【正文】 最新高中物理競賽講義（完整版）最新高中物理競賽講義（完整版）目錄最新高中物理競賽講義（完整版） 1第0部分 緒言 3一、高中物理奧賽概況 3二、知識體系 3第一部分 力＆物體的平衡 4第一講 力的處理 4第二講 物體的平衡 6第三講 習題課 7第四講 摩擦角及其它 10第二部分 牛頓運動定律 13第一講 牛頓三定律 13第二講 牛頓定律的應用 14第二講 配套例題選講 22第三部分 運動學 22第一講　基本知識介紹 22第二講 運動的合成與分解、相對運動 24第四部分 曲線運動 萬有引力 26第一講 基本知識介紹 26第二講 重要模型與專題 27第三講 典型例題解析 36第五部分 動量和能量 36第一講 基本知識介紹 36第二講 重要模型與專題 38第三講 典型例題解析 50第六部分 振動和波 51第一講 基本知識介紹 51第二講 重要模型與專題 55第三講 典型例題解析 63第七部分 熱學 64一、分子動理論 64二、熱現(xiàn)象和基本熱力學定律 66三、理想氣體 68四、相變 74五、固體和液體 78第八部分 靜電場 79第一講 基本知識介紹 79第二講 重要模型與專題 82第九部分 穩(wěn)恒電流 92第一講 基本知識介紹 92第二講 重要模型和專題 96第十部分 磁場 105第一講 基本知識介紹 105第二講 典型例題解析 109第十一部分 電磁感應 115第一講、基本定律 115第二講 感生電動勢 118第三講 自感、互感及其它 122第十二部分 量子論 125第一節(jié) 黑體輻射 125第二節(jié) 光電效應 128第三節(jié) 波粒二象性 134第四節(jié) 測不準關(guān)系 137第0部分 緒言一、高中物理奧賽概況國際（International Physics Olympiad 簡稱IPhO）① 1967年第一屆，（波蘭）華沙，只有五國參加。② 幾乎每年一屆，參賽國逐年增加，每國代表不超過5人。③ 中國參賽始于1986年的第十七屆，此后未間斷，成績一直輝煌。④ 1994年第二十五屆，首次在中國（北京）承辦。⑤ 考試內(nèi)容：筆試和試驗各5小時，分兩天進行，滿分各為30分和20分。成績最佳者記100% ，積分在90%以上者獲金獎，78%~89者獲銀獎，65~77%者獲銅獎。國家（Chinese Physics Olympiad 簡稱CPhO）①1984年以前，中學物理競賽經(jīng)常舉行，但被冠以各種名稱，無論是組織，還是考綱、知識體系都談不上規(guī)范。② 1984年開始第一屆CPhO，此后每學年舉辦一屆。③ 初賽：每年九月第一個星期天考試。全國命題，各市、縣組考，市統(tǒng)一閱卷，選前30名（左右）參加（全?。唾?。 復賽：九月下旬考試。全省命題，各省組織。理論考試前20名參加試驗考試，取理論、試驗考試總分前10名者參加省集訓隊。集訓隊成員經(jīng)短期培訓后推薦3~7名參加（全國）決賽。決賽：全國統(tǒng)一組織。按成績挑選15~25名參加國家集訓隊，到有關(guān)大學強化訓練，最后從中選拔5名優(yōu)秀隊員參加IPhO 。④ 滿分140分。除初賽外，均含理論和試驗兩部分（試驗滿分60分）。湖南省奧賽簡況① 至1998年，湖南選手獲CPhO決賽一等獎29人次，% ；在IPhO中獲金牌5枚、銀牌2枚、銅牌2枚，居各省之首。② 題型與風格：初賽第十一屆（1992年）開始統(tǒng)一，只有天空和計算。復賽第十三屆（1994年）開始統(tǒng)一，只有計算題六個，考試時量均為3小時。二、知識體系高中物理的三檔要求：一般要求（會考）→高考要求→競賽要求。競賽知識的特點：①初賽——對高中物理基礎融會貫通，更注重物理方法的運用；②復賽——知識點更多，對數(shù)學工具的運用更深入。教法貫徹① 高一：針對“高考要求”，進度盡量超前高一新課，知識點只做有限添加。目標瞄準初賽過關(guān)。② 高二：針對“競賽要求”，瞄準復賽難度。高二知識一步到位，高一知識做短暫的回顧與加深。③ 復賽對象在約15天的時間內(nèi)模擬考試，進行考法訓練。教材范本：龔霞玲主編《奧林匹克物理思維訓練教材》，知識出版社，2002年8月第一版。推薦典型參考書目——① 孫尚禮 毛 瑾主編《高中物理奧林匹克基礎知識及題解》（上、下冊），科學技術(shù)出版社，1994年10月第一版；② 張大同主編《通向金牌之路》，陜西師范大學出版社（版本逐年更新）；③ 湖南省奧林匹克競賽委員會物理分會編《物理奧林匹克競賽教程》，湖南師范大學出版社，1993年6月第一版；④ 湖南省奧林匹克委員會物理分會、湖南省物理奧林匹克培訓基地編《新編物理奧林匹克教程》，湖南師范大學出版社，1999年5月第一版；⑤ 舒幼生主編《奧林匹克物理》（分3 … 多冊出版），湖南教育出版社，第一冊1993年8月第一版。第一部分 力＆物體的平衡第一講 力的處理一、矢量的運算加法表達： + = 。名詞：為“和矢量”。法則：平行四邊形法則。如圖1所示。和矢量大?。篶 = ，其中α為和的夾角。和矢量方向：在、之間，和夾角β= arcsin減法表達： = － 。名詞：為“被減數(shù)矢量”，為“減數(shù)矢量”，為“差矢量”。法則：三角形法則。如圖2所示。將被減數(shù)矢量和減數(shù)矢量的起始端平移到一點，然后連接兩時量末端，指向被減數(shù)時量的時量，即是差矢量。差矢量大?。篴 = ，其中θ為和的夾角。差矢量的方向可以用正弦定理求得。一條直線上的矢量運算是平行四邊形和三角形法則的特例。例題：已知質(zhì)點做勻速率圓周運動，半徑為R ，周期為T ，求它在T內(nèi)和在T內(nèi)的平均加速度大小。解說：如圖3所示，A到B點對應T的過程，A到C點對應T的過程。這三點的速度矢量分別設為、和。根據(jù)加速度的定義 = 得：= ，= 由于有兩處涉及矢量減法，設兩個差矢量 = － ，= － ，根據(jù)三角形法則，它們在圖3中的大小、方向已繪出（的“三角形”已被拉伸成一條直線）。本題只關(guān)心各矢量的大小，顯然： = = = ，且： = = ， = 2= 所以：= = = ，= = = 。（學生活動）觀察與思考：這兩個加速度是否相等，勻速率圓周運動是不是勻變速運動？答：否；不是。乘法矢量的乘法有兩種：叉乘和點乘，和代數(shù)的乘法有著質(zhì)的不同。⑴ 叉乘表達： = 名詞：稱“矢量的叉積”，它是一個新的矢量。叉積的大?。篶 = absinα，其中α為和的夾角。意義：的大小對應由和作成的平行四邊形的面積。叉積的方向：垂直和確定的平面，并由右手螺旋定則確定方向，如圖4所示。顯然，≠，但有：= －⑵ 點乘表達： = c名詞：c稱“矢量的點積”，它不再是一個矢量，而是一個標量。點積的大小：c = abcosα，其中α為和的夾角。二、共點力的合成平行四邊形法則與矢量表達式一般平行四邊形的合力與分力的求法余弦定理（或分割成RtΔ）解合力的大小正弦定理解方向三、力的分解按效果分解按需要——正交分解第二講 物體的平衡一、共點力平衡特征：質(zhì)心無加速度。條件：Σ = 0 ，或 = 0 ， = 0例題：如圖5所示，長為L 、粗細不均勻的橫桿被兩根輕繩水平懸掛，繩子與水平方向的夾角在圖上已標示，求橫桿的重心位置。解說：直接用三力共點的知識解題，幾何關(guān)系比較簡單。答案：距棒的左端L/4處。（學生活動）思考：放在斜面上的均質(zhì)長方體，按實際情況分析受力，斜面的支持力會通過長方體的重心嗎？解：將各處的支持力歸納成一個N ，則長方體受三個力（G 、f 、N）必共點，由此推知，N不可能通過長方體的重心。正確受力情形如圖6所示（通常的受力圖是將受力物體看成一個點，這時，N就過重心了）。答：不會。二、轉(zhuǎn)動平衡特征：物體無轉(zhuǎn)動加速度。條件：Σ= 0 ，或ΣM+ =ΣM 如果物體靜止，肯定會同時滿足兩種平衡，因此用兩種思路均可解題。非共點力的合成大小和方向：遵從一條直線矢量合成法則。作用點：先假定一個等效作用點，然后讓所有的平行力對這個作用點的和力矩為零。第三講 習題課如圖7所示，在固定的、傾角為α斜面上，有一塊可以轉(zhuǎn)動的夾板（β不定），夾板和斜面夾著一個質(zhì)量為m的光滑均質(zhì)球體，試求：β取何值時，夾板對球的彈力最小。解說：法一，平行四邊形動態(tài)處理。對球體進行受力分析，然后對平行四邊形中的矢量G和N1進行平移，使它們構(gòu)成一個三角形，如圖8的左圖和中圖所示。由于G的大小和方向均不變，而N1的方向不可變，當β增大導致N2的方向改變時，N2的變化和N1的方向變化如圖8的右圖所示。顯然，隨著β增大，N1單調(diào)減小，而N2的大小先減小后增大，當N2垂直N1時，N2取極小值，且N2min = Gsinα。法二，函數(shù)法。看圖8的中間圖，對這個三角形用正弦定理，有： = ，即：N2 = ，β在0到180176。之間取值，N2的極值討論是很容易的。答案：當β= 90176。時，甲板的彈力最小。把一個重為G的物體用一個水平推力F壓在豎直的足夠高的墻壁上，F(xiàn)隨時間t的變化規(guī)律如圖9所示，則在t = 0開始物體所受的摩擦力f的變化圖線是圖10中的哪一個？解說：靜力學旨在解決靜態(tài)問題和準靜態(tài)過程的問題，但本題是一個例外。物體在豎直方向的運動先加速后減速，平衡方程不再適用。如何避開牛頓第二定律，是本題授課時的難點。靜力學的知識，本題在于區(qū)分兩種摩擦的不同判據(jù)。水平方向合力為零，得：支持力N持續(xù)增大。物體在運動時，滑動摩擦力f = μN ，必持續(xù)增大。但物體在靜止后靜摩擦力f′≡ G ，與N沒有關(guān)系。對運動過程加以分析，物體必有加速和減速兩個過程。據(jù)物理常識，加速時，f ＜ G ，而在減速時f ＞ G 。答案：B 。如圖11所示，一個重量為G的小球套在豎直放置的、半徑為R的光滑大環(huán)上，另一輕質(zhì)彈簧的勁度系數(shù)為k ，自由長度為L（L＜2R），一端固定在大圓環(huán)的頂點A ，另一端與小球相連。環(huán)靜止平衡時位于大環(huán)上的B點。試求彈簧與豎直方向的夾角θ。解說：平行四邊形的三個矢量總是可以平移到一個三角形中去討論，解三角形的典型思路有三種：①分割成直角三角形（或本來就是直角三角形）；②利用正、余弦定理；③利用力學矢量三角形和某空間位置三角形相似。本題旨在貫徹第三種思路。分析小球受力→矢量平移，如圖12所示，其中F表示彈簧彈力，N表示大環(huán)的支持力。（學生活動）思考：支持力N可不可以沿圖12中的反方向？（正交分解看水平方向平衡——不可以。）容易判斷，圖中的灰色矢量三角形和空間位置三角形ΔAOB是相似的，所以： ⑴由胡克定律：F = k（ R） ⑵幾何關(guān)系：= 2Rcosθ ⑶解以上三式即可。答案：arccos 。（學生活動）思考：若將彈簧換成勁度系數(shù)k′較大的彈簧，其它條件不變，則彈簧彈力怎么變？環(huán)的支持力怎么變？答：變??；不變。（學生活動）反饋練習：光滑半球固定在水平面上，球心O的正上方有一定滑輪，一根輕繩跨過滑輪將一小球從圖13所示的A位置開始緩慢拉至B位置。試判斷：在此過程中，繩子的拉力T和球面支持力N怎樣變化？解：和上題完全相同。答：T變小，N不變。如圖14所示，一個半徑為R的非均質(zhì)圓球，其重心不在球心O點，先將它置于水平地面上，平衡時球面上的A點和地面接觸；再將它置于傾角為30176。的粗糙斜面上，平衡時球面上的B點與斜面接觸，已知A到B的圓心角也為30176。試求球體的重心C到球心O的距離。解說：練習三力共點的應用。根據(jù)在平面上的平衡，可知重心C在OA連線上。根據(jù)在斜面上的平衡，支持力、重力和靜摩擦力共點，可以畫出重心的具體位置。幾何計算比較簡單。答案：R 。（學生活動）反饋練習：靜摩擦足夠，將長為a 、厚為b的磚塊碼在傾角為θ的斜面上，最多能碼多少塊？解：三力共點知識應用。答： 。兩根等長的細線，一端拴在同一懸點O上，另一端各系一個小球，兩球的質(zhì)量分別為m1和m2 ，已知兩球間存在大小相等、方向相反的斥力而使兩線張開一定角度，分別為45和30176。，如圖15所示。則m1 : m2為多少？解說：本題考查正弦定理、或力矩平衡解靜力學問題。對兩球進行受力分析，并進行矢量平移，如圖16所示。首先注意，圖16中的灰色三角形是等腰三角形，兩底角相等，設為α。而且，兩球相互作用的斥力方向相反，大小相等，可用同一字母表示，設為F 。對左邊的矢量三角形用正弦定理，有： = ①同理，對右邊的矢量三角形，有： = ②解①②兩式即可。答案：1 ： 。（學生活動）思考：解本題是否還有其它的方法？答：有——將模型看成用輕桿連成的兩小球，而將O點看成轉(zhuǎn)軸，兩球的重力對O的力矩必然是平衡的。這種方法更直接、簡便。應用：若原題中繩長不等，而是l1 ：l2 = 3 ：2 ，其它條件不變，m1與m2的比值又將是多少？解：此時用共點力平衡更加復雜（多一個正弦定理方程），而用力矩平衡則幾乎和“思考”完全相同。答：2 ：3 。如圖17所示，一個半徑為R的均質(zhì)金屬球上固定著一根長為L的輕質(zhì)細桿，細桿的左端用鉸鏈與墻壁相連，球下邊墊上一塊木板后，細桿恰好水平，而木板下面是光滑的水平面。由于金屬球和木板之間有摩擦（已知摩擦因素為μ），所以要將木板從球下面向右抽出時，至少需要大小為F的水平拉力。試問：現(xiàn)要將木板繼續(xù)向左插進一些，至少需要多大的水平推力？解說：這是一個典型的力矩