于夢梅
初中物理中的最值(最小值、最大值)及其相關(guān)的問題,需要綜合運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)和數(shù)學(xué)知識(shí)分析解答,是中考的??键c(diǎn),也是失分率較高的中考題。其類型如下:
一、求最值
(一)臨界情況下的最值
有些物理量的最值(最小值或最大值),是由臨界情況決定的。求某一物理量的最值,關(guān)鍵要找出相關(guān)的邊界。
1.鏡子的最小寬度
例1.一人正對(duì)豎直平面鏡站立,人的臉寬為20cm,兩眼的距離為10cm,欲使自己無論閉上左眼還是右眼,都能使另一只眼睛從鏡中看到自己的整個(gè)臉,則鏡子的寬度至少為cm。
分析:“至少”表示最小的限度,“鏡子的寬度至少為多少”意為鏡子的最小寬度。
先畫光路圖——利用平面鏡成像原理(光的反射定律)作出身體的像,如圖1所示。如果用左眼看完整的像,其邊界光線為PD和RD,則需用PR之間的平面鏡;如果用右眼看完整的像,其邊界光線為QC和SC,則需用QS之間的平面鏡。故無論閉上左眼或右眼都能看到完整的像,需用PS之間的平面鏡。鏡子的最小寬度即PS的長度,剛好是兩只眼睛與身體像的邊界相連組成的梯形的中位線。
解:人的臉寬為AB,兩眼為C、D。
因PS是梯形CDB'A'的中位線,則PS=12(A'B'+CD)。
因AB=A'B'=20cm,CD=10cm
所以鏡子的寬度至少為PS=12(20cm+10cm)=15cm。
2.原油自噴的最大高度與油口施加的最小壓力
例2.某地下油層的壓強(qiáng)為2.1×107Pa,從地面向此油層鉆一口油井,自油層頂部向上計(jì)算,原油自噴時(shí)可能達(dá)到的最大高度為多少?若油層距地面2000m,油井直徑為10cm,要阻止原油噴出地面,至少要向油口施加多大的壓力?(原油密度為0.9×103kg/m3)
分析:(1)原油自噴時(shí)可能達(dá)到的最大高度,是在不考慮大氣壓強(qiáng)及原油自噴時(shí)受到的阻力等因素影響的情況下,原油在地下油層壓強(qiáng)的作用下自噴的高度,此時(shí)最大高度的油柱對(duì)油層頂部產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于油層的壓強(qiáng)。
(2)“至少要向油口施加多大的壓力”意為最小的壓力。阻止原油噴出地面時(shí),向油口施加的壓力F對(duì)油口的壓強(qiáng)p口、油柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)p油、地下油層的壓強(qiáng)p,其關(guān)系為p口+p油≥p。取臨界情況,當(dāng)p口+p油=p時(shí),即FS+ρ油gh=p,此時(shí)向油口施加的壓力F為最小壓力。
解:(1)原油自噴可能達(dá)到的最大高度h最大,為高h(yuǎn)最大的油柱的壓強(qiáng)等于油層的壓強(qiáng)p,即p=ρ油gh最大,故原油自噴的最大高度
h最大=pρ油g=2.1×107Pa0.9×103kg/m3×9.8N/kg=2381m。
(2)防止原油噴出地面,至少要向油口施加的壓力F對(duì)油井的壓強(qiáng)加上h=2000m油柱的壓強(qiáng)等于油層的壓強(qiáng)p,即Fπ(D2)2+ρ油gh=p,故至少要向油口施加的壓力
F=(p-ρ油gh)·π(D2)2
=(2.1×107Pa-0.9×103kg/m3×9.8N/kg×2000m)×3.14×(0.1m2)2
=2.64×104N。
(二)變化過程中的最值
物理量的大小及其變化是由其他因素或相關(guān)物理量大小的變化而引起的,在一定條件下往往會(huì)出現(xiàn)最小值或最大值。求某一物理量的最值(最小值或最大值),關(guān)鍵要從與之相關(guān)量之間的關(guān)系入手,分析找出最值的條件。
3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最小年發(fā)電量
例3.如圖2所示的風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng),既可以通過太陽能電池組獨(dú)立發(fā)電并儲(chǔ)存于蓄電池,也可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立發(fā)電并儲(chǔ)存于蓄電池;在風(fēng)、光都具備時(shí)還可以同時(shí)發(fā)電。某型號(hào)風(fēng)光互補(bǔ)路燈的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下:
風(fēng)力發(fā)電額定
功率風(fēng)力發(fā)電額定
風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電啟動(dòng)
風(fēng)速260W8m/s3m/s已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率P與風(fēng)速v的平方成正比。某地區(qū)風(fēng)速不低于5m/s的時(shí)間每年不少于4000h,試估算這臺(tái)風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)利用風(fēng)能的最小年發(fā)電量是多少kW·h?
分析:“風(fēng)速不低于5m/s的時(shí)間每年不少于4000h”,意為每年風(fēng)速最小值為5m/s的有風(fēng)時(shí)間(發(fā)電時(shí)間)最小值為4000h。因風(fēng)速越大,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電功率越大,根據(jù)W=Pt,發(fā)電時(shí)間越長,發(fā)電量越大,故當(dāng)風(fēng)速和發(fā)電時(shí)間均為最小值時(shí)的年發(fā)電量為最小年發(fā)電量。
解:根據(jù)題意有P額P=v2額v2,則當(dāng)風(fēng)速v最小時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率P=v2v2額P額。故最小年發(fā)電量
W=Pt最小=v2最小v2額P額t最小
=(5m/s)2(8m/s)2×260×10-3kW×4000h=406.25kW·h。
4.汽車的最大速度
例4.在城市中,汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重,主要是燃料燃燒后排出的廢氣,若采用氫氣為燃料,則可大大減少汽車廢氣對(duì)環(huán)境的污染。下面是某一以氫氣為燃?xì)獾钠嚨膸醉?xiàng)指標(biāo):
①正常行駛時(shí)耗氫量1.2kg/h;②在氣缸內(nèi)氫的熱值為1.5×108J/kg;③內(nèi)燃機(jī)的效率為50%。
求:(1)汽車行駛2h,氫氣放出了多少熱量?
(2)如果汽車勻速行駛過程中受到的阻力恒為1000N,那么該汽車行駛速度最大可達(dá)到多少?
分析:由P=Wt=Fst=Fv可知,汽車的功率一定時(shí),隨著行駛速度的增大,牽引力逐漸減小。當(dāng)牽引力與阻力大小相等時(shí),汽車開始勻速行駛,此時(shí)速度達(dá)到最大。
解:(1)汽車行駛2h氫氣放出的熱量
Q=mq=1.2kg/h×2h×1.5×108J/kg=3.6×108J
(2)汽車勻速行駛時(shí)F=f,由η=W機(jī)械Q和W機(jī)械=Pt=Fvt可得汽車行駛速度
v=QηFt=3.6×108J×50%1000N×2×3600s=25m/s。
所以,該汽車行駛速度最大可達(dá)到25m/s。
5.浮力秤的最大稱量
例5.“曹沖稱象”是家喻戶曉的典故,某??萍夹〗M模仿這一現(xiàn)象,制作了一把“浮力秤”。將厚底直筒形狀的玻璃杯浸入水中,如圖3所示,已知玻璃杯的質(zhì)量為200g,底面積為30cm2,高度為15cm。(取g=10N/kg)
求:(1)將杯子開口向上豎直放入水中時(shí)(水未進(jìn)入杯內(nèi)),杯子受到的浮力。
(2)此時(shí)杯子浸入水中的深度(即該浮力秤的零刻度位置)。
(3)此浮力秤的最大稱量(即量程)。
分析:浮力秤的零刻度位置是空杯子漂浮在水面上時(shí)水面到杯底的位置,即此時(shí)空杯子浸入水中的深度。由F浮=ρ液gV排可知,杯子中放入被測物體,杯子將下沉,浮力F浮隨V排的增大而增大,當(dāng)V排=V杯時(shí),浮力達(dá)到最大值。浮力秤的最大稱量等于杯子受到的最大浮力與杯子在零刻度位置時(shí)受到的浮力之差。
解:(1)杯子漂浮在水面上時(shí)受到的浮力
F浮=G=mg=0.2kg×10N/kg=2N
(2)由F浮=ρ液gV排可得此時(shí)杯子排開水的體積
V排=F浮ρ水g=2N1.0×103kg/m3×10N/kg=2×10-4m3
此時(shí)杯子浸入水中的深度
h=V排S=2×10-4m330×10-4m2=0.067m=6.7cm
(3)往杯子內(nèi)放被測物,當(dāng)杯子下沉到水面剛好沒到杯口(水未進(jìn)杯內(nèi))時(shí),杯子下沉的深度為0.15m,此時(shí)杯子排開水的體積最大,等于杯子的體積,杯子受到的浮力最大。
杯子受到的最大浮力
F=ρ液gV=1.0×103kg/m3×10N/kg×30×10-4m2×0.15m=4.5N
浮力秤的最大稱量
F最大=F-F浮=4.5N-2N=2.5N。
二、利用最值確定動(dòng)態(tài)變化范圍
由于受其他量或者因素的影響和制約,一些物理量的大小往往在一定范圍內(nèi)變化,這個(gè)變化范圍是由其大小變化過程中的最小值與最大值決定的。確定某一物理量的動(dòng)態(tài)變化范圍,關(guān)鍵要抓住影響因素中的不變因素及變化因素,從與之相關(guān)量之間的關(guān)系入手,找出其最小值與最大值。
1.浴室內(nèi)溫度可控制范圍
例6.為防止?jié)袷职忾_關(guān)造成觸電事故,小明為家中的燈暖型浴霸(冬季家庭洗浴時(shí)取暖用的電器)設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖4甲所示的溫度自動(dòng)控制裝置,其中半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻阻值R1隨溫度變化的曲線如圖4乙所示。已知繼電器線圈電阻R2為20Ω,電源電壓U0恒為12V,浴霸共安裝有4只“220V250W”燈泡,當(dāng)繼電器線圈中的電流大于或等于50mA時(shí),繼電器的銜鐵被吸合,浴霸電路斷開;當(dāng)線圈中的電流小于或等于40mA時(shí),繼電器的銜鐵被釋放,浴霸電路閉合。若將此裝置安放在浴室內(nèi),浴室內(nèi)溫度可控制在什么范圍?
分析:利用銜鐵吸合電流與釋放電流的臨界值確定室溫控制范圍。浴霸工作與否是由線圈中電流的大小控制的,取臨界情況,銜鐵吸合電流為50mA,銜鐵釋放電流為40mA,由此求出相應(yīng)的熱敏電阻的臨界值,再由圖象找出對(duì)應(yīng)的溫度值,即可得出浴室內(nèi)溫度的控制范圍。
解:控制電路的總電阻R總=U0I=R1+R2。
取臨界情況,當(dāng)線圈中電流為50mA時(shí),熱敏電阻的阻值
R1=U0I1-R2=12V0.05A-20Ω=220Ω。由圖象可知,此時(shí)室溫t1=30℃。
當(dāng)線圈中電流為40mA時(shí),熱敏電阻的阻值
R1'=U0I2-R2=12V0.04A-20Ω=280Ω。由圖象可知,此時(shí)室溫t2=22℃。
所以室內(nèi)溫度可控制在22℃~30℃范圍內(nèi)。
2.滑塊移動(dòng)范圍
例7.如圖5所示,有一粗細(xì)均勻,重為40N,長為4m的長木板AB(厚度不計(jì)),置于支架上,支點(diǎn)為O,且AO=1m,長木板的右端B用繩子系住,繩子的另一端固定于C處,當(dāng)長木板AB水平時(shí),繩與水平面成30°夾角,且繩子所能承受的最大拉力為60N。一個(gè)重為50N的體積不計(jì)的滑塊M在水平拉力F的作用下,從AO之間某處向B端勻速滑動(dòng)。求滑塊在什么范圍內(nèi)滑動(dòng)才能使AB保持水平?
分析:利用繩子拉力的最小值和最大值確定滑塊移動(dòng)范圍。根據(jù)杠桿的平衡條件可求出:滑塊在O點(diǎn)左側(cè)且繩子的拉力最小為0時(shí),滑塊在O點(diǎn)最左側(cè)的位置;滑塊在O點(diǎn)右側(cè)且繩子的拉力最大為60N時(shí),滑塊在O點(diǎn)最右側(cè)的位置。由此可得出滑塊移動(dòng)的范圍。
解:設(shè)滑塊M在O點(diǎn)左側(cè)距O點(diǎn)的距離為x1時(shí),繩子的拉力T=0,如圖6甲所示。因均勻杠桿的重心在其幾何中心,AB=4m,OA=1m,則OB=3m;GAB=40N,則GOA=10N,GOB=30N。根據(jù)杠桿的平衡條件可得
Gx1+GOA·12lOA=GOB·12lOB
故x1=GOB·12lOB-GOA·12lOAG
=30N×12×3m-10N×12×1m50N=0.8m。
設(shè)滑塊M在O點(diǎn)右側(cè)距O點(diǎn)的距離為x2時(shí),繩子的拉力T=60N,如圖6乙所示。根據(jù)杠桿的平衡條件可得
GOA·12lOA=Gx2+GOB·12lOB-T·lOBsin30°
因sin30°=12,故
x2=GOA·12lOA+T·lOBsin30°-GOB·12lOBG
=10N×12×1m+60N×3m×12-30N×12×3m50N
=1m。
所以,滑塊在O點(diǎn)左側(cè)0.8m至O點(diǎn)右側(cè)1m范圍內(nèi)滑動(dòng),才能使AB保持水平。
3.合格酒精的密度范圍
例8.在制取酒精的過程中,要求酒精中含水量不超過10%(所含水的體積不能超過總體積的10%)。用測密度的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查,求密度在什么范圍內(nèi)的酒精是合格的?(不考慮酒精與水混合的體積變化,純酒精的密度為0.8×103kg/m3)
分析:利用含水量的最小值和最大值確定酒精的密度范圍。酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。酒精內(nèi)不含水(即V水=0)時(shí)為純酒精;酒精內(nèi)含水時(shí),水的體積不能超過10%V即含水的體積最大為0.1V,則酒精的體積至少為0.9V;含水酒精的總質(zhì)量m=m水+m酒精,運(yùn)用密度公式求出此時(shí)酒精的密度,即可得出酒精密度的范圍。
解:酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。
當(dāng)V水V=0,即不含水時(shí),則其密度即為純酒精的密度,ρ酒=0.8×103kg/m3。
當(dāng)V水V=10%時(shí),V水=0.1V;因V=V水+V酒精,則V酒精=0.9V。此時(shí)酒精的密度
ρ混=mV
=m水+m酒V=ρ水×0.1V+ρ酒×0.9VV
=1×103kg/m3×0.1+0.8×103kg/m3×0.9=0.82×103kg/m3。
所以合格酒精的密度應(yīng)在0.8×103kg/m3~0.82×103kg/m3范圍內(nèi)。
4.滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值范圍
例9.如圖7所示的電路中,燈L標(biāo)有“3V0.9W”、滑動(dòng)變阻器R上標(biāo)有“50Ω1A”字樣,電壓表量程為0~3V。若電源電壓為4.5V,為了保證電路中各元件安全工作,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是。
分析:電路中的電流I=URL+R,滑動(dòng)變阻器兩端電壓UR=U-UL=U-IRL,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻R越大時(shí)電流I越小,其兩端電壓UR越大;反之,R越小時(shí)I越大,UR越小。
為了保證各元件安全工作,電路中的最大電流應(yīng)等于燈L的額定電流IL,滑動(dòng)變阻器兩端的最大電壓應(yīng)不超過電壓表量程即電壓表示數(shù)最大為3V。所以,當(dāng)電路中電流最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最??;當(dāng)電壓表示數(shù)最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大。
解:燈L正常工作時(shí)的電流I=PLUL=0.9W3V=0.3A
燈L的電阻RL=ULI=3V0.3A=10Ω
當(dāng)電路中的電流最大等于0.3A時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最小,此時(shí)電路的總電阻
R總=UI=4.5V0.3A=15Ω
滑動(dòng)變阻器接入電路的最小電阻
R最小=R總-RL=15Ω-10Ω=5Ω
當(dāng)電壓表達(dá)到最大量程3V時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大,此時(shí)通過燈L的電流
IL=ULRL=4.5V-3V10Ω=0.15A
滑動(dòng)變阻器接入電路的最大電阻
R最大=URIL=3V0.15A=20Ω
所以,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是5Ω~20Ω。
3.合格酒精的密度范圍
例8.在制取酒精的過程中,要求酒精中含水量不超過10%(所含水的體積不能超過總體積的10%)。用測密度的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查,求密度在什么范圍內(nèi)的酒精是合格的?(不考慮酒精與水混合的體積變化,純酒精的密度為0.8×103kg/m3)
分析:利用含水量的最小值和最大值確定酒精的密度范圍。酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。酒精內(nèi)不含水(即V水=0)時(shí)為純酒精;酒精內(nèi)含水時(shí),水的體積不能超過10%V即含水的體積最大為0.1V,則酒精的體積至少為0.9V;含水酒精的總質(zhì)量m=m水+m酒精,運(yùn)用密度公式求出此時(shí)酒精的密度,即可得出酒精密度的范圍。
解:酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。
當(dāng)V水V=0,即不含水時(shí),則其密度即為純酒精的密度,ρ酒=0.8×103kg/m3。
當(dāng)V水V=10%時(shí),V水=0.1V;因V=V水+V酒精,則V酒精=0.9V。此時(shí)酒精的密度
ρ混=mV
=m水+m酒V=ρ水×0.1V+ρ酒×0.9VV
=1×103kg/m3×0.1+0.8×103kg/m3×0.9=0.82×103kg/m3。
所以合格酒精的密度應(yīng)在0.8×103kg/m3~0.82×103kg/m3范圍內(nèi)。
4.滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值范圍
例9.如圖7所示的電路中,燈L標(biāo)有“3V0.9W”、滑動(dòng)變阻器R上標(biāo)有“50Ω1A”字樣,電壓表量程為0~3V。若電源電壓為4.5V,為了保證電路中各元件安全工作,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是。
分析:電路中的電流I=URL+R,滑動(dòng)變阻器兩端電壓UR=U-UL=U-IRL,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻R越大時(shí)電流I越小,其兩端電壓UR越大;反之,R越小時(shí)I越大,UR越小。
為了保證各元件安全工作,電路中的最大電流應(yīng)等于燈L的額定電流IL,滑動(dòng)變阻器兩端的最大電壓應(yīng)不超過電壓表量程即電壓表示數(shù)最大為3V。所以,當(dāng)電路中電流最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最??;當(dāng)電壓表示數(shù)最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大。
解:燈L正常工作時(shí)的電流I=PLUL=0.9W3V=0.3A
燈L的電阻RL=ULI=3V0.3A=10Ω
當(dāng)電路中的電流最大等于0.3A時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最小,此時(shí)電路的總電阻
R總=UI=4.5V0.3A=15Ω
滑動(dòng)變阻器接入電路的最小電阻
R最小=R總-RL=15Ω-10Ω=5Ω
當(dāng)電壓表達(dá)到最大量程3V時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大,此時(shí)通過燈L的電流
IL=ULRL=4.5V-3V10Ω=0.15A
滑動(dòng)變阻器接入電路的最大電阻
R最大=URIL=3V0.15A=20Ω
所以,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是5Ω~20Ω。
3.合格酒精的密度范圍
例8.在制取酒精的過程中,要求酒精中含水量不超過10%(所含水的體積不能超過總體積的10%)。用測密度的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查,求密度在什么范圍內(nèi)的酒精是合格的?(不考慮酒精與水混合的體積變化,純酒精的密度為0.8×103kg/m3)
分析:利用含水量的最小值和最大值確定酒精的密度范圍。酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。酒精內(nèi)不含水(即V水=0)時(shí)為純酒精;酒精內(nèi)含水時(shí),水的體積不能超過10%V即含水的體積最大為0.1V,則酒精的體積至少為0.9V;含水酒精的總質(zhì)量m=m水+m酒精,運(yùn)用密度公式求出此時(shí)酒精的密度,即可得出酒精密度的范圍。
解:酒精含水量不超過10%,即0≤V水V≤10%。
當(dāng)V水V=0,即不含水時(shí),則其密度即為純酒精的密度,ρ酒=0.8×103kg/m3。
當(dāng)V水V=10%時(shí),V水=0.1V;因V=V水+V酒精,則V酒精=0.9V。此時(shí)酒精的密度
ρ混=mV
=m水+m酒V=ρ水×0.1V+ρ酒×0.9VV
=1×103kg/m3×0.1+0.8×103kg/m3×0.9=0.82×103kg/m3。
所以合格酒精的密度應(yīng)在0.8×103kg/m3~0.82×103kg/m3范圍內(nèi)。
4.滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值范圍
例9.如圖7所示的電路中,燈L標(biāo)有“3V0.9W”、滑動(dòng)變阻器R上標(biāo)有“50Ω1A”字樣,電壓表量程為0~3V。若電源電壓為4.5V,為了保證電路中各元件安全工作,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是。
分析:電路中的電流I=URL+R,滑動(dòng)變阻器兩端電壓UR=U-UL=U-IRL,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻R越大時(shí)電流I越小,其兩端電壓UR越大;反之,R越小時(shí)I越大,UR越小。
為了保證各元件安全工作,電路中的最大電流應(yīng)等于燈L的額定電流IL,滑動(dòng)變阻器兩端的最大電壓應(yīng)不超過電壓表量程即電壓表示數(shù)最大為3V。所以,當(dāng)電路中電流最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最??;當(dāng)電壓表示數(shù)最大時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大。
解:燈L正常工作時(shí)的電流I=PLUL=0.9W3V=0.3A
燈L的電阻RL=ULI=3V0.3A=10Ω
當(dāng)電路中的電流最大等于0.3A時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最小,此時(shí)電路的總電阻
R總=UI=4.5V0.3A=15Ω
滑動(dòng)變阻器接入電路的最小電阻
R最小=R總-RL=15Ω-10Ω=5Ω
當(dāng)電壓表達(dá)到最大量程3V時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大,此時(shí)通過燈L的電流
IL=ULRL=4.5V-3V10Ω=0.15A
滑動(dòng)變阻器接入電路的最大電阻
R最大=URIL=3V0.15A=20Ω
所以,滑動(dòng)變阻器允許接入電路的阻值范圍是5Ω~20Ω。