数列是高中数学的一个重要知识点,近几年高考物理中涉及数列的题目几乎年年出现,而且分量较重。涉及的数列主要有等比数列和等差数列。这类问题都是多次发生作用或有多个过程,某一物理量不断发生变化,但它的变化是有一定规律的。有的是一个等比数列,有的是一个等差数列,只要找出公比或公差,就可以写出它的通式。从而使复杂的变化过程简化。下面分别举例说明。
(1)等比数列类
[例题1](07年全国卷Ⅰ理综第24题)如图所示,质量为 m 的由绝缘材料制成的球与质量为 M = 19m 的金属球并排悬挂。现将绝缘球拉至与竖直方向成θ= 60°的位置自由释放,下摆后在最低点处与金属球发生弹性碰撞。在平衡位置附近存在垂直于纸面的磁场。已知由于磁场的阻尼作用,金属球将于再次碰撞前停在最低点处。求经过几次碰撞后绝缘
球偏离竖直方向的最大角度将小于 45°。
解析:设在第n次碰撞前绝缘球的速度为vn-1,碰撞后绝缘球和金属球的速度分别为vn和Vn。由于碰撞过程中动量守恒、碰撞前后动能相等,设速度向左为正,则
mvn-1=MVn-mvn ①
②
由①、②两式及M=19m解得
第n次碰撞后绝缘球的速度
③ 即
④
所以碰撞后绝缘球的速度为以公比的等比数列,所以它速度的通项式
第n次碰撞后绝缘球的动能为 ⑤
E0为第1次碰撞前的动能,即初始能量。所以第n次碰撞后绝缘球的动能也是一个等比数列,公比
由⑤可得⑥
根据机械能守恒定律可得绝缘球在θ=θ0=60°与θ=45°处的势能等于它在平衡位置的动能,所以绝缘球在两次动能之比等于两位置势能
之比即
=0.586 ⑦ 式中l为摆长。
易算出,(0.81)2=0.656,(0.81)3=0.531,因此,经过3次碰撞后θ将小于45。
点评:本题中通过分析,归纳出了每次碰撞后绝缘球的速度为以公比
的等比数列,找出该速度的通项式后便可找出每次碰撞后绝缘球的动能通项式,再根据势能之比得出碰撞的次数。
(2)、等差数列类
[例题1](07年江苏卷物理第18题)如图所示,空间等间距分布着水平方向的条形匀强磁场,竖直方向磁场区域足够长,磁感应强度B=1T,每一条形磁场区域的宽度及相邻条形磁场区域的间距均为
d=0.5m,现有一边长l=0.2m、质量m=0.1kg、电阻R=0.1Ω的正方形线框MNOP以v0=7m/s的初速从左侧磁场边缘水平进入磁场,求
(1)线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大小F。
(2)线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中产生的焦耳热Q。(3)线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n。解析:(1)线框MN边刚开始进入磁场区域时感应电动势 E=Blv0 ①
感应电流 ②
安培力 F=BlI ③由①②③解得F=2.8N
(2)设线框竖直下落时,线框竖直方向下落了H,速度为vH根据能量守恒定律
竖直方向上做自由落体运动,根据自由落体规律 解得
(3)线框穿过第1个条形磁场左边界过程中平均感应电动势 平均感应电流 平均安培力 根据动量定理 解得
同理线框穿过第1个条形磁场右边界过程中有所以线框穿过第1个完整的条形磁场过程中有即
同理可得线框穿过第2个完整的条形磁场过程中有=
同理可得线框穿过第3条形磁场过程中有由此可归纳出线框能穿过n个条形磁场后动量为一公差为的等差数列,
所以
设线框能穿过n个条形磁场后速度变为0,则有所以有
由此可得,可以穿过4个完整条形磁场区域
点评:本题中通过分析,归纳出线框能穿过n个条形磁场后动量为一公差为
的等差数列,从而可以进行定量计算。
[例题2]质量为2kgr 物体原来静止在粗糙的水平面上,现第1、3、、5奇数秒内,给物体加方向向北大小为6N的水平推力,在第2、4、6偶数秒内给物体加方向相同的大小为2N的水平推力,物体与水平地面间的动摩擦因数
,则物体10S内的位移为多少?解析:奇数秒内加速度
,物体作匀加速直线运动,偶数秒内加速度为0,物体作匀速直线运动。
第1秒内
, 第2秒内第3秒内,第4秒内第n秒内
,由此可见在第n秒内的位移是公差为的等差数列。
[例题3]如图所示,光滑水平面上停着一只木球和载人小车,木球质量为m=4kg,人和车总质量为M=64kg,人以速度
将木球推向正前方固定挡板,木球撞到挡板后原速弹回,人接住球后,再以同样的对地速度
将球推向挡板,求人经过几次推球后再也接不住球了?解析:第一次推球后人的速度为,根据动量守恒定律,设向左为正方向
解得
设第二次推球时人车的速度为
,对球第一弹回到第二次推出这一过程运用动量守恒 解得 同理可得
所以每次推完后球的速度通项式为接不住球时,一定有解得
,所以推9次才接不住。
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