物理竞赛专题八作图法

高中奥林匹克物理竞赛解题方法八、作图法方法简介作图法是根据题意把抽象复杂的物理过程有针对性的表示成物理图像，将物理问题转化成一个几何问题，通过几何知识求解，作图法的优点是直观形象，便于定性分析，也可定性计算，灵活应用作图法会给解题带来很大方便。赛题精析例1 如图81所示，细绳跨过定滑轮，系住一个质量为m的球，球靠在光滑竖直墙上，当拉动细绳使球匀速上升时，球对墙的压力将（ ）A增大B先增大后减小C减小D先减小后增大 图81解析 球在三个力的作用下处于平衡，如图81甲所示.当球上升时，角增大，可用动态的三角形定性分析，作出圆球的受力图（如图81甲）.从图可见，当球上升时，角增大，墙对球的支持力增大，从而球对墙的压力也增大. 故选A正确. 图81甲 图82 图82甲例2 用两根绳子系住一重物，如图82所示.绳OA与天花板间夹角不变，当用手拉住绳子OB，使绳OB由水平方向转向竖直方向的过程中，OB绳所受的拉力将（ ）A始终减小B始终增大C先减小后增大D先增大后减小解析 因物体所受重力的大小、方向始终不变，绳OA拉力的方向始终不变，又因为物体始终处于平衡状态，所受的力必然构成一个三角形，如图82甲所示，由图可知OB绳受的拉力是先减小后增大. 可知答案选C例3 如图83所示，质量为m的小球A用细绳拴在天花板上，悬点为O，小球靠在光滑的大球上，处于静止状态.已知：大球的球心O在悬点的正下方，其中绳长为l，大球的半径为R，悬点到大球最高点的距离为h.求对小球的拉力T和小球对大球的压力.解析 力的三角形图和几何三角形有联系，若两个三角形相似， 则可以将力的三角形与几何三角形联系起来，通过边边对应成比例求解. 图83以小球为研究对象，进行受力分析，如图83甲所示，小球受重力mg、绳的拉力T、大球的支持力FN，其中重力mg与拉力T的合力与支持力FN平衡.观察图中的特点，可以看出力的矢量三角形ABC与几何三角形AOO相似，即： 图83甲所以绳的拉力：T=小球对大球的压力例4 如图84所示，质点自倾角为的斜面上方定点O沿光滑的斜槽从静止开始下滑，为使质点在最短时间内从O点到达斜面，斜槽与竖直方向的夹角应等于多少？解析 如图84甲所示，以经过O点的竖直线上的一点O为圆心，OO为半径作圆，并使该圆与斜面恰好相切于A点，与OO延长线交于B点.已知从O点由静止出发沿倾角不同的光滑斜 图84面下滑的质点，到达圆周上不同点所需时间相等，显然，质点沿OA方向从静止开始滑到斜面上所需时间比沿其他方向滑到斜面上所需时间短.连接OA，由几何关系得：AOB=所以所用时间最短时，斜槽与竖直方向的夹角=/2所题也可用极限法求解，读者可试试. 图84甲例5 一条小河，河水以v1=5m./s的速度匀速流动，一条小船在静水中的速度为v2=4m/s.欲使小船渡河的航程最短，小船的船头应指向何方向？解析 若v1 v2，小船就不能垂直渡河.但欲使航程最短，则应使合速度方向与河岸夹角最大. 图85根据矢量合成的三角形法，v1、v2、v合 ，构成封闭三角形，作图如85所示，作有向线段OA表示河水流速v1，以表示 v2的有向长度为半径，以A为圆心画圆，过O该圆的切线，切点为B，作有向线段AB，有向线段AB的方向就是所求的方向.由直角三角形AOB，得：所以=37即小船的船头应指向上游并沿与上游的河岸成37角的方向.例6 一木箱重为G，与地面动摩擦因数为，现用斜向上的力F拉木箱使之沿水平地面匀速前进，如图86所示. 求拉力F与水平方向夹角为何值时拉力最小？这个最小值多大？解析 木箱受重力G、弹力N、摩擦力f及拉力F四个力的作用，但此题也可以把木箱看做只受三个力作用，即重力G、 图86拉力F和摩擦力f与支持力N的合力F，设F与N的夹角为，则，再应用矢量三角形求解 图86甲 图86乙木箱受力情况如图86甲所示，已知G的大小和方向，F的方向，显然，要使封闭的矢量三角形中F值最小，只有由G的端点作F的作用线的垂线时，F值最小，如图86乙所示，此时F的最小值为Fmin=Gsin()其中，所以最小的拉力F与水平方向的夹角为.例7 如图87所示，一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度从轴上的点射入图中第一象限所示的区域，为了使该质点能从轴上的b点以垂直于Ox轴的速度射出，可在适当的地方加一个垂直于平面、磁感应强度为B的匀强磁场.若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径.重力忽略不计. 图87解析 当带电质点以垂直于磁场方向的速度进入磁场，在磁场中将做匀速圆周运动，由此要从点进入从b点射出其圆轨道为圆弧，因而可用作图法求解.过点作平行Ox轴的直线，过b作平行Oy的直线，两直线相交于c点，如图87甲所示，可见只要能保证带电质点的圆轨道处在匀强磁场中，即可使带电质点从b点射出，由此可知，磁场区域有一最小值，其最小半径为圆形轨道两个端点连线的一半，即： 图87甲由可得粒子在磁场中的偏转半径为所加磁场的最小半径为例8 图88中AB表示一横放的平面镜，P1P2是水平放置的米尺（有刻度的一面朝着平面镜），MN是屏，三者互相平行，屏MN上的ab表示一条直缝（即a、b之间是透光的）.某 图88人眼睛紧贴米尺上的小孔S（其位置见图），可通过平面镜看到米尺上的一部分刻度.试在本题的图上用三角板作图求出可看到的部分，并在P1P2上把这部分涂以标志 .解析 根据物像位置镜面对称可知：人眼通过平面镜看到的米尺刻度范围，好像人眼在平面镜中的像直接去看刻度范围，不过要受到挡板MN的像MN的阻挡，所以先将眼睛在平面 图88甲镜中成像点S作出，再作出挡板MN在平面镜中的像MN，如图88甲，其中是挡板上的缝在平面镜中的像，连接并延长交AB、P1P2于、两点，再作和的连线交AB于E点，并延长后交P1P2于F点，则即为人眼通过平面镜和挡板后能看到的刻度范围.例9 光线透过空气中的平行平面厚玻璃板，问下图99所示四种情形中哪一种是正确的？解析 根据光的折射定律，光由光疏介质进入光密介质时，光线要向着法线的方向偏析，相反时，向远离法线的方向偏折，且在传播中光路是可逆的.由上分析可知，（2）图是正确的. ir ir图89 例10 某人通过焦距为10cm，直径为4.0cm的薄凸透镜观看方格纸，每个方格的边长为0.3cm. 他使透镜的主轴与方格纸垂直AB，透镜与纸面相距10cm，眼睛位于透镜主轴上离透镜5.0cm处. 问他至多能看到同一行上几个完整的方可格？ 图810解析 可以用光路的可逆性来做，若在S点放一点光源，则成像于S点，能照亮方格纸上一定面积，其直径为，如图810所示，根据光路的可逆性，来自面积上的方格的光经透镜折射后都能进入人眼，即能被人看到，由可得，由相似三角形对应边成比例得，所以，即最多能看到同一行上26个完整的方格.例11 凸透镜L1与凹透镜L2同轴放置，L1左侧媒质的折射率，L2右侧媒质的折射率也是，两透镜之间的价质折射率为0，且0.F1是L1的物方焦点，F2是L2的物方焦点，是L2的像方焦点. 有一物点S位于L1的物方焦平面上，如图811所示.（1）画出成像光路图，求出像点S1的位置.简述作图的依据；（2）若L1的物方焦距F1=20厘米，L2的物方 焦距F2=10厘米，物点S离光轴的距离为2厘米，问像点S1离光轴的距离为多少？解析 放于焦平面上的点光源发出的光经凸透镜折射后平行于副光轴，平行于副光轴的平行光经凹透镜发散后，反向延长线将交一凹透镜的副焦点，光路图如图811甲所示.（1）作法：过S作过光心O点的光线，传播方向不改变. 过O点作平行于SO的辅助线及过F2作垂直于主轴的直线（焦平面），两线相交于S1（副焦点）.平行于副光轴的光线，经凹透镜折射后，折射线的反向延长线将通过S1点，即S1为所求的像点.（2）由图可知： 可以 即S1离主光轴的距离为1cm.针对训练1如图813所示，一个重为G的匀质球，放在光滑的斜面上，斜面倾角为，在斜面上有一光滑的斜木板挡住球处于静止状态.如果挡板与斜面间的夹角缓慢增大到挡板呈水平状态，此过程中挡板对球的弹力N1和斜面对球的弹力N2如何变化？2一重为G的物块放在倾角为的斜面上，物块与斜面间的 摩擦因数为，今在物块上的作用力为F，F可与斜面成 任意夹角，如图814所示，求拉动物块沿斜面上升所需 力F的最小值及对应的角. 图813 图814 图815 图8163如图815所示，小环m1、m2能沿着一轻绳光滑地滑动，绳的两端固定于直杆AB的两端，杆与水平线成角度，在此杆上又套一轻小环，绳穿过轻环，并使m1、m2在其两边，设环与直杆的接触是光滑的，当系统平衡时，直杆与轻环两边的绳夹角为，试证：4一条在湖面上以恒定速度行驶的船上，有一与船固定的竖直光滑墙壁.有一个小球沿水平方向射到墙上. 相对于岸，小球的速度大小为，方向与墙的法线成60角，小球自墙反弹时的速度方向正好与小球入射到墙上时的速度方向垂直.问船的速度应满足什么条件.设小球与墙壁的碰撞是完全弹性的.5F =400N的力拖着小船，使它沿着河中心线运动.现甲、乙两人在河两岸共同拖船，已知甲拉力的方向与河中心线的夹角为30，要使两人共同产生的效果与F单独作用的效果相同，乙拉力的最小值应为多少？方向如何？6如图816所示，一储油圆桶，底面直径与桶高均为d.当桶内无油时，从某点A恰能看到桶底边缘上的某点B.当桶内油的深度等于桶高一半时，在A点沿AB方向看去，看到桶底上的C点，C、B相距d/4.由此可得油的折射率 ；光在油中传播的速度 m/s.（结果可用根式表示）7要在一张照片上同时拍摄物体正面和几个不同侧面的像，可以在物体的后面放两个直立的大平面镜AO和BO，使物体和它对两个平面镜所成的像都摄入照相机，如图817.图中带箭头的圆圈P代表一个人的头部，白色半圆代表人的脸部，此人正面对着照相机的镜头；有斜线的半圆代表脑后的头发；箭头表示头顶上的帽子.图817甲为俯视图. 若两平面镜的夹角AOB=72，设人头的中心恰好位于角平分线OC上，且照相机到人的距离远大于人到平面镜的距离.（1）试在图817甲画出P的所有的像的位置并用空白和斜线分别表示人脸和头发，以表明各个像的方位.图817 图817甲 图817乙（2）在图817乙的方框中画出照片上得到所有的像（分别用空白和斜线表示人脸和头发，用箭头表示头顶上的帽子）.8图818中所示是一潜望镜壳体的示意图.MN为光线的入口. 在上方AB处已放置一块与纸面垂直的平面镜，它和与纸面垂 直的竖直面之间的夹角为45.眼睛在观察孔S处观察，在CD（与垂直面的夹角也是45）处放置一块平面镜. 今要使观察到的视场不受CD处的平面镜的限制，则平面镜CD至少要有多大的线度才行？要求直接在图上用作图法画出即可，但要说明作图的步骤. 图8189图819中MN是薄透镜的主轴，S是发光点，S是它的像点.（1）用作图法求出薄透镜的位置，标在图上；（2）分别作光路图求出两个焦点的位置，标在图上. 再标明透镜的类别.10如图820所示，某人的眼睛在E处通过放大镜L观察标尺M，F1和F2为L的焦点.他既能通过L看到M上的一部分刻度，又能直接从镜外看到一部分刻度值的范围.在作图进用、标明你画的光线，并写出作图步骤.11如图821所示，凸透镜L的主轴与轴重合，光心O就是坐标原点，凸透镜的焦距为10厘米.有一平面镜M放在厘米、的位置，眼睛从平面镜反射的光中看到光点A的像位于A2处，A2的坐标见图.（1）求出此发光点A的位置；（2）写出用作图法确定A的位置的步骤并作图.12一平凸透镜焦距为，其平面上镀了银，现在其凸面一侧距它2处，垂直于主轴放置一高为H的物，其下端在透镜的主轴上，如图822所示.（1）用作图法画出物经镀银透镜所成的像， 并标明该像是虚、是实；（2）用计算法求出此像的位置和大小.13焦距均为的两个凸透镜L1、L2与两个平面镜M1、M2放置在如图823所示的位置.两透镜共轴，透镜的主轴与二平面镜垂直，并通过两平面镜的中心，四镜的直径相同，在主轴上有一点光源O. （1）画出由光源向右的一条光线OA，在此光学系统中的光路；（2）分别说出由光源向右发出的光线和向左发出的光线各在哪些位置（O点除外）？形成光源O的能看到的像，哪些是实像？哪些是虚像？14已知两透镜组合系统如图824所示，物经整个系统成像，像的位置大小如图所示.试用作图法求物经L1所成的像的位置与大小，作出L1的焦点及系统的焦点位置. 说明L1和L2是什么透镜？ 图82415有两个焦距分别为1和2的凸透镜，如果把这两个透镜做适当的配置，则可使一垂直于光轴的小物体在原位置成一等大、倒立的像，如图825所示，试求出满足上述要求的配置方案中各透镜的位置. 图825参考答案1N1先减小后增大，N2减小 23证明过程略 4船的行驶速度必须有沿y方向的分速度，亦即具有沿墙壁平面法线方向的分速度，其大小为，而沿x方向的分速度不受限制，可取包括零在内的任意值。5200N，方向与河中心线夹角60 678先作出MN在AB镜中的虚像MN；再作出眼睛在CD处镜中的虚像S；将S与MN相连，与CD面交于CD处。 CD即为所求的结果。 910（1）作放大镜L端点和E点的连线并交M于A点。（2）过L中心点作LE线的平行线OO。（3）过F1作垂直于主光轴的直线（焦平面）交OO直线于B点。（4）连接BL交M于C点。（5）作A、B、C三点关于主光轴对称点，可通过作图得A、B、C。可见AA以外的刻度可直接看到，CC之间的刻度可通过放大镜L看到，AC、AC之间的刻度无法看到。第10题11（1）x=5cm，y=4cm （2）略12（1）第12题 提示：（1）平凸薄透镜平面上镀银后构成一个由会聚透镜L和与它密接的平面镜M的组合LM，图中O为L的光心O，AOF为主轴，F和F为L的两个焦点，AP为物，作图时利用了三条特征光线。第13题（1） （2）在透镜左方距离处，大小为13（1） （2）向右发出的光线：处成实像；右方无限处成虚像，F2处成实像；P处（M1左方处主轴上）成虚像。向左发出的光线：F1处成实像；左方无穷远处成虚像；F处成实像；Q处（M2右方处主轴上）成虚像。 14略 15略- 10 -