1、核心素养专项提升一、新教材经典素材科学探究用智能手机做物理实验经典素材新编教材有这样一个小栏目“做一做”:很多智能手机都有加速度传感器。安装能显示加速度情况的应用程序,会看到白、绿、黄三条加速度图线,它们分别记录手机沿如图所示坐标轴方向的加速度变化情况。把手机放在水平桌面上,让手机在桌面上沿x轴或y轴方向平移一下,可以看到屏幕上加速度图线的白线或绿线出现一个波峰;把手机平放在手掌上,让手机在竖直方向移动一下,可以看到黄色图线发生变化。黄色图线记录手机竖直方向的加速度,测自由落体加速度,就是看黄色图线。用手托着手机,打开加速度传感器,手掌迅速向下运动,让手机脱离手掌而自由下落,然后接住手机,观察
2、手机屏幕上加速度传感器的图线(如新教材人教版必修第一册P48图2.4-4所示)。从图中可以看到,黄色图线有一小段时间的数值是-10 m/s2,这就是自由落体的加速度,方向向下。我们还能看到,自由落体之后有一个向上的波峰,这是用手接住手机时手机做减速运动的加速度,方向向上。思维指导基于上面“做一做”的例子,最近几年高考试题中出现了课本知识拓展探究的问题,像2020山东卷、2020江苏卷的实验题,都有用手机的功能测重力加速度的情境。除了常见的利用手机照相、连拍、摄像功能外,还可以利用各种手机传感器,结合相应的APP实现测量各种物理量的目的,在平时的物理学习中,同学们要了解这些功能,开阔视野,提升科
3、学探究等物理核心素养。就目前来看,涉及手机功能的物理问题,主要是利用手机的连拍、摄像、秒表功能,作为计时工具测量重力加速度等物理量。创新训练1.(2020江苏卷)小明同学在家自主开展实验探究。用手机拍摄物体自由下落的视频,得到分帧图片,利用图片中小球的位置来测量当地的重力加速度,实验装置如图所示。(1)家中有乒乓球、小塑料球和小钢球,其中最适合用作实验中下落物体的是。(2)下列主要操作步骤的正确顺序是。(填写各步骤前的序号)把刻度尺竖直固定在墙上捏住小球,从刻度尺旁静止释放手机固定在三角架上,调整好手机镜头的位置打开手机摄像功能,开始摄像(3)停止摄像,从视频中截取三帧图片,图片中的小球和刻度
4、如图所示,已知所截取的图片相邻两帧之间的时间间隔为16 s,刻度尺的分度值是1 mm,由此测得重力加速度为m/s2。(4)在某次实验中,小明释放小球时手稍有晃动,视频显示小球下落时偏离了竖直方向,从该视频中截取图片,(选填“仍能”或“不能”)用(3)问中的方法测出重力加速度。2.甲、乙两位同学设计了利用手机相机的连拍功能测重力加速度的实验。实验中,甲同学负责释放金属小球,乙同学负责在小球自由下落的时候拍照。已知相机每间隔0.1 s拍1幅照片。(1)若要从拍得的照片中获取必要的信息,在此实验中还必须使用的器材是。(填正确答案标号)A.刻度尺B.秒表C.光电门D.天平(2)简述你选择的器材在本实验
5、中的使用方法。答:。(3)实验中两同学由连续3幅照片上小球的位置a、b和c得到ab=24.5 cm、ac=58.7 cm,则该地的重力加速度大小为g= m/s2。(保留2位有效数字)二、情境化主题突破科学态度与责任交通安全类问题分析(一)背景资料近年来,随着我国经济快速增长,交通运输领域迅速发展,道路交通已与人们的生活密不可分。但交通运输发展在便利人们生活的同时,也存在着安全隐患。每年有很多人为因素导致的交通事故,比如未按规定让行、无证驾驶、酒后驾驶、违反交通信号通行等违法行为。分析交通违法事例,将警示我们遵守交通法规,珍惜生命。在交通安全问题的分析中,要用到物理规律,像匀变速直线运动规律,牛
6、顿运动定律、功能关系等,在这里我们仅就交通安全中的运动情境类问题分类练习,警钟长鸣,注意交通安全。创新训练1.下面的图表是部分停车距离的数据。车速(km/h)反应距离(m)刹车距离(m)停车距离(m)40101020601522.537.580请根据上面的表格回答下列问题(本题中的路面情况和车辆性能均相同,刹车时的加速度不变):(1)如果驾驶员的反应时间相同,请在表格中填上对应的数值。(2)超速是一种很危险的驾驶行为,一位司机发现前面80 m处有一障碍物,此时他的车速为108 km/h,请通过定量计算看他能否避免车祸的发生?(3)酒后驾车是一种危害性很大的违法行为,由于酒精的作用,人的反应时间
7、延长,发生交通事故的概率大大增加。一名喝了酒的驾驶员,发现前面60 m处有一队学生正在横过马路,此时他的车速为72 km/h,而他的反应时间却比正常时慢了0.6 s,请问他能否避免惨剧的发生?2.强行超车是道路交通安全的极大隐患之一。下图是汽车超车过程的示意图,汽车甲和货车均以36 km/h的速度在路面上匀速行驶,其中甲车车身长L1=5 m、货车车身长L2=8 m,货车在甲车前s=3 m处。若甲车司机开始加速从货车左侧超车,加速度大小为2 m/s2。假定货车速度保持不变,不计车辆变道的时间及车辆的宽度。(1)求甲车完成超车至少需要多长时间;(2)若甲车开始超车时,看到道路正前方的乙车迎面驶来,
8、此时二者相距110 m,乙车速度为54 km/h。甲车超车的整个过程中,乙车速度始终保持不变,请通过计算分析甲车能否安全超车。三、典型物理模型指导突破科学思维之模型建构空中抛体相遇模型模型概述1.两个自由落体运动(1)运动规律和方向相同,因此必须从一上一下两个位置释放,且上面的物体先释放,下面的物体后释放;(2)若以下面物体为参考系,则先释放的上面物体相对下面物体以速度v=gt做匀速运动,其中t为两物体释放的时间差。2.自由落体运动和竖直上抛运动(1)开始时为相向运动,两物体运动的加速度相同,对于做竖直上抛运动的物体,注意其运动过程所具有的往返性和对称性特点;(2)若两物体同时开始运动,则上抛
9、物体相对于自由下落物体做速度为v0的匀速运动,相遇时间t=hv0,其中v0为竖直上抛运动的初速度,h为开始运动时两物体间的距离。3.两个竖直上抛运动在同一点以相同初速度竖直上抛的两个物体必须在不同时刻抛出,且只能是处于下落阶段的物体与处于上升阶段的物体相遇。案例探究从地面上以初速度2v0竖直上抛一物体A,相隔t时间后又以初速度v0从地面上竖直上抛另一物体B,要使A、B能在空中相遇,则关于两物体抛出的时间间隔t应满足的条件,下列说法正确的是()A.v0gt2v0gB.t4v0gC.2v0gt4v0gD.条件不足,无法确定解题指导第一步:在同一坐标系中作两物体做竖直上抛运动的x-t图像。第二步:利
10、用竖直上抛运动特点,分析临界状态。本题是用图像法求解物理问题。因为相遇和追及问题主要的关系就是位移关系和时间关系,所以要想到通过位移时间图像解答本题。通过位移时间图像分析竖直上抛运动,要抓住竖直上抛运动的特点。位移是矢量,位移时间图像上只能表示物体运动的两个方向,即直线运动,t轴上方x为正值,表示正向位移,t轴下方x为负值,表示负向位移。位移时间图像中每一点的切线的斜率代表该点的速度,斜率的大小表示速度的大小,斜率的正负表示速度的方向。创新训练1.物体甲从离地面高度h处自由下落,同时在它正下方的地面上有一物体乙以初速度v0竖直向上抛。重力加速度为g,不计空气阻力,两物体均看作质点。(1)要使两
11、物体在空中相碰,乙的初速度v0应满足什么条件?(2)要使乙在下落过程中与甲相碰,v0应满足什么条件?2.比萨斜塔从地基到塔顶高58.36 m,从地面到塔顶高h=55 m,如图所示。相传伽利略在比萨斜塔上做了个实验,推翻了亚里士多德的观点。若伽利略在斜塔顶无初速度释放一个小球,小球经过t=3.35 s到达地面,且小球经过第一层到达地面的时间为t1=0.2 s,不计空气阻力。(结果均取3位有效数字)(1)求该地的重力加速度大小。(2)求比萨斜塔第一层的高度h1。(3)若在小球从斜塔顶自由下落的同时从地面竖直上抛一小球,两球在空中相遇,则竖直上抛小球的初速度应满足什么条件?四、重要科学思维方法指导转
12、化法在运动学问题中的应用所谓转化法是指通过转换研究对象、物理模型、物理过程、物理状态、思维角度、空间角度等达到化繁为简、解决问题的目的。这种方法能充分展示解题者的想象设计能力和创造性思维品质,充分体现分析能力,通过巧解实现速解。转化法是解决问题的一种重要策略。在运动学问题的解题过程中,若按正常解法求解有困难时,往往可以通过变换思维方式,转换研究对象使解答过程简单明了。一、转换研究对象将多物体运动转化为单物体运动案例探究1(2020山东潍坊月考)一杂技演员,用一只手抛球,他每隔0.40 s抛出一球,接到球便立即把球抛出,一共有四个球,将球的运动看作是竖直方向的运动,球到达的最大高度是(高度从抛球
13、点算起,抛球点位置不变,空气阻力不计,g取10 m/s2)()A.1.6 mB.2.4 mC.3.2 mD.4.0 m解题指导每隔0.40s抛出一球,意味着后一小球的运动情况与前一小球在0.4s前的运动情况完全相同。将四个小球的运动通过思维转换看成一个小球的运动。二、转换思维方式逆向思维法案例探究2如图所示,一冰壶以某一速度垂直进入四个矩形区域沿虚线做匀减速直线运动,且刚要离开第四个矩形区域的E点时速度恰好为零,冰壶通过前三个矩形的总时间为t,试通过所学知识分析并计算冰壶通过第四个矩形区域所用的时间是多少?(冰壶可视为质点)创新训练1.某同学站在一平房边观察从屋檐滴下的水滴,发现屋檐向下滴水是
14、等时的,且第4滴正欲滴下时,第1滴刚好到达地面;第2滴和第3滴恰好位于窗户的下沿和上沿,他测得窗户上、下沿的高度差为1.2 m(重力加速度g取10 m/s2)。则屋檐离地面的高度为()A.3.2 mB.3.6 mC.1.8 mD.2.0 m2.(2019全国卷)如图,篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为H。上升第一个H4所用的时间为t1,第四个H4所用的时间为t2。不计空气阻力,则t2t1满足()A.1t2t12B.2t2t13C.3t2t14D.4t2t180m,故不能避免车祸的发生。(3)反应时间内汽车做匀速直线运动,由题意知正常人的反应时间为0.9s,酒后驾车的反
15、应时间为0.9s+0.6s=1.5s,则反应距离为s=723.6m/s1.5s=30m,刹车距离为10m72402=32.4m,则酒后停车距离为30m+32.4m=62.4m,因为62.4m60m,故不能避免惨剧的发生。2.答案(1)4 s(2)见解析解析(1)设甲经过时间t刚好完成超车,在时间t内甲车位移x1=v1t+12at2货车位移x2=v2t根据几何关系x1=x2+L1+L2+s代入数据得t=4s即甲车最短的超车时间为4s。(2)在4s内甲车位移x1=56m乙车位移x3=v3t=60m由于x1+x3=116m110m,故不能安全超车。三、典型物理模型指导突破案例探究C如图所示,要使A、
16、B在空中相遇,必须使两者相对于抛出点的位移相等,即要求A、B图线必须相交,据此可从图中看出:物体B最早抛出时的临界情形是物体B落地时恰好与A相遇,物体B最迟抛出时的临界情形是物体B抛出时恰好与A相遇。故要使A、B能在空中相遇,t应满足的条件为:2v0gt4v0g,C正确,选项A、B、D错误。创新训练1.答案(1)v0gh2(2)gh2v0gh解析解法一(1)设经过时间tx甲和乙在空中相碰,甲做自由落体运动的位移h1=12gtx2,乙做竖直上抛运动的位移h2=v0tx-12gtx2,由几何关系h=h1+h2,解得tx=hv0,乙抛出后上升到最高点所用时间t=v0g,从抛出到落地所用时间为2t,物
17、体乙上抛的初速度与上升的最大高度的关系是v02=2gh,甲和乙在空中相遇应满足0txgh2。(2)在乙下落过程中甲和乙相遇应满足ttx2t,即v0gtx2v0g,解得gh2v0gh。解法二图像法(选竖直向上为正)由题意得tx=hv0由图知(1)0tx2v0g(2)v0gtx16.4 m/s解析本题考查自由落体的知识,意在考查学生处理匀变速运动问题的能力。(1)小球自由下落,根据自由落体运动的公式有:h=12gt2,得g=9.80m/s2。(2)根据h-12g(t-t1)2=h1,解得h1=6.38m。(3)两球相遇的时间应在自由下落的小球着地前,于是有:h=12gt2+v0t-12gt2t16
18、.4m/s。四、重要科学思维方法指导案例探究1.C由题意,将四个小球在空中的位置看成一个小球每隔0.4s对应的位置,因此可知小球抛出后到达最高点和从最高点回到抛出点的时间均为t=0.8s,所以上升的最大高度:h=12gt2=12100.82m=3.2m,故A、B、D错误,C正确。2.答案t解析冰壶通过矩形区域做匀减速直线运动,可看作冰壶从E点开始做初速度为零的匀加速直线运动,由位移公式,由E到A,有4l=12at12式中t1为冰壶通过四个矩形区域所用的总时间,a为其加速度的大小。由E到D有l=12a(t1-t)2联立解得t1=2t或t1=23tt1=23t不符合题意,应舍去。所以冰壶通过第四个
19、矩形区域所用的时间为t=t1-t=t创新训练1.B解法一设每隔T时间滴下一滴水第3滴水下落的高度h3=12gT2第2滴水下落的高度h2=12g(2T)2窗户上、下沿的高度差h=h2-h3代入数据解得T=25s。屋檐离地面的高度等于第1滴水下落的高度h1=12g(3T)2代入数据解得h1=3.6m。解法二4滴水所处的位置可转化等效为一滴水做自由落体运动在连续相等的时间内通过的位置。图中自上而下相邻距离比为135,其中点“3”和“2”的间隔为1.2m,屋檐离地面的高度为(0.4+1.2+2.0)m=3.6m2.C运动员起跳到最高点的过程,反过来看,就是初速为0的匀加速直线运动,经过相同位移所用的时间之比为1(2-1)(3-2)(4-3),则t2t1=14-3=3.732,故选C。
