故 F=ρv 链条在t时刻的速度v即为链条下落
长为x时的即时速度，即v2=2gx，代入F的表达式中，得 F=2ρgx 此即t时刻链对地面的作用力，也就是t时刻链条对地面的冲力. 所以在t时刻链条对地面的总压力为 N=2ρgx+ρgx=3ρgx=
2
3Mgx
. L
例8：一根均匀柔软的绳长为L，质量为m，对折后两端固定在一个钉子上，其中一端突然从钉子上滑落，试求滑落的绳端点离钉子的距离为x时，钉子对绳子另一端的作用力是多大？ 解析：钉子对绳子另一端的作用力随滑落绳的长短而变化， 由此可用微元法求解.如图3—8所示，当左边绳端离钉子 的距离为x时，左边绳长为右边绳长为
1
(l?x)，速度 v=2gx， 2
1
(l+x). 又经过一段很短的时间△t以后， 2
1
左边绳子又有长度VΔt的一小段转移到右边去了，我们就分
2
析这一小段绳子，这一小段绳子受到两力：上面绳子对它的拉 力T和它本身的重力
1
vΔtλg(λ=m/l为绳子的线密度）， 2
11
根据动量定理，设向上方向为正 (T?vΔtλg)Δt=0?(?vΔtλ?v)
22
由于△t取得很小，因此这一小段绳子的重力相对于T来说是很小的，可以忽略， 所以有 T=
12
vλ=gxλ 因此钉子对右边绳端的作用力为 2
113xF=(l+x)λg+T=mg(1+)
22l
例9：图3—9中，半径为R的圆盘固定不可转动，细绳不可伸长 但质量可忽略，绳下悬挂的两物体质量分别为M、m.设圆盘与 绳间光滑接触，试求盘对绳的法向支持力线密度.
解析：求盘对绳的法向支持力线密度也就是求盘对绳的法向单位 长度所受的支持力.因为盘与绳间光滑接触，则任取一小段绳， 其两端受的张力大小相等，又因为绳上各点受的支持力方向不同， 故不能以整条绳为研究对象，只能以一小段绳为研究对象分析求 解.在与圆盘接触的半圆形中取一小段绳元△L，△L所对应的 圆心角为△θ，如图3—9—甲所示，绳元△L两端的张力均为T， 绳元所受圆盘法向支持力为△N，因细绳质量可忽略，法向合力为 零，则由平衡条件得：
物理奥赛三第5页
ΔθΔθΔθ +Tsin=2Tsin
222
ΔθΔθ ∴△N=T△θ 当△θ很小时，sin≈
22ΔN=Tsin
又因为 △L=R△θ
则绳所受法向支持力线密度为 n=
ΔNTΔθT
= ① =
ΔLRΔθR
2Mmg
M+m
以M、m分别为研究对象，根据牛顿定律有 Mg－T=Ma ② T－mg=ma ③ 由②、③解得： T=
2Mmg
将④式代入①式得：n=
(M+m)R
例10：粗细均匀质量分布也均匀的半径为分别为R和r的两圆环相切.若在切点放一质点m，恰使两边圆环对m的万有引力的合力为零，则大小圆环的线密度必须满足什么条件？ 解析：若要直接求整个圆对质点m的万有引力比较难，当若要用到圆的对称性及要求所受合力为零的条件，考虑大、小圆环上关于切点对称的微元与质量m的相互作用，然后推及整个圆环即可求解.
如图3—10所示，过切点作直线交大小圆分别于P、Q两点，并设与水平线夹角为α，当α有微小增量时，则大小圆环上对应微小线元
ΔL1=R?2ΔαΔL2=r?2Δα
其对应的质量分别为 Δm1=ρ1Δl1=ρ1R?2Δα
Δm2=ρ2Δl2=ρ2r?2Δα 由于△α很小，
故△m1、△m2与m的距离可以认为分别是 r1=2Rcosα所以△m1、△m2与m的万有引力分别为
r2=2rcosα
GmΔm2Gρ2R?2ΔαmGmΔm1Gρ1R?2Δαm
,ΔF2=ΔF1===2222
(2Rcosα)r2(2rcosα)r1
由于α具有任意性，若△F1与△F2的合力为零，
Gρ1R?2ΔαmGρ2r?2Δαm
则两圆环对m的引力的合力也为零， 即 =22
(2Rcosα)(2rcosα)
解得大小圆环的线密度之比为：
ρ1R
= ρ2r
物理奥赛三第6页
例11：一枚质量为M的火箭，依靠向正下方喷气在空中保持静止，如果喷出气体的速度为v，那么火箭发动机的功率是多少？
解析：火箭喷气时，要对气体做功，取一个很短的时间，求出此时间内，火箭对气体做的功，再代入功率的定义式即可求出火箭发动机的功率.
选取在△t时间内喷出的气体为研究对象，设火箭推气体的力为F，根据动量定理，有
F△t=△m·v 因为火箭静止在空中，所以根据牛顿第三定律和平衡条件有F=Mg 即 Mg·△t=△m·v △t=△m·v/Mg
对同样这一部分气体用动能定理，火箭对它做的功为： W=
1
Δmv2 2
1
Δmv2
1W
=2=MgV 所以发动机的功率 P=
Δt(ΔmV/Mg)2
例12：如图3—11所示，小环O和O′分别套在不动的竖直 杆AB和A′B′上，一根不可伸长的绳子穿过环O′，绳的 两端分别系在A′点和O环上，设环O′以恒定速度v向下 运动，求当∠AOO′=α时，环O的速度.
解析：O、O′之间的速度关系与O、O′的位置有关，即与α 角有关，因此要用微元法找它们之间的速度关系.
设经历一段极短时间△t，O′环移到C′，O环移到C，自C′ 与C分别作为O′O的垂线C′D′和CD，从图中看出.
OC=
ODO′D′OD+O′D′
,O′C′= 因此OC+O′C′= ① cosαcosαcosα因△α极小，所以EC′≈ED′，EC≈ED， 从而OD+O′D′≈OO′－CC′ ②
由于绳子总长度不变，故 OO′－CC′=O′C′ ③
O′C′1
即OC=O′C′(?1) 由以上三式可得：OC+O′C′=
cosαcosα1
等式两边同除以△t得环O的速度为 v0=v(?1)
cosα例13： 在水平位置的洁净的平玻璃板上倒一些水银，由于重力和 表面张力的影响，水银近似呈现圆饼形状（侧面向外凸出），过圆 饼轴线的竖直截面如图3—12所示，为了计算方便，水银和玻璃的 接触角可按180°计算.已知水银密度ρ=13.6×10kg/m，水
3
3
银的表面张力系数σ=0.49N/m.当圆饼的半径很大时，试估算其厚度h的数值大约为多少？（取1位有效数字即可）
解析：若以整个圆饼状水银为研究对象，只受重力和玻璃板的支持力，在平衡方程中，液体
物理奥赛三第7页
的体积不是h的简单函数，而且支持力N和重力mg都是未知量，方程中又不可能出现表面张力系数，因此不可能用整体分析列方程求解h.现用微元法求解. 在圆饼的侧面取一个宽度为△x，高为h的体积元，，如图 3—12—甲所示，该体积元受重力G、液体内部作用在面 积△x·h上的压力F，F=PS=
11
ρhg?Δxh=ρgh2?Δx， 22
还有上表面分界线上的张力F1=σ△x和下表面分界线上的
张力F2=σ△x.作用在前、后两个侧面上的液体压力互相平衡，作用在体积元表面两个弯曲 分界上的表面张力的合力，当体积元的宽度较小时，这两个力也是平衡的，图中都未画出. 由力的平衡条件有：F?F1cosθ?F2=0 即
1
ρgh2Δx?σΔxcosθ?σΔx=0 2
2σ(1+cosθ)
=2.7×10?31+cosθ
ρg
解得：h=
由于 0<θ<
π2
,所以1<1+cosθ<2, 故2.7×10－3m － － 题目要求只取1位有效数字，所以水银层厚度h的估算值为3×103m或4×103m. 例14：把一个容器内的空气抽出一些，压强降为p，容器 上有一小孔，上有塞子，现把塞子拔掉，如图3—13所示. 问空气最初以多大初速度冲进容器？（外界空气压强为p0、 密度为ρ） 解析：该题由于不知开始时进入容器内分有多少，不知它 们在容器外如何分布，也不知空气分子进入容器后压强如 何变化，使我们难以找到解题途径.注意到题目中“最初” 二字，可以这样考虑：设小孔的面积为S，取开始时位于小孔外一薄层气体为研究对象，令薄层厚度为△L，因△L很小，所以其质量△m进入容器过程中，不改变容器压强，故此薄层所受外力是恒力，该问题就可以解决了. 由以上分析，得：F=(p0－p)S ① 对进入的△m气体， 由动能定理得：FΔL= 1 Δmv2 ② 而 △m=ρS△L 2 联立①、②、③式可得：最初中进容器的空气速度 v=例15：电量Q均匀分布在半径为R的圆环上（如图3—14 所示），求在圆环轴线上距圆心O点为x处的P点的电场 强度. 物理奥赛三第8页 2(p0?p) ρ 解析：带电圆环产生的电场不能看做点电荷产生的电场， 故采用微元法，用点电荷形成的电场结合对称性求解. Q 选电荷元 Δq=RΔθ,它在P点产生的电场的场强的x分量为： 2πRΔqRΔθQ ΔEx=k2cosα=k r2πR(R2+x2) 根据对称性 E=∑ΔEx= kQx2π(R2+x2)3 xR+x 2 2 ∑Δθ= kQx2π(R2+x2)3 2π= kQx(R2+x2)3 由此可见，此带电圆环在轴线P点产生的场强大小相当于带电圆环带电量集中在圆环的某一点时在轴线P点产生的场强大小，方向是沿轴线的方向. 例16：如图3—15所示，一质量均匀分布的细圆环， 其半径为R，质量为m.令此环均匀带正电，总电 量为Q.现将此环平放在绝缘的光滑水平桌面上，并 处于磁感应强度为B的均匀磁场中，磁场方向竖直向下. 当此环绕通过其中心的竖直轴以匀角速度ω沿图示方向 旋转时，环中的张力等于多少？（设圆环的带电量不减 少，不考虑环上电荷之间的作用） 解析：当环静止时，因环上没有电流，在磁场中不受力，则 环中也就没有因磁场力引起的张力.当环匀速转动时，环上电 荷也随环一起转动，形成电流，电流在磁场中受力导致环中存 在张力，显然此张力一定与电流在磁场中受到的安培力有关. 由题意可知环上各点所受安培力方向均不同，张力方向也不同， 因而只能在环上取一小段作为研究对象，从而求出环中张力的 大小. 在圆环上取△L=R△θ圆弧元，受力情况如图3—15—甲所示.因转动角速度ω而形成的电流 I= RωQω，电流元I△L所受的安培力ΔF=IΔLB=QBΔθ 2π2π因圆环法线方向合力为圆弧元做匀速圆周运动所需的向心力， Δθ2Tsin?ΔF=Δmω2R 2 ΔθΔθ当△θ很小时，sin≈ 22m ∵Δm=Δθ2πTΔθ? RωQB Δθ=Δmω2R 2πRωQBmω2R ∴TΔθ?Δθ=Δθ 2π2π解得圆环中张力为 T= Rω(QB+mω) 2π物理奥赛三第9页
高中物理奥赛方法（清晰版）
