增分微课1:平均在高中物理中的应用.pdf

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1、增分微课增分微课 1:“平均”方法在高中物理中的应用“平均”方法在高中物理中的应用 题型综述 高中物理中有许多涉及到“平均”的概念,例如平均速度、 平均功率、 平均电流、 平均电动势、 分子平均动能、 平均结合能 (比 结合能)等等。那么,“平均”在这些问题中有什么意义?高中物 理中涉及到了哪些类型的平均值?在使用各种平均值概念时, 需要 注意一些什么?本文将就这一系列问题展开探讨。 应考策略 首先需要明白“平均”方法的意义,其次要明白各种具体情 况属于哪种“平均”,其三要熟悉各种常见的“平均”,以及相应 的结论、技巧和注意事项。下面先简单介绍一下“平均”的意义。 1、给出物理量取值的大致范围

2、,以便总体把握物理量的情况、给出物理量取值的大致范围,以便总体把握物理量的情况 比如平均身高、平均分数、平均寿命、平均冲力、分子平均 动能、平均结合能以及实验误差中的标准差等,就属于这种情形。 2、将一个状态量不均匀变化的过程,等效简化成一个状态量 均匀变化的过程 、将一个状态量不均匀变化的过程,等效简化成一个状态量 均匀变化的过程 比如平均速度、平均加速度、平均作用力、平均功率、平均 电场强度、平均电流、平均电动势、交变电流有效值等。 3、有效的减小实验误差、有效的减小实验误差 比如多次测量取平均值(图像法是其变种),就是有效的减 小实验的偶然误差的方法;某些实验中采用复称法(用到了几何平

3、均值),是为消除实验系统误差。 应用举例 1、算术平均值、算术平均值 (1)自由电子定向移动平均速率、分子平均速率、分子平均 动能、平均结合能等 【例】分子平均速率将所有分子速率相加后,除以分子 的总数:v v1v2. vN vi NN (2)多次测量取平均值减小实验的偶然误差 测量次数越多,偶然因素导致的测量值相对真实值偏大偏小 的概率越接近相等,绝对误差(测量值真实值)中正值、负值 出现的情况接近相同,则将所有的测量值相加求算术平均值,即可 将偶然误差接近消除,例如长度测量: 120102012 00 .()().(). NNN llllll lll NNN 其中 l0为待测量的真实值。

4、拓展很多实验采用图像法,其要点是测量数据要多,作图时 要求用平滑的曲线将尽可能多的点连起来, 不能落在曲线上的点均 匀的分布在曲线两侧,其实就是多次测量取算术平均值的思路。 2、平方平均值(幂平均值)、平方平均值(幂平均值) (1)分子方均根速率将所有分子速率平方后相加,除以 分子总数,然后再开方: 2 222 2 12 . i N v vvv v NN ;分 子方均根速率涉及分子平均动能的计算, 与分子平均速率一般不相 等,注意不要混淆。 (2)实验误差中的标准差绝对误差的方均根: 2 2i N ,实验数据的误差范围通常表示为: 0 ll 。 3、几何平均值、几何平均值 【例 1】不等臂天平

5、测质量 左盘放物体,右盘加砝码,称量值为 m1;然后将物体放右盘, 左盘放砝码称量值为 m2,设天平左臂长为 l左,右臂长为 l右,物体 质量为 m,则: 第一次天平平衡时: 1 =mglm gl右 左 第二次天平平衡时: 2 =m glmgl右 左 两式相乘并整理得到: 12 mm m 此式与天平臂长无关,消除了由于ll 右左 引起的系统误差。 【例 2】电桥法测电阻 若定值电阻 R1、R2的具体阻值不准确,我们可以先按如图接 好电路,调节电阻箱 R0的阻值为 R01时, 电桥达到平衡,有: 1 012 x RR RR 然后将电阻箱与待测电阻 Rx对调, 再调节电阻箱为 R02时,电桥再次达

6、到平 衡,则有: 2 021 x RR RR 两式联立,有: 0102x RR R ,此式与 R1、R2的阻值无关, 从而消除了 R1、R2的阻值不准确引起的系统误差。 4、调和平均值、调和平均值 【 例 3 】 N 个 定 值 电 阻 并 联 后 的 总 电 阻 R 满 足 : 12 1111 . N RRRR ,即H R R N ,其中 RH为这 N 个电阻的调和 平均值: H 12 111 . N N R RRR 。 5、加权平均值 ( 、加权平均值 (1)三大类型 比值定义的物理量: )三大类型 比值定义的物理量:平均速度、平均加速度、平均作用力、 平均功率、平均电场强度、平均电流、平

7、均电动势、平均密度、平 均压强等 【例 4】平均速度速度对时间的加权平均值:一个过程由 N 个阶段组成,各阶段的速度和时间分别为 vi、ti,则全过程的平 均速度为 112212 12 12 . =. . NNN N N xvtvtvtttt vvvv ttttttt 总 总总总总 拓展若t取值相同,则加权平均值可退化为算术平均值: = tN t 总 ,则 12 1212 .111 = N NN xvvvttt vvvvvvv ttttNNNN 总 总总总总 【例 5】平均电场强度电场强度对距离的加权平均值:如 图所示,点电荷的电场中一根电场线上有 A、B、C 三个点,且有 AB=BC,试比较

8、 UAB与 UBC的大小关系。 解析这个问题可以采用平均电场强度的方式来解决,若将 AB 段等分为 N 段,每一小段上电场强度可视为不变,设为 E1、 E2、EN,则这段长度 d=AB 上的平均电场强度为: 1212 . = NNAB AB EdEdEdEEEU E ddN 同理: 12 . = BCN BC UEEE E dN 由 于 所 有 的 Ei都 大 于 i E , 因 此 易 知 ABBC EE , 则 ABBC EdEd ,即 ABBC UU 。 交变电流有效值:交变电流有效值:“电流平方对时间的加权平均值”的平 方根 【解释】交变电流的有效值设为 I,则有 22 1 N ii

9、i QI RtI R t ,即 2 ii It I t 。 拓展若所有 i t取值相同,则加权平均值可退化为平方平均 值: 22 ii ItI I tN 。 均匀重力场中物体的重心(质心)坐标均匀重力场中物体的重心(质心)坐标坐标对质量的 加权平均值 【解释】N 个质点组成的质点组,其中 mi对应的坐标为(xi, yi,zi),则这组质点的重心的位置坐标(xC,yC,zC)定义是: ii C i m gx x m g , ii C i m gy y m g , ii C i m gz z m g 。 拓 展 由 这 个 定 义 易 知 , 该 质 点 组 的 重 心 的 高 度 为 ii C

10、i m gh h m g ,则该质点组的重力势能为 iiC m ghMgh ,即 可以用质点组总重力 Mg 乘以重心高度 hC来计算。 同理, 该质点组 质心的速度为 ii C i mv v m ,即 Cii Mvmv ,也就是说,该质 点组的总动量,可以用总质量 M 与质点组的质心速度 vC乘积来计 算。 (2)注意事项)注意事项 看清楚是对什么物理量取加权平均值,算出来的加权平均 值只能乘以该物理量,以得到对应的乘积物理量。 【例 6】作用力对时间的平均值、对位移的平均值的区别 弹簧模型 如图所示,一水平弹簧左端固定在竖 直墙面上,右端固定在一个滑块 P 上,滑 块与地面接触面光滑。现将滑

11、块 P 向右拉 离弹簧原长位置后由静止释放, 则在物块向左回到弹簧原长位置过 程中,弹簧弹力随位移和时间变化的图像如图所示,易知 弹力对位移的平均值为 01 22 i x F x kx Fkx x 弹力对时间的平均值为 01 22 i t F t kx Fkx t 即 tx FF 不仅如此, x F还只能与位移相乘计算这个过程中弹簧弹力的 功,而不能与时间相乘计算冲量;而 t F只能与时间相乘来计算这 个过程中弹力的冲量,也不能与位移相乘计算功。 【例 7】交变电流平均值和有效值的区别 平均电流的定义为: ii i It q I tt ,有效值的定义为: 22 iiii ii I R tIt

12、Q I RtRtt , 显然两者存在着本质区别, 平均值只能用来计算电量,不能用于计算电功、电功率,而有效值 只能用于计算电功、电功率,不能用来计算电量。只有恒定电流电 路中,电流的平均值和有效值才相等。 看清楚是在哪个区间内取加权平均值 【例 8】交变电流在不同时间区间有效 值不同 如图所示, 正弦交变电流在 0 4 T内的有 效值为 /4 2 m 0 1m 2 (sin) d 2 / 42 T Itt T II T ,但是 0 8 T 内的有效值为 /8 2 m 0 2m 2 (sin) d 22 1 /82 T Itt T II T ,而 8 T 4 T 内的有效值 为 /4 2 m /

13、8 3m 2 (sin) d 22 1 /82 T T Itt T II T 。 很明显,不同的时间区间内,交变电流的有效值是不同的。 (3)几个推论)几个推论 若 y 随 x 均匀变化,则 y 对 x 的加权平均值,可以用平均区 间的初、末 y 值的算术平均值计算 【例 9】匀变速运动 做匀变速直线运动的物体,若将全过程分成等时间间隔的 N 段 , 则 各 个 时 间 间 隔 内 的 速 度 vi为 一 等 差 数 列 , 有 1 121 () . 2 2 N NN N vv vvvvv v NN ,N时,v1=v0, vN=vt,则有 0 2 t vv v ,即初末速度的算术 平均值。 【

14、例 10】导体棒旋转切割磁感线 如图所示,导体棒旋转切割磁感线的情 况,将导体棒 AB 分成等长的 N 份, 第 i 份对 应的速度为 vi,由( ) iiA vrri l 可知,vi为一等差数列,而感应电动势为 1 1 () 22 N iiN vvlN EB l vB lvBvvBl N N 时 , v1=vA, vN=vB, 则 有 2 AB vv EBl ;若 A 点就是转轴 O,则 vA=0,有 2 1 222 B vl EBlBlBl 。 【例 11】质量分布均匀的物体的重心在物体的几何中心 比如一根质量分布均匀的细棒 ab,将其分成等长的 N 份,有 i xi l ,可知 xi为一

15、等差数列,则有: 1 1 1 () 22 i N CiN mgx xxmN xxxx mgMN N时,x1=xa,xN=xb,则有 2 ab C xx x ,即细棒重心位于 细棒中点。 若 g 与 y 是一一对应关系,则 g 对 x 的加权平均值,与 y 对 x 的加权平均值也对应 这类情况的例子有:平均速度与平均功率、平均电动势与平 均电流、平均电流与平均安培力 【例 12】平均电动势与平均电流 ( )ee t, ( )ee t i RrRr ,而 ( ) e tt E t ,则 ( ) ( )( ) 1 e t t i tte tt E Rr I ttRrtRr 因此,在电磁感应现象中,计算感应电量qIt时,可以用 E I Rr 算平均电流,其中 EN t 。 B

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