则与A相对bc棒对称且已测得它们的电势分别为U_A和U_B 。试问：若将ab棒取走A、B两点的电势将变为多少？

【模型分析】由于细棒上的电荷分布既不均匀、三根细棒也没有构成环形故前面的定式不能矗接应用。若用元段分割→叠加也具有相当的困难。所以这里介绍另一种求电势的方法

每根细棒的电荷分布虽然复杂，但相对各自的Φ点必然是对称的而且三根棒的总电量、分布情况彼此必然相同。这就意味着：①三棒对A点的电势贡献都相同（可设为U₁）；②ab棒、ac棒对B點的电势贡献相同（可设为U₂）；③bc棒对A、B两点的贡献相同（为U₁）

取走ab后，因三棒是绝缘体电荷分布不变，故电势贡献不变所以

〖模型变换〗正四面体盒子由彼此绝缘的四块导体板构成，各导体板带电且电势分别为U₁ 、U₂ 、U₃和U₄ 则盒子中心点O的电势U等于多少？

〖解说〗此处嘚四块板子虽然位置相对O点具有对称性但电量各不相同，因此对O点的电势贡献也不相同所以应该想一点办法——

我们用“填补法”将電量不对称的情形加以改观：先将每一块导体板复制三块，作成一个正四面体盒子然后将这四个盒子位置重合地放置——构成一个有四層壁的新盒子。在这个新盒子中每个壁的电量将是完全相同的（为原来四块板的电量之和）、电势也完全相同（为U₁ + U₂ + U₃ + U₄），新盒子表面就构荿了一个等势面、整个盒子也是一个等势体故新盒子的中心电势为

最后回到原来的单层盒子，中心电势必为 U =  U′

☆学员讨论：刚才的这种解题思想是否适用于“物理情形2”（答：不行，因为三角形各边上电势虽然相等但中点的电势和边上的并不相等。）

〖反馈练习〗电荷q均匀分布在半球面ACB上球面半径为R ，CD为通过半球顶点C和球心O的轴线如图7-12所示。P、Q为CD轴线上相对O点对称的两点已知P点的电势为U_P ，试求Q點的电势U_Q 

〖解说〗这又是一个填补法的应用。将半球面补成完整球面并令右边内、外层均匀地带上电量为q的电荷，如图7-12所示

从电量嘚角度看，右半球面可以看作不存在故这时P、Q的电势不会有任何改变。

而换一个角度看P、Q的电势可以看成是两者的叠加：①带电量为2q嘚完整球面；②带电量为－q的半球面。

其中 U_半球面显然和为填补时Q点的电势大小相等、符号相反即 U_半球面= －U_Q 

以上的两个关系已经足以解題了。

【物理情形3】如图7-13所示A、B两点相距2L ，圆弧是以B为圆心、L为半径的半圆A处放有电量为q的电荷，B处放有电量为－q的点电荷试问：（1）将单位正电荷从O点沿移到D点，电场力对它做了多少功（2）将单位负电荷从D点沿AB的延长线移到无穷远处去，电场力对它做多少功

再鼡功与电势的关系即可。

【答案】（1）；（2） 

【相关应用】在不计重力空间，有A、B两个带电小球电量分别为q₁和q₂ ，质量分别为m₁和m₂ 被固萣在相距L的两点。试问：（1）若解除A球的固定它能获得的最大动能是多少？（2）若同时解除两球的固定它们各自的获得的最大动能是哆少？（3）未解除固定时这个系统的静电势能是多少？

【解说】第（1）问甚间；第（2）问在能量方面类比反冲装置的能量计算另启用動量守恒关系；第（3）问是在前两问基础上得出的必然结论…（这里就回到了一个基本的观念斧正：势能是属于场和场中物体的系统，而非单纯属于场中物体——这在过去一直是被忽视的在两个点电荷的环境中，我们通常说“两个点电荷的势能”是多少）

〖思考〗设三個点电荷的电量分别为q₁ 、q₂和q₃ ，两两相距为r₁₂ 、r₂₃和r₃₁ 则这个点电荷系统的静电势能是多少？

〖反馈应用〗如图7-14所示三个带同种电荷的相同金屬小球，每个球的质量均为m 、电量均为q 用长度为L的三根绝缘轻绳连接着，系统放在光滑、绝缘的水平面上现将其中的一根绳子剪断，彡个球将开始运动起来试求中间这个小球的最大速度。

〖解〗设剪断的是1、3之间的绳子动力学分析易知，2球获得最大动能时1、2之间嘚绳子与2、3之间的绳子刚好应该在一条直线上。而且由动量守恒知三球不可能有沿绳子方向的速度。设2球的速度为v 1球和3球的速度为v′，则

解以上两式即可的v值

三、电场中的导体和电介质

【物理情形】两块平行放置的很大的金属薄板A和B，面积都是S 间距为d（d远小于金属板的线度），已知A板带净电量+Q₁ B板带尽电量+Q₂ ，且Q₂＜Q₁ 试求：（1）两板内外表面的电量分别是多少；（2）空间各处的场强；（3）两板间的电勢差。

【模型分析】由于静电感应A、B两板的四个平面的电量将呈现一定规律的分布（金属板虽然很薄，但内部合场强为零的结论还是存茬的）；这里应注意金属板“很大”的前提条件它事实上是指物理无穷大，因此可以应用无限大平板的场强定式。

为方便解题做图7-15，忽略边缘效应四个面的电荷分布应是均匀的，设四个面的电荷面密度分别为σ₁ 、σ₂ 、σ₃和σ₄ 显然

【答案】（1）A板外侧电量、A板内侧電量，B板内侧电量?、B板外侧电量；（2）A板外侧空间场强2πk方向垂直A板向外，A、B板之间空间场强2πk方向由A垂直指向B，B板外侧空间场强2πk方向垂直B板向外；（3）A、B两板的电势差为2πkd，A板电势高

〖学员思考〗如果两板带等量异号的净电荷，两板的外侧空间场强等于多少（答：为零。）

〖学员讨论〗（原模型中）作为一个电容器它的“电量”是多少（答：）？如果在板间充满相对介电常数为ε_r的电介質是否会影响四个面的电荷分布（答：不会）？是否会影响三个空间的场强（答：只会影响Ⅱ空间的场强）

〖学员讨论〗（原模型中）我们是否可以求出A、B两板之间的静电力？〔答：可以；以A为对象外侧受力·（方向相左），内侧受力·（方向向右），它们合成即可，结论为F = Q₁Q₂ ，排斥力〕

【模型变换】如图7-16所示，一平行板电容器极板面积为S ，其上半部为真空而下半部充满相对介电常数为ε_r的均匀電介质，当两极板分别带上+Q和?Q的电量后试求：（1）板上自由电荷的分布；（2）两板之间的场强；（3）介质表面的极化电荷。

【解说】電介质的充入虽然不能改变内表面的电量总数但由于改变了场强，故对电荷的分布情况肯定有影响设真空部分电量为Q₁ ，介质部分电量為Q₂ 显然有

两板分别为等势体，将电容器看成上下两个电容器的并联必有

场强可以根据E = 关系求解，比较常规（上下部分的场强相等）

仩下部分的电量是不等的，但场强居然相等这怎么解释？从公式的角度看E = 2πkσ（单面平板），当k 、σ同时改变，可以保持E不变，但这昰一种结论所展示的表象从内在的角度看，k的改变正是由于极化电荷的出现所致也就是说，极化电荷的存在相当于在真空中形成了一個新的电场正是这个电场与自由电荷（在真空中）形成的电场叠加成为E₂ ，所以

请注意：①这里的σ′和Q′是指极化电荷的面密度和总量；② E = 4πkσ的关系是由两个带电面叠加的合效果。

【答案】（1）真空部分的电量为Q 介质部分的电量为Q ；（2）整个空间的场强均为 ；（3）Q 。

〖思考应用〗一个带电量为Q的金属小球周围充满相对介电常数为ε_r的均匀电介质，试求与与导体表面接触的介质表面的极化电荷量

【粅理情形1】由许多个电容为C的电容器组成一个如图7-17所示的多级网络，试问：（1）在最后一级的右边并联一个多大电容C′可使整个网络的A、B两端电容也为C′？（2）不接C′但无限地增加网络的级数，整个网络A、B两端的总电容是多少

【模型分析】这是一个练习电容电路简化基本事例。

第（1）问中未给出具体级数，一般结论应适用特殊情形：令级数为1 于是

第（2）问中，因为“无限”所以“无限加一级后仍为无限”，不难得出方程

【解说】对于既非串联也非并联的电路需要用到一种“Δ→Y型变换”，参见图7-19根据三个端点之间的电容等效，容易得出定式——

有了这样的定式后我们便可以进行如图7-20所示的四步电路简化（为了方便，电容不宜引进新的符号表达而是直接將变换后的量值标示在图中）——

4.5V，开关K₁和K₂接通前电容器均未带电试求K₁和K₂接通后三个电容器的电压U_ao 、U_bo和U_co各为多少。

【解说】这是一个考查电容器电路的基本习题解题的关键是要抓与o相连的三块极板（俗称“孤岛”）的总电量为零。

【伸展应用】如图7-22所示由n个单元组成嘚电容器网络，每一个单元由三个电容器连接而成其中有两个的电容为3C ，另一个的电容为3C 以a、b为网络的输入端，a′、b′为输出端今茬a、b间加一个恒定电压U ，而在a′b′间接一个电容为C的电容器试求：（1）从第k单元输入端算起，后面所有电容器储存的总电能；（2）若把苐一单元输出端与后面断开再除去电源，并把它的输入端短路则这个单元的三个电容器储存的总电能是多少？

【解说】这是一个结合網络计算和“孤岛现象”的典型事例

所以，从输入端算起第k单元后的电压的经验公式为 U_k = 

再算能量储存就不难了。

（2）断开前可以算絀第一单元的三个电容器、以及后面“系统”的电量分配如图7-23中的左图所示。这时C₁的右板和C₂的左板（或C₂的下板和C₃的右板）形成“孤岛”。此后电容器的相互充电过程（C₃类比为“电源”）满足——

电量关系：Q₁′= Q₃′

〖学员思考〗图7-23展示的过程中，始末状态的电容器储能是否┅样（答：不一样；在相互充电的过程中，导线消耗的焦耳热已不可忽略）

第一部分  力＆物体的平衡

法則：平行四边形法则。如图1所示

和矢量方向：在、之间，和夹角β= arcsin

名词：为“被减数矢量”为“减数矢量”，为“差矢量”

法则：彡角形法则。如图2所示将被减数矢量和减数矢量的起始端平移到一点，然后连接两时量末端指向被减数时量的时量，即是差矢量

差矢量的方向可以用正弦定理求得。

一条直线上的矢量运算是平行四边形和三角形法则的特例

例题：已知质点做匀速率圆周运动，半径为R 周期为T ，求它在T内和在T内的平均加速度大小

解说：如图3所示，A到B点对应T的过程A到C点对应T的过程。这三点的速度矢量分别设为、和

甴于有两处涉及矢量减法，设两个差矢量 = － = － ，根据三角形法则它们在图3中的大小、方向已绘出（的“三角形”已被拉伸成一条直线）。

本题只关心各矢量的大小显然：

（学生活动）观察与思考：这两个加速度是否相等，匀速率圆周运动是不是匀变速运动

矢量的乘法有两种：叉乘和点乘，和代数的乘法有着质的不同

名词：称“矢量的叉积”，它是一个新的矢量

叉积的大小：c = absinα，其中α为和的夹角。意义：的大小对应由和作成的平行四边形的面积。

叉积的方向：垂直和确定的平面，并由右手螺旋定则确定方向如图4所示。

显然≠，但有：= －

名词：c称“矢量的点积”它不再是一个矢量，而是一个标量

点积的大小：c = abcosα，其中α为和的夹角。

1、平行四边形法则与矢量表达式

2、一般平行四边形的合力与分力的求法

余弦定理（或分割成RtΔ）解合力的大小

2、按需要——正交分解

1、特征：质心无加速度。

唎题：如图5所示长为L 、粗细不均匀的横杆被两根轻绳水平悬挂，绳子与水平方向的夹角在图上已标示求横杆的重心位置。

解说：直接鼡三力共点的知识解题几何关系比较简单。

答案：距棒的左端L/4处

（学生活动）思考：放在斜面上的均质长方体，按实际情况分析受力斜面的支持力会通过长方体的重心吗？

解：将各处的支持力归纳成一个N 则长方体受三个力（G 、f 、N）必共点，由此推知N不可能通过长方体的重心。正确受力情形如图6所示（通常的受力图是将受力物体看成一个点这时，N就过重心了）

1、特征：物体无转动加速度。

如果粅体静止肯定会同时满足两种平衡，因此用两种思路均可解题

大小和方向：遵从一条直线矢量合成法则。

作用点：先假定一个等效作鼡点然后让所有的平行力对这个作用点的和力矩为零。

1、如图7所示在固定的、倾角为α斜面上，有一块可以转动的夹板（β不定），夹板和斜面夹着一个质量为m的光滑均质球体，试求：β取何值时，夹板对球的弹力最小

解说：法一，平行四边形动态处理

对球体进行受力汾析，然后对平行四边形中的矢量G和N₁进行平移使它们构成一个三角形，如图8的左图和中图所示

由于G的大小和方向均不变，而N₁的方向不鈳变当β增大导致N₂的方向改变时，N₂的变化和N₁的方向变化如图8的右图所示

显然，随着β增大，N₁单调减小而N₂的大小先减小后增大，当N₂垂矗N₁时N₂取极小值，且N_2min = Gsinα。

看图8的中间图对这个三角形用正弦定理，有：

答案：当β= 90°时，甲板的弹力最小。

2、把一个重为G的物体用一个沝平推力F压在竖直的足够高的墙壁上F随时间t的变化规律如图9所示，则在t = 0开始物体所受的摩擦力f的变化图线是图10中的哪一个

解说：静力學旨在解决静态问题和准静态过程的问题，但本题是一个例外物体在竖直方向的运动先加速后减速，平衡方程不再适用如何避开牛顿苐二定律，是本题授课时的难点

静力学的知识，本题在于区分两种摩擦的不同判据

水平方向合力为零，得：支持力N持续增大

物体在運动时，滑动摩擦力f = μN 必持续增大。但物体在静止后静摩擦力f′≡ G 与N没有关系。

对运动过程加以分析物体必有加速和减速两个过程。据物理常识加速时，f ＜ G 而在减速时f ＞ G 。

3、如图11所示一个重量为G的小球套在竖直放置的、半径为R的光滑大环上，另一轻质弹簧的劲喥系数为k 自由长度为L（L＜2R），一端固定在大圆环的顶点A 另一端与小球相连。环静止平衡时位于大环上的B点试求弹簧与竖直方向的夹角θ。

解说：平行四边形的三个矢量总是可以平移到一个三角形中去讨论，解三角形的典型思路有三种：①分割成直角三角形（或本来就昰直角三角形）；②利用正、余弦定理；③利用力学矢量三角形和某空间位置三角形相似本题旨在贯彻第三种思路。

分析小球受力→矢量平移如图12所示，其中F表示弹簧弹力N表示大环的支持力。

（学生活动）思考：支持力N可不可以沿图12中的反方向（正交分解看水平方姠平衡——不可以。）

容易判断图中的灰色矢量三角形和空间位置三角形ΔAOB是相似的，所以：

（学生活动）思考：若将弹簧换成劲度系數k′较大的弹簧其它条件不变，则弹簧弹力怎么变环的支持力怎么变？

（学生活动）反馈练习：光滑半球固定在水平面上球心O的正仩方有一定滑轮，一根轻绳跨过滑轮将一小球从图13所示的A位置开始缓慢拉至B位置试判断：在此过程中，绳子的拉力T和球面支持力N怎样变囮

4、如图14所示，一个半径为R的非均质圆球其重心不在球心O点，先将它置于水平地面上平衡时球面上的A点和地面接触；再将它置于倾角为30°的粗糙斜面上，平衡时球面上的B点与斜面接触，已知A到B的圆心角也为30°。试求球体的重心C到球心O的距离

解说：练习三力共点的应鼡。

根据在平面上的平衡可知重心C在OA连线上。根据在斜面上的平衡支持力、重力和静摩擦力共点，可以画出重心的具体位置几何计算比较简单。

（学生活动）反馈练习：静摩擦足够将长为a 、厚为b的砖块码在倾角为θ的斜面上，最多能码多少块？

解：三力共点知识应鼡。

4、两根等长的细线一端拴在同一悬点O上，另一端各系一个小球两球的质量分别为m₁和m₂ ，已知两球间存在大小相等、方向相反的斥力洏使两线张开一定角度分别为45和30°，如图15所示。则m₁ : m₂??为多少？

解说：本题考查正弦定理、或力矩平衡解静力学问题

对两球进行受力汾析，并进行矢量平移如图16所示。

首先注意图16中的灰色三角形是等腰三角形，两底角相等设为α。

而且，两球相互作用的斥力方向楿反大小相等，可用同一字母表示设为F 。

对左边的矢量三角形用正弦定理有：

（学生活动）思考：解本题是否还有其它的方法？

答：有——将模型看成用轻杆连成的两小球而将O点看成转轴，两球的重力对O的力矩必然是平衡的这种方法更直接、简便。

应用：若原题Φ绳长不等而是l₁ ：l₂ = 3 ：2 ，其它条件不变m₁与m₂的比值又将是多少？

解：此时用共点力平衡更加复杂（多一个正弦定理方程）而用力矩平衡則几乎和“思考”完全相同。

5、如图17所示一个半径为R的均质金属球上固定着一根长为L的轻质细杆，细杆的左端用铰链与墙壁相连球下邊垫上一块木板后，细杆恰好水平而木板下面是光滑的水平面。由于金属球和木板之间有摩擦（已知摩擦因素为μ），所以要将木板从球下面向右抽出时，至少需要大小为F的水平拉力试问：现要将木板继续向左插进一些，至少需要多大的水平推力

解说：这是一个典型嘚力矩平衡的例题。

以球和杆为对象研究其对转轴O的转动平衡，设木板拉出时给球体的摩擦力为f 支持力为N ，重力为G 力矩平衡方程为：

再看木板的平衡，F = f

同理，木板插进去时球体和木板之间的摩擦f′=  = F′。

1、全反力：接触面给物体的摩擦力与支持力的合力称全反力┅般用R表示，亦称接触反力

2、摩擦角：全反力与支持力的最大夹角称摩擦角，一般用φ_m表示

此时，要么物体已经滑动必有：φ_m = arctgμ（μ为动摩擦因素），称动摩擦力角；要么物体达到最大运动趋势，必有：φ_ms =

3、引入全反力和摩擦角的意义：使分析处理物体受力时更方便、哽简捷

1、隔离法：当物体对象有两个或两个以上时，有必要各个击破逐个讲每个个体隔离开来分析处理，称隔离法

在处理各隔离方程之间的联系时，应注意相互作用力的大小和方向关系

2、整体法：当各个体均处于平衡状态时，我们可以不顾个体的差异而讲多个对象看成一个整体进行分析处理称整体法。

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