替换法是一种创造性的思维方式,利用替换法解题,往往可以辟免复杂的数学运算,使这类问题得到简化
1.利用物理量的替换
同一物体的两个运动过程中,某个物理量的变化恰好对应着另一物理量的变化,这两个不同物理量变化的量值相等,利用等效替换法,可以开辟常规途径设法找到解题的捷径.
例1如***1质量为m的小球以初速度v0冲上斜面,斜面的质量为M, 斜面光滑,试求在下列两种情况下,小球在斜面上升的最大高度之差.
(1)斜面固定;
(2)斜面自由地置于光滑水平面上.
(设两种情况下小球的最大高度均小于斜面高)
解析这道题按常规解法是分别计算两种情况下小球在斜面上到达的高度.这种解法的方程较多不够简洁,若利用物理量的替换就简便一点.
考察小球运动的两个物理过程,可以发现以下差异,第一次小球到达最高点时速度为零,而第二次小球到达最高点时速度不为零,且与斜面获得共同的水平速度,即在第一个过程中小球的初动能全部转化为重力势能,而在第二次过程中小球的动能只有部分转变为重力势能.由此可见,两个过程中小球末态重力势能的差值与第二种情况下小球和斜面的末态动能值具有代偿性.
故mgΔh=12(m+M)v2,又 mv0=(m+M)v
解得 Δh=mv202(m+M)g.
1. 利用电路结构补割等效换算
当电路或导体具有特殊结构时,如闭合电路在匀强磁场中不论在任何方向平动,闭合电路中的总电动势恒为零.闭合的通电导线在匀强磁场中所受磁场力的矢量和恒为零.利用电路结构补割等效换算,可使问题的求解过程变得简单.
例2如***所示,将金属丝AB弯成半径r的圆弧,但是AB之间留出宽度 为d,相对于圆弧来说很小的间隙,电荷量Q的正电荷均匀分布在金属丝上,求圆心O处的电场强度.
思路分析将圆环的缺口补上,并且它的电荷线密度与缺了口的环体原有的电荷线密度一样,这样就形成了一个
电荷均匀分布的完整的带电环,环上处于同一直径两端的微
小部分可看成相对应的点电荷,它产生的电场在圆心处叠加后场强为零.根据对称性可知,带电圆环在圆心处的总场强E=0.
解析设原缺口环所带电荷的线密度为ρ,则补上金属小段的带电荷量Q′=ρd 将Q′视为点电荷,它在O处的场强为E1,方向向右.设要求的场强为E2,由E1+E2=0可得E2=-E1,负号表示E2方向与E1方向相反,为向左.
2. 利用物理状态的互换性
物理状态虽然各有特点存在差异,但是某些物理状态在某些方面却具有互换性.为很多问题的分析提供简便方法.
例3如***1所示,两个相同大小的金属板平行正对放置,且距离很近,组成一平行板电容器,已知两板分别带有q1=-2.0×10-8库,q2=+6.0×10-8库,测得两板间电势差u为10伏,求该容器电容C.
分析这个问题似乎无法解决,然而如下特殊状态的结论会使解题豁然开朗.如果两板各带有等量的同种电荷,由电场的对称性迭加可知,两板间电场强度处处为零.据此,
可以得到解决本题的思路.设想使两板分别再带上负-2.0×10-8库,则两板带电量分别为-4.0×10-8库与4.0×10-8库,这种补偿的效果是电容器内电场强度保持不变,即前后
两种物理状态具有互换性,故可用后一种状态代换前一种状态,
由电容器的定义可得
C=qu=4.0×10-810=4.0×10-9(F).
4.利用平衡力的不变性
一个平面共点力,若其合力为零,则为平衡力,对一个物体添加一平衡力,在其它条件不变的情况下,物体的受力效果相同.利用平衡力的这种不变性,可以巧妙地解决某些问题.
例4带正电的粒子q质量为m,初始时静止在坐标原点o,匀强磁场方向沿x轴正方向,匀强电场方向沿z轴正方向, 磁感应强度为B,电场强度为E.求带电粒子在此复合电磁场中的运动轨迹.
解析因为粒子初速度为零,所以可等效成两个大小相等,
方向相反的速度合成,且令v0=E/B,方向沿y轴正方向.显然
沿y轴正方向的v0所对应的洛仑兹力恰好与电场力平衡,
粒子只受到沿y轴负方向的v0所产生的洛仑兹力f=qv0B
的作用,方向在yoz平面内.粒子在yoz平面内以v0作匀速圆周运动,同时由于沿y轴正方向的v0的存在,粒子还沿y轴正方向匀速运动,这两个运动的叠加就是粒子在复合电磁场中的合运动.粒子的合运动可等效成半径为R=mv0/Bq的圆沿y轴正方向以中心速度v0做滚动.
别列式:x=v02x⑥;0-(v02)2=2(-a)x1⑦,联立得x=12m.
法4从平均速度关系出发解题,可得时间中点即9m时的速度为v02,同时也是整个过程的平均速度,得x=v02t⑧,
前一半时间的平均速度v1=V0+v022=34v0,得x1=v1・t2=
38v0t⑨;结合⑧⑨得x=12m.
法5根据汽车刹车的情形,设初速度为v0,滑行总时间为t,可以作出如***6所示的v-t***,数理结合可以将物理运动类问题转化为求OAB的面积,求得x=12m.
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