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高中奥林匹克物理竞赛解题方法+09估算法


高中奥林匹克物理竞赛解题方法

九、估算法
方法简介 有些物理问题本身的结果,并不一定需要有一个很准确的答案,但是,往往需要我们对 事物有一个预测的估计值;有些物理问题的提出,由于本身条件的限制,或者实验中尚未观 察到必要的结果,使我们解决问题缺乏必要的已知条件,无法用常规的方法来求出物理问题 的准确答案,采用“估算”的方法就能忽略次要因素,抓住问题

的主要本质,充分应用物理 知识进行快速数量级的计算.近几年来,竞赛试题中频频出现的各类估算题,的确是判断学生 思维能力的好题型. 赛题精析 例 1 已知地球半径约为 6.4×106m,又知月球绕地球的运动可近似看做匀速圆周运动, 则可估算出月球到地心的距离约为 m.(结果只何留一位有效数字) 解析 因为月球绕地球的运动可近似看做匀速圆周运动,所以可根据月球所受的万有引 力提供月球做匀速圆周运动所需要的向心力及月球公转周期求解此问题,也可根据地球上的 光经月球反射 2 秒后返回地球的知识估算. 根据运动定律及万有引力定律得:

2π GMm = m( ) 2 r 2 T r ′ GMm = m′g R2
由①、②两式代入数据可得 r =4.1×108m(其中 T 是月球绕地球旋转周期,T=30 天) - 例 2 估算在室温下,真空度达 1.33×10 1Pa 时,容器内空气分子的平均距离.(取一位 有效数字即可) 解析 要想求容器内空气分子的平均距离,则可以根据克拉珀龙方程求出每个空气分子 所占的体积,由此即可求解. 取 1 摩尔空气作为研究对象, 视每个空气分子所占的空间是以分子间的平均距离 a 为边长的立方体,每个分子处在立 方体的中心.则每个空气分子占据的空间的体积为 V0 = a
3

根据克拉珀龙方程,1 摩尔空气占据的总体积 V=RT/p=N0V0=N0 a 3 所以空气分子间平均距离 a = 3 RT / N 0 p ,近似地取室温 T=300K,代入数据可算得:
-1-

分子间平均距离为: a = 1 × 10 m 例 3 密闭容器的气体压强为 p = 10 Pa ,温度为 27℃,估算其中分子的间距(保留
?2

?5

一位有效数学字). 解析 以密闭容器内的一定量气体为研究对象,选取标准状况为该气体的一个已知状 态,根据理想气体状态方程可求解. 取 1 摩尔气体作为研究对象,在标准状态下为 V0 = 22.4 × 10 m ,所包含的分子数为
3

?3

NA=6.023×1023 个.在题设条件下,设其体积为 V,则根据气态方程: 有

p 0V0 pV = T0 T

每个分子所占的空间体积为 V ′ =

V ?7 ,分子间的距离为 d = 3 V ′ = 7 × 10 m. NA
?9

例 4

已知一密闭容器内的气体分子平均距离为 d = 3 × 10 m ,温度为 27℃,试估算

容器内气体的压强多大?(保留一位有效数学) 解析 要想估算容器内气体的压强,则可根据理想气体状态方程求解,其中选一个标准 状态为已知状态. 一个分子占扰的体积为 V ′ = d = 27 × 10
3

?27

m3 ,

1 摩尔分子占据的体积为 V = n0V ′ 由

p 0V0 pV VT 5 ,解得 p = 0 ? p 0 = 2 × 10 Pa = T0 T VT0

例 5 已知冰、水和水蒸气在一密闭容器中能在某一外界条件下处于三态平衡共存(容 器内无任何其他物质) ,这种状态称为水的三相点,其三相点温度为 0.01℃,三相点压强为 4.58mmHg.现有冰、水和水蒸气各 1g 处于三相点,若在保持总体积不变的情况下对此系统缓 慢加热,输入热量 Q=2.25×105J,试估算系统再达平衡后冰、水和水蒸气的质量.已知水的密 度和冰的密度分别为 1×103kg/m3 和 0.9×103kg/m3,冰在三相点时的升华热 L 升=2.83×106J/kg, 水在三相点的汽化热 L 汽=2.49×106J/kg. 解析 由题给数据可利用以下近似关系求得冰的熔化热 L 熔=L 升-L 气=0.34×106J/kg ① 因为缓缓加给系统的热 Q< L 熔,所以冰不能全部熔化,系统在物态变化过程中始终是三 态共存且接近平衡,因此系统的温度和压强均不变.

-2-

现在估算在题给温度、压强条件下水蒸气的密度 ρ 气 ,用理想气体状态方程可得

ρ 气 = μpt / RTt , μ 为水蒸气的摩尔质量
代入数值 μ = 18 × 10 kg / mol , R = 8.31J / mol ? K , p t = 4.58mmHg = 610 Pa 得
?3

Tt = 273K
估算可得 ρ 气 ≈ 5 × 10 kg / m
?3
3

在同样的条件下,水的密度 ρ 水 ≈ 1 × 10 kg / m ,冰的密度 ρ 冰 ≈ 0.9 × 10 kg / m . 由
3 3 3 3

此可知,水蒸气的体积远远大于水和冰的体积之和,又由于冰熔化为水时体积变化不大,在 总体积保持不变的条件下,完全可以认为物态变化过程中水蒸气的体积不变,也就是再达到 平衡时,水蒸气的质量仍为 1g,物态变化过程几乎完全是冰熔为水的过程. 设后来冰、水、水蒸气的质量分别为 x 、 y 、 z ,则有 z=1g x+y=2g 根据能量守恒定律,有(1-x)L 熔=Q 由②③④式可得 x = 0.25 g 例6 ② ③ ④

y = 1.75 g

z = 1g

假想有一水平方向的匀强磁场,磁感强度 B 很大,有一半径

为 R,厚度为 d( d << R ) 的金属圆盘在此磁场中竖直下落,盘面始 终位于竖直平面内并与磁场方向平行,如图 2—9—1 所示,若要使圆 盘在磁场中下落的加速度比没有磁场时减小千分之一(不计空气阻力) , 试估算所需磁感强度的数值,假定金属盘的电阻为零,并设金属的密度

ρ = 9 × 10 3 kg / m 3 ,介电常数 ε = 9 × 10 ?12 C 2 / N ? m 2 .
解析 当盘在磁场中下落速度为 v 时,盘中的感应电动势 E= Bvd ,在感应电动势的作 用下,圆盘两个表面上将带有等量异号的电荷(±Q)因为盘电阻为零,所以电荷(±Q)引 起的两表面间的电压 U 等于盘中感应电动势的数值,即 U= Bvd . 圆盘上的 Q 与 U 之间的关系跟一个同样尺寸的带电电容器上的 Q 与 U 的关系相同,此 电容器的电容 C= ε ? S / d = ε ? πR / d ,故圆盘表面所带电量 Q=CU= ε ? πR Bv.
2 2

在盘下落过程中,盘的速度 v 随时间增大,盘面上的电量 Q 也随时间增大,由此可求出 盘中电流 I=△Q/△t= ε ? πR BΔv / Δt ,磁场对此电流的作用力 F 的方向向上,大小为
2

F=BId= ε ? πR BΔv / Δt .若盘的质量为 m,则盘受到的力为 F 和重力 mg,盘的加速度
2

-3-

a = Δv / Δt 可由下式求出 Δv mg ? F = ma = m ? Δt

由此得盘的加速度 a =

mg m + επR 2 B 2 d

按题意 a = g ? (1 / 1000) g ,由此得

εB 2 1 = ρ 1000

所以磁感应强度 B =

ρ × 10 ?3 = 10 ?6 ε

针对训练 1.估算地球大气总质量 M 和部分了数 N. ) 2.已知铜的 8.9×103kg/m3,原子量为 64.通过估算可知铜中每个铜原子所占的体积为( -6 3 -29 3 -26 3 -24 3 A.7×10 m B.1×10 m C.1×10 m D.8×10 m 3.只要知道下列哪一组物理量,就可以估算出气体中分子间的平均距离? ( ) A.阿伏伽德罗常数、该气体的摩尔质量和质量 B.阿伏伽德罗常数、该气体的摩尔质量和密度 C.阿伏伽德罗常数、该气体的质量和体积 D.该气体的密度、体积和摩尔质量 4.已知油酸的密度为 6.37×102kg/m3,油酸的原子量为 282.试估算油酸分子的直径有多大? (结果保留一位有效数字)

九、估算法
1. M ≈ 10 kg
18

N ≈ 10 44

2.B

3.B 4.B

-4-


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