工欲善其事,必先利其器-关于江苏2024高考第11题

教育   2024-09-04 16:20   广东  

近日,笔者看到了江苏2024高考第11题。虽然版本不同,但核心考法是相同的,比较可信的一个题目版本是这样的:

关于此题的解析,大部分是错的或者说是不完备的。下面是错解案例(无意冒犯原作者,仅就题论题)。

图给解析是错误的。解析的核心错误之处在于“A、B位置在同一竖线上,则A、B位置的半径相同”。题目给的图仅是示意图,由此图得到A、B位置在同一竖线上显然是不充分甚至是不正确的。而且A、B位置在同一竖线上是不符合物理规律和客观事实的。下面对此情景进行定量分析,以求解各物理量的变化情况。    

题中假设拉绳速度缓慢,即A到B的过渡是十分缓慢的。因此可列写法向动力学方程:

(1) 

竖直方向受力平衡:

(2)

联立可得

(3)     

 

以上便是经典的圆锥摆模型的方程。但是仅由这两个方程是无法分析全部物理量的变化情况的,所以题中的解析认为“由题图可看出小球从A高度到B高度θ增大”,将θ增大视为已知条件。当然,不能说这个结论不对,但是从严谨分析的角度,应该以绳子长度为自变量,分析其他物理量的增减情况。

因此需要补充列写其他方程。在高中阶段,角动量这一物理量是不涉及的。此处的进一步分析,需要列写角动量相关方程。在拉动的过程中,小球所受的外力有2个:竖直向下的重力和沿绳子的拉力。以顶部悬点为参考点,绳子拉力力矩为0,重力产生的力矩沿着水平方向。即合外力不产生竖直方向的力矩,因此小球对于顶部悬点的角动量的竖直分量守恒。列写A与B的所述角动量关系,即    

(4)

下标带0意为A处物理量。联立此前圆锥摆的相关方程,可得

(5)    

 

据此可知,当绳长L减小时,θ会增大,这与示意图一致。由(3)式可知,角速度增大,因此B错误。接下来分析旋转半径

(6)    

 

由此可知,当θ增大时,旋转半径减小。接下来分析线速度变化。对(4)式进行变形:

(7)

当旋转半径减小时,线速度增大,因此A错误。至于分析向心力和向心加速度,只需分析合外力(此时合外力提供向心力)即可

(8)

当θ增大时,向心力和向心加速度增大。

综合上述,本题正确答案为C    

物理七巧板
一个高中物理老师在写文章,有一些是关于物理的。
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