目前,高考全国卷物理科要考核的能力包括:应用数学处理物理问题的能力。具体的是能够根据具体问题列出物理量之间的关系式,进行推导和求解,并根据结果得出物理结论;能运用几何图形、函数图像进行表达、分析。其中一次函数是最简单,考的频率最多的函数,2018年普通高等学校招生全国统一考试2卷理科综合第23题就考到了相关知识。
例1:某同学用图(1)所示的装置测量木块与木板之间的摩擦因数。跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连,滑轮和木块之间的细线保持水平,在木块上放置砝码。缓慢向左拉动水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小。某次实验所得数据在下表中给出,其中的值从图(2)中弹簧秤的示数读出。
回答下列问题
(1)=__________N
(2)在图(3)的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f-m图线;
(3)f与m、木块质量M、木板和木块之间的滑动摩擦因数及重力加速度大小g之间的关系式f=__________,f-m图线(直线)的斜率的表达式k=____________;
(4)取g=9.80 m/,由绘出的f-m图线求得(保留2位有效数字)
第一空读数简单,注意估读就可以了,2.75N;第二空描点连线看似简单,稍有不慎画的不准确就会给第四小题埋下“祸根”,所以考试时建议先用铅笔画,确定之后再用黑色签字表描黑,描点连线如图(4)。关键是第三空,要先观察图(c)的特点,然后根据实验原理列出物理量之间的关系式,f=μ(M+m)g,然后根据图(3)纵横坐标的物理量,再结合一次函数的表达式y=kx+b,变成一次函数形式f=μmg+μMg,对比得到斜率k=μg,由图像的k=4.0所以μ=0.40,当然描点连线时有误差,所以会造成μ的值有些出入。
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通过这道高考题的分析,笔者认为要解决与一次函数相关的题型,掌握以下方法基本就能解决问题:1、根据具体问题列出物理量之间的关系式;2、结合图像变换成一次函数表达式;3、找图像的斜率和截距,对比物理表达式,求出相应物理量。
下面用刚才总结的方法来解决其他一次函数类型的题。在力学实验中考的比较多的是“探究加速度与力、质量的关系”,请看下面这道题:
例2:在“探究加速度与力、质量的关系的实验”时,采用了如图(5)所示的实验方案。 (已经平衡了摩擦力)
图(7)为小车质量一定时,根据实验数据描绘的小车加速度a与盘和砝码的总质量m之间的实验关系图象。若牛顿第二定律成立,则小车的质量M=________kg。
首先根据具体问题列出物理量之间的关系式:mg=(M+m)a,其次结合图像变换成一次函数表达式=·+,然后找图像的斜率和截距,对比物理表达式由题意知k=,b=,所以M=。由图象可知k==0.008,b=0.1,所以M=0.08 kg。
在力学选择题当中也有可能出现:
例3:(2017·江苏单科)一小物块沿斜面向上滑动,然后滑回到原处。物块初动能为Ek0,与斜面间的动摩擦因数不变,则该过程中,物块的动能Ek与位移x关系的图线是( )
这道题涉及到了动能和位移的关系,那么会让考生想到动能定理,所以我们可以根据动能定理的写出相关的表达式。先画出运动示意图,因为有两条线,所以能返回。假设能上滑到A点,然后返回,运动示意图简化为图(8):
设斜面的倾角为θ,物块与斜面间的动摩擦因数为μ,物块质量为m,小物块沿斜面向上滑动,由动能定理得,-(mgsin θ+μmgcos θ)x=Ek-Ek0,结合图像变形得Ek=Ek0-(mgsin θ+μmgcos θ)x,由于Ek和x是变量,所以该表达式是一次函数,斜率是负的;设小物块滑到最高点的距离为L,由于第二段返回往下滑,所以路程是2L-x,由动能定理得,-mgxsin θ-μmgcos θ(2L-x)= Ek-Ek0,结合图像变形得Ek=Ek0-mgxsin θ-μmgcos θ(2L-x),把含有变量x的项合并得Ek=(Ek0-2μmgLcos θ)-(mgsin θ-μmgcos θ)x,发现也是一次函数关系,斜率也是负的,并且发现第二次的截距和斜率都比第一次小,故选项C正确。
除了在力学中外,在电学中出现的频率也比较高,尤其是测电源的电动势和内阻的实验。其基本方法是:
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实验原理:E=U内+U外,E=U外+Ir,变形得U外=E-Ir,由图(10)得电源的电动势为图像的截距,内阻为图像的斜率大小。
除基本方法外,常考只有一个电压表和电阻箱的情况,如下面:
例4:为了测量由两节干电池组成的电池组的电动势和内电阻,某同学设计了如图(11)所示的实验电路,其中R为电阻箱,R0=5 Ω为保护电阻.
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断开开关,调整电阻箱的阻值,再闭合开关,读取并记录电压表的示数及电阻箱接入电路中的阻值.多次重复上述操作,可得到多组电压值U及电阻值R,并以为纵坐标,以为横坐标,画出-的关系图线(该图线为一直线),如图(12)所示.由图线可求得电池组的电动势E=________V,内阻r=________Ω.(保留两位有效数字)
对电路图甲图由闭合电路欧姆定律得:E=(r+R0+R),结合图像整理得到=·+,此表达式是一次函数,利用丙图中直线与纵轴的交点数据求得=0.35得E=,还可以得到图线的斜率=2.14,即可得到电池内电阻r为1.1;
另外还有一个电流表和电阻箱组合的方法:
例5:现有一特殊电池,它的电动势E约为9 V,内阻r约为40 Ω,已知该电池允许输出的最大电流为50 mA.为了测量这个电池的电动势和内阻,某同学利用如图17甲所示的电路进行实验,图中电流表的内阻RA已经测出,阻值为5 Ω,R为电阻箱,阻值范围0~999.9 Ω,R0为定值电阻,对电路起保护作用.
(1)实验室备有的定值电阻R0共有以下几种规格.
A.10 Ω B.50 Ω C.150 Ω D.500 Ω
本实验选用哪一种规格的定值电阻最好________.
(2)该同学接入符合要求的R0后,闭合开关K,调整电阻箱的阻值,读取电流表的示数,记录多组数据,作出了图乙所示的图线,则根据该同学作出的图线可求得该电池的电动势E=________ V,内阻r=________ Ω.
(1)问答案选C
(2)由闭合电路的欧姆定律有
E=I(r+R0+RA+R)得
==+(R+R0)=+(R+R0),图线的斜率为,由图线知斜率k==得E=10 V,与纵轴的截距为=5,解得r=45 Ω.
可见在高中物理题中一次函数的应用十分普遍,在这个地方也不能全部列举出来,但是只要我们掌握了基本的解题思路和方法,对这种类型的问题就迎刃而解了。