观察到白点仅在圆盘上两个位置出现,则说明这两个白点的位置在一条直径的两端。可见T闪=T/2为满足要求的最小值,对应f闪就为最大值,即最多。在O的正上方有一个可视为质点的小球以初速度v水平抛出时,半径OA方向恰好与v的方向相同,如图所示。若小球与圆盘只碰一次,且落在A点,重力加速度为g,求小球抛出时距O的高度h和圆盘转动的角速度大小ω。
题目:某次研究性学习活动中,同学们用如图所示的带有一个白点的黑色圆盘进行自主探究。已知圆盘可绕过其中心且垂直于盘面的轴沿顺时针方向匀速转动,转速为n=20r/s。
(1)白点转动90°需要用时 s
(2)小华同学在暗室中用频闪光源照射圆盘,观察到白点仅在圆盘上两个位置出现,则频闪光源的频率最少为 Hz
(3)小军同学利用手机摄像后慢放,则下列关于白点转动情况的描述正确的是 (填答案序号)
A.若手机摄像设置为19帧/秒,则观察到白点顺时针转动
B.若手机摄像设置为21帧/秒,则观察到白点顺时针转动
C.若手机摄像设置为10帧/秒,则观察到白点处于静止状态
此题来源于2022年湖北省七市(州)高三年级3月联合统一调研测试物理试题实验题第12题。(统考时间为3月8~10号)
笔者认为此题设计的第(1)和第(3)问没有问题,而第(2)问设置有误。“……频闪光源的频率最少”应改为“……频闪光源的频率最多”。
分析如下:
本题中很显然圆盘转速n=20r/s一定,T=1/n=0.05s也一定。观察到白点仅在圆盘上两个位置出现,则说明这两个白点的位置在一条直径的两端。如图所示
圆盘转半圈,历时半个周期,T/2=0.025s刚好为频闪光源的周期T闪。试想如果T闪变小,小于0.025s,这样圆盘转过的角度会小于180°,不满足要求;再进一步设定如果T闪=T/4就会出现4个光点,说明T闪越小,光点会越多,而T闪越小,频率就越大,越不满足要求了。可见T闪=T/2为满足要求的最小值,对应f闪就为最大值,即最多。若再考虑到圆盘转动的周期性,圆盘转1圈半、2圈半、……n圈半的时间为T闪,则T闪=T/2 kT=0.025 0.05k(s)(k=0、1、2...)
n越大,T闪越大,f闪越小,所以频率有最大值,即最多而不是最少,也是上述结论。
对于此类周期性多解问题,首先要分清是哪个物体的周期(频率)具有可变性。此题是已知圆盘转速(频率),周期一定,频闪光源的频率未知,而不是频闪光源频率一定,圆盘转速待定。
出现这个错误,笔者认为出题者是犯了一个错误,那就是思维定势,在研究匀速圆周运动时,经常碰到关于圆盘转速、周期和角速度等物理量多解性问题,利用t总=T/2 nT,求圆盘转速或角速度的多解。
示例如下:
半径为R的水平圆盘绕过圆心O到竖直轴匀速转动,A为圆盘边缘上一点。在O的正上方有一个可视为质点的小球以初速度v水平抛出时,半径OA方向恰好与v的方向相同,如图所示。若小球与圆盘只碰一次,且落在A点,重力加速度为g,求小球抛出时距O的高度h和圆盘转动的角速度大小ω。
解答如下:两个物体同时运动,小球做平抛运动有:h=1/2gt2,R=vt,对于圆盘考虑到周期性,此题圆盘转速(频率)有最小值。nT还是转到原位置A
即有:nT=t T=2π/ω
联立以上各式即可求解ω=2nvπ/R(n=1、2、3......)角速度ω有最小值,由关系式可知,转速频率均取最小值。
以上是我个人观点和想法,不知是否考虑周全妥当,若有不当之处,恳请同行们斧正,谢谢!