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1、初中物理竞赛辅导光热声 竞赛辅导讲义光、热、声 一、知识要点 知识点 1光的直线传播，光速 (一)光： 2光的反射及反射定律，光的折射及规律 3影和像、日食、月食、小孔成像、平面镜成像 凸、凹透镜成像，照相机、放映机、放大镜等 1热膨胀和水的反常膨胀，温度与温度计 (二)热： 2热传递的方式，物态变化，分子运动论的要点，内能 3改变内能的两种方式，比热，热量的计算，热平衡方程，热功光量 (三)声： 二、例题与练习 例1处在赤道上某地的人在月落4h后，还能看到一颗绕赤道平面轨道运行的人造卫星在其正上方，试求这颗卫星距地面高度最小约多少?(地球半径R=6.4X10m) 分析与解答：忽略大气对光的折
2、射，光沿直线传播。能看到卫星，则卫星上必须有太阳的反射光线进入观察者的眼中，作出示意图如下：图中A点处刚日落，地球自转4h，原A点转至A点，由圆的知识可得： 6分项细目 1声音的发生和传播 2音调、响度和音色 4360=60 (1) 24R又：cos= (2) R+h16由、两式得:h=R6.410 cosa=的人分别处于什么空间区域时，可以看到月全食、日偏食和日环食? 分析与解答：如图所示 1区日全食 2区日偏食 3区日环食 AR练习1太阳和月亮位于如图所示的位置，请你根据光的直线传播规律，在图中画出当地球上太阳1223月亮例2水平桌面上放置一平面镜，镜面与桌面成45角，一个小球以V匀速沿桌
3、面向镜滚去，如图所示，问镜中小球的像将如何运动? v用心 爱心 专心 。45分析与解答：根据平面镜成像规律可知，物像等大，物像对称。小球沿桌面向镜主动的任一时刻，物像关系都符合此规律。故小球的像将竖直向下运动。 练习2只要你稍微注意一下就会发现，除了大型客车外，绝大多数汽车的前窗都是倾斜的，你能从光学的原理解释这一情况吗? 分析与解答：当汽车和前窗玻璃倾斜装置时，车内乘客经过玻璃反射成人像在车的前上方，而路上行人是不可能出现在上方空中的，这样就将车内乘客的像与路上的行人分离开来，司机就不会出现错误，尤其在夜间开车，车内开灯，造成外暗内亮的时候，大型客车较大，前窗离地面要比小汽车高得多，即使前窗
4、玻璃竖直装，像是与窗同高的，而路上行人不可能出现在这个高度，则不会混淆。 例3一般人脸宽约18cm，两眼的光心相距约7cm，两眼光心离头顶和下巴分别为10cm和13cm当平面镜竖直放置时，则至少要用多大的平面镜，才能看到自己脸的全部？ 分析与解答：先求镜宽 设、为两耳，、为两眼因为及均为平行四边形，即所以镜宽 再求镜长 设人脸长 2 练习3如图所示，水平地面上有一障碍物ABCD，较大的平面镜MN在某一高度上水平放置，试用作图法求出眼睛位于O点从平面镜中所能看到的障碍物后方地面的范围。如果想在原处看到更大范围的地面，水平放置的镜子的高度该怎样改变？ 分析：若直做此题目，我们只能确定边缘光线FAO
5、的入射光线HF，而另两条光线GBE和EO却无法确定。 通过平面镜看到某部分地面，表明这部分地面上每一点发出的光线中有一些经平面镜反射后到达眼睛即O点。则由光路可逆性原理可知，若在O点放置点光源，它发出的光线经平面镜反射后将到达地面上这部分范围。 解答:将O点看成是一个发光点。作O点在平面镜中的像O，连接OA交MN于F，连接OF交地面于H；连接OB交MN于E，交地面于G。连接OE。标上箭头，光线传播方向如图所示。入射光线为HF、GE；反射光线为FO、用心 爱心 专心 ， 2cm5.5cm ，眼在处，因为像长 ，所以镜长 22cm115cm EO。图中GH所围区域就是眼睛位于O点从平面镜MN中所能
6、看到障碍物后方地面的范围。 假定水平放置的镜子的高度降低至与障碍AB面接触，眼睛就看不到障碍物后面的地面，因此，如果想在原处看到更大范围的地面，水平放置的镜子在高度该增高。 光路可逆原理是光学知识中的基本原理，用“光路可逆原理”解答一些复杂的光学问题，显得相当简捷明快。 例4在水平地面上有一点光源S，光源正上方有一平面镜MN，S到MN中点0的距离为2m，且平面镜MN与竖直方向成225角，(如图)若光斑照在离点光源5m处的墙上，那么光斑离地面的距离为多少? 分析与解答：利用平面镜成像规律，找出像点S，连接S和入射点的直线交墙壁于A点，交地面于C点，由图可知： SOS=2SON=45 故OSC为等
7、腰直角三角形，则有：SC=SO=2m 所以 BC=BS+SC=5m+2m=7m 又因为ACB=COS=45 故ABC也是等腰直角三角形 所以AB=BC=7m 即光斑在墙上离地面高7m 练习4人立于河边看对岸的一株树AB在水中的像，当人离开河岸后退超过6m就不能看到整个树的像。已知人高EF15m，河两岸都高出水面1m，河宽40m，如图所示，求树高? 分析与解答：如图所示，直角COB、 OGH和GEF相似，则每个三角形的直角边之比为一定值，则： BSMOSNCACOOHGF =CBGHEFCBAOABEGFHD又GF=6m， EF=1.5m，GH=1m OH6 OH=4m =11.5CO而CO=4
8、0-4=36m 又因为=4 CB1所以 CB= CO 41 CB=36=9m 故AB=AB=CB-CA=9-1=8m 4 树高为8m。 例5我国北方为了室内采暖，用管道将热水从锅炉输往室内。在管道上方的天花板上常可看到被“熏”黑的痕迹。 1.根据你学过的物理知识，解释形成这种黑迹的原因。 用心 爱心 专心 2提出一种观察或实验的方法，用以判断上述解释的正确性。 分析与解答： 1热水管道附近空气温度较高，密度较小，上升，对流加快，空气中的微尘附着在天花板上，形成黑迹。 2居住单元通往楼道的门比较严实，但门和墙之间仍有小缝，外面的风经常吹进来，这种门缝附近的墙壁上，也有类似黑迹。这种现象支持了上述
9、的解释。 练习5解释我国夏季东南风多的原因? 分析与解答：东南沿海多水，西北带多砂，砂的比热比水小，夏季在阳光照射下，水、砂吸收的热量差不多，但砂升温多，砂上的空气温度高，受热膨胀上升，而水升温少，水上空气温度也不高，所以东南的冷空气就水平流向西北去填补，从而形成东南风。 例6体温计的测温范围是3542，请你设计一个用体温计测量沸水温度的方案。要求：(1)说明测量原理和方法；(2)简要说明测量步骤；(3)说明测量必须满足的条件。 分析与解答：根据热平衡方程，采用混合法间接测量沸水的温度。 步骤： A、取足够量的冷水，若温度低于35，可适当加入沸水，使之温度略高于35，用体温计测出t1 B、用天
10、平测出冷水和容器的质量m1 C、将适量沸水倒入容器中，测出混合后的温度t D、再测总质量m2 E、倒掉水，测容器质量m.(此步可放到A前) F、冷水质量m1=m1-m0 沸水质量m2=m2-m1 G、根据Q吸=Q放 不计热损失，有 Cm1(t-t1)=Cm2(t2-t) 得： t2=m1(t-t1)+t m2m1tt+m2t242 m1+m2由于终温t42. 则 ： 得： m1100-42m58=8.28 而t135 1m242-t1m27练习6甲、乙、丙三种液体，它们的比热和质量都不相等，它们的温度依次是15、25和35，若将甲、乙相混合，测混合后的温度为21，若将甲、丙相混合，测混合的温度
11、为用心 爱心 专心 32，求：甲、乙、丙混合后的温度。(不计热损失) 分析与解答：甲乙两混时：C甲M甲(t-t0甲)=C乙M乙(to乙-t) 代入数据得：C甲M甲=2C乙m乙 3当乙、丙相混时：C乙M乙(t-t0乙)=C丙M丙(t0丙-t) 代入数据得：C乙M乙=3C丙M丙 7设三种液体混合时，甲吸热，乙和丙放热。则： C甲M甲(t-to甲)=C乙M乙(t0乙-t)+C丙M丙(t0丙-t) 将和代入得，t”=29.2 (说明：还可假设这三种不同温度的水同时降到0，然后再由0上升到最终温度，也可用热平衡议程求解。) 例7打开冷水管和热水管向槽内放水，冷水管中水的温度是15，热水管中水的温度是60
12、，要向槽中放水共150kg，混合后温度为42，如不计热损失，那么应从冷水管和热水管中各放出多少水? 解答：设所需热水和冷水的质量分别为m1 m2,初温分别为t1,t2,混合后的温度为t,则有m1+m2=150 (1) 又因为热水放也的热量为：Q放=Cm1(t1-t) 冷水吸收的热量为：Q吸=Cm2(t-t2) 即：m1(60-42)=m2(42-15) 由得：m2=2m1 代入得 3 m1=90kg m2=60kg 练习7 有两个温度和质量都相同的金属球，先把甲球放入盛有热水的杯中，热平衡后水温降低了t。把甲球取出，再将乙球放入杯中，热平衡后水温又降低了t，则甲球比热C甲和乙球比热C乙大小的关
13、系是 AC甲C乙 BC甲C乙 CC甲=C乙 D以上三种情况都有可能 分析解答：设两个金属球的质量为m，温度为t，甲球与热水混合后的温度为t，乙球与热水混合后的温度为t2，则有t2t1。 根据热平衡方程：Q吸=Q放有 c甲m(t1-t)=c水m水t (1) c乙m(t2-t)=c水m水t (2) 用心 爱心 专心 得 t2t1，则t2-tt1-t c甲c乙。正确的答案应选B 例8经验表明，自制家用太阳能热水器晒水箱的效率在夏天可达50；已知在地球表面，晴天时垂直于阳光的表面接收到的热幅射为7.5610J(m)，水箱内装水60kg，玻璃盖面积为0.84m，不考虑热损失，并随时调整水箱位置使阳光总能
14、垂直射入玻璃盖，计算晒水4h后水温升高多少? 分析与解答：设地球表面接收太阳热辐射的强度为R，水箱下班的面积为S，热效率为，时间为T，由Q吸=Q放得： C水m水Dt=RSTh 242RSTh7.561040.844600.5 Dt=30.2 C水m水4.210360练习8家庭用花生油的沸点比水的沸点高，想测出油的沸点，但手边只有测量范围为-10100的温度计，再给你以下器材：量热器、天平、烧杯、小铁球、冷水(水和铁的比热已知)，请你设计一个测量花生油沸点的实验。 分析与解答：本实验的原理是利用高温物体与低温物体混合时，Q吸=Q放 步骤如下： 用天平测出小球的质量m铁 将小铁球放在锅内的油中加热
15、至沸腾 用烧杯和天平测出一定质量的冷水m水，倒入量热器的小筒中。 ()用温度计测出冷水的温度t0水 将加热后的铁球放入量热器的冷水中，并测出混合后的温度t 由C水m水(t-t0水)=C铁M铁(t0铁-t) 得：t0铁= 例9某同学做实验时发现一支温度计不准确，把它和标准温度计一同插入水中，发现当实际温度为2时，它示数为4，82时它的示数为80，仔细观察，它的刻度是均匀的。(1)用心 爱心 专心 C水m水(t-t0水)+t t0铁即为油的沸点 C铁m铁请以X表示任意温度时这支温度计的示数，以Y表示这时的实际温度，导出X表示Y的公式；(2)这支温度计的示数为26时，实际温度是多少?(3)在什么温度
16、下这支温度计的示数等于实际温度? 分析与解答：因刻度是均匀的，所以温度计每增加相同的示数时，实际温度增加也是相同的，可设想Y=KX但由于题中所述情况，当X=0时，y不太可能为0，设这个y=b,则y和x的关系在形式上应为 y=Kx+b 由于x=4时，y=2 x=80时，y=82 分别代入式得k4+b=2K80+b=82解方程组得K=1.05 b=-2.21 用x 表示y的公式为:y=1.05x-2021 (2)把x=26时，实际温度为25 在式中含x=y 即：x=1.05x-2.21 得x=44 表示在44时温度计的示数与实际温度相同。 练习9用来发射卫星的火箭，在它的头部涂了一层特殊物质，它可
17、以避免火箭因高速运动时与空气作用产生高温而被毁坏的危险。这种材料能起这种作用的原因是： A材料坚硬、不怕热 B材料不传热 C材料非常光滑，不易与空气作用生热 ， D材料受热熔化、汽化，吸收了与空气作用产生的热 解答：火箭在大气层中高速运动时，不可避免地要与空气产生作用，即使火箭的头部做得十分光滑，也会因与空气碰撞产生大量的热，使得内部的仪器毁坏，火箭头部所涂的材料在与空气作用升温后会熔化，并迅速汽化，在熔化和汽化时吸收了大量的热，而自身的温度却不再升高，从而保护了火箭。由此可知，选D正确。 例10一把一段长约5cm的蜡烛，粘牢在一个碗底，然后把水装入碗内，使水面刚好到蜡烛的边缘，然后点燃蜡烛，
18、试说明你观察到的现象，并解释出现这种现象的原因。 分析与解：点燃蜡烛后，过一会蜡烛会烧到水面以下，这时蜡烛呈四周的壁很薄的漏斗状。出现这种现象的原因是蜡烛燃烧后，烛芯四周的蜡熔化，当熔化到四周只剩很薄的一层蜡时，热从蜡层传递到水，使这层蜡达不到熔化的温度，因而呈漏斗状。 练习10完全相同的铜质球甲、乙；甲放置在水平桌面，乙悬挂在不可伸长的细线上，若要使用两球升高相同的温度，用心 爱心 专心 甲乙哪个球吸收的热量多？ 分析与解：温度升高，两球体积增大；甲球重心升高重力势能增加，乙球重心下降重力势能减少，故甲球吸收更多的热量。 例11小雪拎起水壶向暖瓶中灌开水，小林在一旁提醒她：“小雪，快满了!”
19、小雪仔细一看真的满了，奇怪地问：“你怎么知道快满了?”小林说：“听出来的。”你能说出其中的奥秘吗? 解答： 声音的高低叫做音调由声源振动频率决定。振动频率越高，音调就高，暖壶灌水的时候出声，是由于瓶里的空气柱发生振动所致，空气柱越长，振动频率越低。向暖瓶里灌水，随着暖瓶里水的增多，空气柱越来越短，它的振动频率越来越高，所以声调越来越高，这样就可以通过听声音来判断暖瓶里水的多少了。 练习11海面上一炸弹爆炸，岸边的人听到两次爆炸声，两次之间相隔t秒，当时声音在空气中和海水中的传播速度分别为v1米秒和v2米秒，那么，爆炸处离岸 米。 分析解答：声音在金属传播得比在液体中快，在液体中比在空气中传播得
20、快。声音在海水中传播速度较快，即v2v1，故声音在海水中传播时间较短。设爆炸处离岸s米， 例12一个人在高处用望远镜注视地面上的木工以每秒一次的频率钉钉子。他听到声音时恰好看到击锤的动作，当木工停止击锤后，他又听到了两次击锤声，木工离他有多远？ 分析解答：此题关键是如何求出击锤声传到观察者耳中所需的时间。由于观察者听到击锤声音时恰好看到击锤的动作，可知击锤声传到观察者耳中所需要的时间t应该是击锤动作周期T的整数倍，即t=T，2T，3T根据停止击锤后又听到两次击锤声，可知应取t=2T，由于T=1秒，可求出t，再根据路程公式即可求出距离。 由题意分析知t=2T=21s=2s。 S=vt=340ms
21、2s=680m 练习12泰坦尼克号的电影描述的是XX年一只名叫“泰坦尼克”的大海轮因跟冰山相撞而沉没的悲剧。现在科学家发明了一种利用声音传播规律制成的探测装置装在船上，及时发现了冰山或暗礁的存在。你能说出这种装置的名称并简要说明它的原理吗? 分析解答：这种装置的名称叫“回声探测器”，它是利用回声原理工作的。把回声探测器装在海轮货舱的底部，由舱底向海底发出声音，再经海底反射到海面，由舱底灵敏的回声接受器把回声返回所经过的时间。知道海水中的声速就很容易算出海的深度。根据声音的反射还可以判断危险的冰山或暗礁在什么地方。最新的回声探测器采用波长极短的人耳听不见的越声波，这种探测器不仅用来测深，还可以导航，寻找鱼群，甚至用来帮助盲人确定一定距离内的障碍物的位置。在医疗方面，可以用来测发病的位置等。 用心 爱心 专心
