構(gòu)建物理模型 表露已知條件 求解物理問(wèn)題＊

趙詩(shī)華 朱 琴 楊吉旺 張 飛

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）理學(xué)院，北京 100083；2.北京市昌平第二中學(xué)，北京 102208）

有不少物理問(wèn)題，貌似已知條件不夠，實(shí)際上只需要通過(guò)構(gòu)建物理模型（或者物理過(guò)程），表露出已知條件，就能求解相關(guān)物理問(wèn)題.

圖1

例1.正點(diǎn)電荷Q1和Q2分別置于A、B兩點(diǎn)，Q1＝Q，Q2＝4Q，相距為d，現(xiàn)以d為直徑作半圓，如圖1所示.試求在此半圓上電勢(shì)最低點(diǎn)P的位置（用∠PAB表示）.

解析：對(duì)帶電的質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)功能關(guān)系，僅電場(chǎng)力做功條件下，其動(dòng)能Ek，電勢(shì)能Ep電相互轉(zhuǎn)化，總量守恒，即Ek＋Ep電＝恒量，所以動(dòng)能最大處，對(duì)應(yīng)電勢(shì)能最小，電勢(shì)能最小處，即為電勢(shì)最低點(diǎn).因此求解此題需構(gòu)建一個(gè)只有電場(chǎng)力做功的物理模型.

圖2

例2.如圖3，橢圓半長(zhǎng)軸為a，半短軸為b，焦距為2c，求4個(gè)頂點(diǎn)A、B、C、D的曲率半徑.

解析：本題可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法和物理方法求解.數(shù)學(xué)方法是，由橢圓方程對(duì)x求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，然后代入到曲率圓半徑公式中即可求得曲率半徑.物理方法是構(gòu)建一個(gè)物理模型運(yùn)用已知物理規(guī)律求解.

圖3

該題可以建立地球繞太陽(yáng)橢圓軌道運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程來(lái)求解.設(shè)地球質(zhì)量為m，太陽(yáng)質(zhì)量為M位于焦點(diǎn)P點(diǎn)，設(shè)地球位于橢圓軌道的A、B、C點(diǎn)速度為vA、vB、vC，如圖4.地球在A點(diǎn)時(shí)，由牛頓第二定律得

圖4

由機(jī)械能守恒定律得

由開(kāi)普勒第二定律得

聯(lián)列（1）～（3）式得

地球在C點(diǎn)時(shí)，由牛頓第二定律得

由機(jī)械能守恒定律得

圖5

例3.兩端封閉的玻璃管內(nèi)，有一段水銀柱將管內(nèi)氣體分為兩部分，玻璃管與水平面成α角，如圖5.將玻璃管整體浸入較熱的水中，重新達(dá)到平衡.試論證水銀柱的位置是否變化？如何變化？

解析：此題同樣要構(gòu)建一物理過(guò)程來(lái)求解.假設(shè)水銀柱不動(dòng)，兩部分氣體分別做等容過(guò)程變化，求出兩部分氣體壓強(qiáng)差的變化，從而判定水銀柱的運(yùn)動(dòng)情況.

例4.有一水池的實(shí)際深度為h，垂直于水面往下看，水池底的視深為多少？已知水的折射率為n.

圖6

解析：此題需要構(gòu)建光路折射過(guò)程求解.如圖6，在水池底構(gòu)建一點(diǎn)光源S，在由點(diǎn)光源S發(fā)出的光線中選取一條垂直水面MN的光線，由水面O點(diǎn)垂直射出，因觀察者在S正上方，故另一條光線與SO成極小角度射向水面點(diǎn)A，由A點(diǎn)射到空氣中.因入射角i極小，故折射角θ也極小，進(jìn)入人眼的兩條折射光線的反向延長(zhǎng)線交于點(diǎn)S′，該點(diǎn)即為我們看到水池底點(diǎn)光源S的像，像點(diǎn)S′到水面的距離h′即為視深.由圖6知

由于θ、i均極小，tanθ≈sinθ，tani≈sini，

以上的例題可見(jiàn)，熟練掌握好物理基礎(chǔ)知識(shí)以及知識(shí)間的相互聯(lián)系，對(duì)于貌似已知條件不足的問(wèn)題，能順利地通過(guò)構(gòu)建物理模型（或者物理過(guò)程）來(lái)求解.