任何物理问题都是有一定的物理情境的,而任何物理情境都与一定的物理规律相对应。
许多学生在求解物理问题常常感觉到头痛的根本原因,就在于还没有在头脑中形成“一看到物理问题,就先进行物理情境展示”的良好习惯,而是凭感觉想当然。
我们在学习的过程中一定要在积极的联想、类比等交互作用中,提高综合分析问题和解决问题的能力。以下是关于机械能问题的几个学生容易进入的误区简单地进行总结。
一. 空间位置的关系造成的误区
例1. 如图1所示,半径为R的光滑半圆上有两个小球A、B,质量分别为m和M(m<M),由细线挂着,今由静止开始无初速度自由释放,求小球A升至最高点C时A、B两球的速度?
图1
解析:A球沿半圆弧运动,绳长不变,A、B两球通过的路程相等,A上升的高度为h=R;B球下降的高度为:对于系统,则由机械能守恒定律得:
即
解得
大多数的学生在解决这个问题的时候,一看题目的难度不大,开始得意忘形,没有看清题中的条件,说A上升的高度为R,则B下降的高度也一定为R。则由机械能守恒定律得:即
从而得错解。
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二. 不了解模型的特点造成的误区
绳的弹力是一定沿绳的方向的,而杆的弹力不一定沿杆的方向。所以当物体的速度与杆垂直时,杆的弹力可以对物体做功。
例2. 如图2所示,在长为L的轻杆中点A和端点B各固定一质量均为m的小球,杆可绕轴O无摩擦的转动,使杆从水平位置无初速释放摆下。求当杆转到竖直位置时,轻杆对A、B两球分别做了多少功?
图2
解析:设当杆转到竖直位置时,A球和B球的速度分别为vA和vB。如果把轻杆、地球、两个小球构成的系统作为研究对象,那么由于杆和小球的相互作用力做功总和等于零,故系统机械能守恒。若取B的最低点为零重力势能参考平面,可得:又因为A球对B球在各个时刻对应的角速度相同,故
由以上二式得:
,
根据动能定理,可解出杆对A、B做的功。
对于A有所以
对于B有
所以
三. 临界状态的不清造成的误区
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例3. 如图3所示,半径分别为R和r的甲、乙两个光滑的圆形轨道安置在同一竖直平面上,轨道之间有一条水平轨道CD相通,一小球以一定的速度先滑上甲轨道,通过动摩擦因数为的CD段,又滑上乙轨道,最后离开两圆轨道。若小球在两圆轨道的最高点对轨道压力都恰好为零,试求水平CD段的长度。
图3
解析:(1)小球在光滑圆轨道上滑行时,机械能守恒,设小球滑过C点时的速度为,通过甲环最高点速度为
,根据小球对最高点压力为零,由圆周运动公式有:
①取轨道最低点为零势能点,由机械守恒定律:
②由①、②两式消去v’,可得
同理可得小球滑过D点时的速度
设CD段的长度为l,对小球滑过CD段过程应用动能定理:
将
代入,可得l
四. 状态了解的不透彻造成的误区
例4. 一质量为m的质点,系于长为R的轻绳的一端,绳的另一端固定在空间O点,假定绳是不可伸长的、柔软且无弹性的。今把质点从O点的正上方离O点的距离为的O1点以水平的速度
抛出,如图4所示。
试求:(1)轻绳即将伸直时,绳与竖直方向的夹角为多少?(2)当质点到达O点的正下方时,绳对质点的拉力为多大?
图4
第二过程:绳绷直过程。绳绷直时,绳刚好水平,如图5所示。由于绳不可伸长,故绳绷直时,损失,质点仅有速度
,且
。
图5
第三过程:小球在竖直平面内做圆周运动,设质点到达O点正下方时,速度为v’,根据机械能守恒定律有:设此时绳对质点的拉力为T,则
联立解得:
编辑:小徐