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關(guān)于2022高考物理乙卷壓軸題的圖像解析

2023-04-02 00:59 作者:費(fèi)-力-杠-桿  | 我要投稿

前言一些廢話

1.作者只是現(xiàn)役高一學(xué)生,解該題時還沒中考,可能有所偏差,歡迎指正。

2.本來打算去年高考結(jié)束就發(fā),但最后還是選擇等養(yǎng)成3級號再發(fā)。

下面是正文


原題如下:

僅用于看圖像與條件,本專欄不解該題本身

%5B0%2C2t_%7B0%7D%5D全過程中動量守恒:m_%7BB%7D%20%5Cfrac%7B6%7D%7B5%7D%20v_%7B0%7D%20%3Dm_%7BB%7D%5Cfrac%7B4%7D%7B5%7D%20v_%7B0%7D%2B2mv_%7B0%7D,可得:m_%7BB%7D%3D5m%20%EF%BC%881%EF%BC%89

且對于%5B0%2C2t_%7B0%7D%5D中任意時刻都有:m_%7BB%7D%5Cfrac%7B6%7D%7B5%7D%20v_%7B0%7D%3Dm_%7BB%7Dv_%7BB%7D%2Bm_%7BA%7Dv_%7BA%7D,聯(lián)立(1)式可得:v_%7BB%7D%20%3D%5Cfrac%7B-v_%7BA%7D%2B6v_%7B0%7D%20%20%7D%7B5%7D%20%EF%BC%882%EF%BC%89

對(2)式兩端積分,有:%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20v_%7BB%7D%20%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20%5Cfrac%7B-v_%7BA%7D%2B6v_%7B0%7D%20%20%7D%7B5%7D,即:x_%7BB%7D%20%3D%5Cfrac%7B-x_%7BA%7D%2B6v_%7B0%7Dt%20%20%7D%7B5%7D%EF%BC%883%EF%BC%89

如圖,可得任意時刻t彈簧壓縮量Δx表達(dá)式:

如上圖,Δx顯然就是B與A移動位移(距離)之差

即:%5CDelta%20x%3Dx_%7BB%7D%20-x_%7BA%7D%20%3D%5Cfrac%7B-6x_%7BA%7D%7D%7B5%7D%2B%20%5Cfrac%7B6v_%7B0%7Dt%7D%7B5%7D%20%EF%BC%884%EF%BC%89

對于物塊A,由牛頓第二定律:

m%5Cddot%7Bx_%7BA%7D%20%7D%20%3Dk%5CDelta%20x%3Dk(%5Cfrac%7B-6x_%7BA%7D%7D%7B5%7D%2B%20%5Cfrac%7B6v_%7B0%7Dt%7D%7B5%7D%20),聯(lián)立(4),化簡得:

%5Cddot%7Bx_%7BA%7D%20%7D%20%2B%5Cfrac%7B6kx_%7BA%7D%7D%7B5m%7D-%20%5Cfrac%7B6kv_%7B0%7Dt%7D%7B5m%7D%3D0

這是一個二階線性非齊次的微分方程,其對應(yīng)齊次方程的通解為:x_%7BA%7D%3DC_%7B1%7D%20%20cos%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t%2BC_%7B2%7D%20sin%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t

考慮原方程特解,顯然特解形式應(yīng)為:

x_%7BA%7D%5E*%20%3Dpt%2Bq

回代入原方程得:p%3Dv_%7B0%7D%EF%BC%8Cq%3D0

故原方程一個特解為:

x_%7BA%7D%5E*%3Dv_0t

于是原方程通解為:

x_%7BA%7D%3DC_%7B1%7D%20%20cos%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t%2BC_%7B2%7D%20sin%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t%2Bv_0t

結(jié)合初始狀態(tài):x_%7BA%7D%20%5Cvert%20_%7Bt%3D0%7D%20%3D0%EF%BC%8Cv_A%5Cvert%20_%7Bt%3D0%7D%3D0

解得物塊A位移-時間關(guān)系為:

x_%7BA%7D%3D-%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B5m%7D%7B6k%7D%20%7Dv_0sin%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t%2Bv_0t

同時得物塊A速度-時間關(guān)系為:

v_A%3Dv_0(1-cos%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7Dt)%EF%BC%88*%EF%BC%89

這便是所求解的圖像表達(dá)式。

下面利用題干條件與第二問答案對上式進(jìn)行驗證:

結(jié)合原題圖像:v_A%5Cvert%20_%7Bt%3Dt_0%7D%3Dv_0,結(jié)合對稱性可知曲線半個周期為2t_0%0A,即有:%5Cfrac%7B%CF%80%7D%7B%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%7D%20%3D2t_0,可得:k%3D%5Cfrac%7B5%CF%80%5E2%7D%7B24%7D%20%5Cfrac%7Bm%7D%7Bt_0%5E2%7D%20%EF%BC%885%EF%BC%89;

對于原題第一問,由能量守恒易得:E_%7Bp_%7Bmax%7D%7D%20%3D0.6mv_0%5E2,結(jié)合(5)式,得:%5CDelta%20x_%7Bmax%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2E_%7Bp_%7Bmax%7D%7D%7D%7Bk%7D%20%7D%20%3D%5Cfrac%7B12%7D%7B5%CF%80%7D%20v_0t_0%5Capprox%200.7639437v_0t_0,與原答案0.768有一定誤差;

考慮x_%7BA%7D%3D-%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B5m%7D%7B6k%7D%20%7Dv_0sin%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B6k%7D%7B5m%7D%20%7D%20t%2Bv_0t,取t%3Dt_0,聯(lián)立(5)式可得:

x_A%3D(1-%5Cfrac%7B2%7D%7B%CF%80%7D%20)v_0t_0%5Capprox%200.3633802v_0t_0,與題干中0.36有一定較小的誤差。

利用GeoGebra畫出物塊A、B的v-t圖像,其中vB的表達(dá)式可通過式(2)求得,t0與v0分別為橫、縱坐標(biāo)單位??傻脠D像如下:

單位分別為t0與v0

與原題圖像基本吻合,這也說明所求得表達(dá)式是合理的。

注:

1.這就是所謂的彈簧雙振子,屬于常見模型。

2.b站上有很多關(guān)于2022全國乙卷物理壓軸的分析,但在本人不嚴(yán)謹(jǐn)的翻找下并沒有找到求解圖像表達(dá)式的內(nèi)容,于是產(chǎn)生了寫該文水字?jǐn)?shù)、打發(fā)時間的想法。


感謝各位能耐心地看到最后




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