為何使用能量守恆定律會得到錯解?

時間 2021-06-02 16:30:32

1樓:黃世琛

第一,我們這麼看傳送帶上的運動過程,物塊到達D點時的速度是2√(2gR),摩擦力先對物體做負功,當物體的對地速度降為0時,摩擦力對物塊做功為4mgR,然後摩擦力再對物體做正功,物體加速至√(2gR)時,物體跟傳送帶速度相等,沒有相對滑動,這部分正功很容易算出大小為mgR。

以上部分應該不難理解

以下我們說說第二點,可能稍難一些。上面的結論其實來自動能定理,我們根據物體的動能變化量來計算摩擦力對物體做功的,也就是摩擦力對物體做功等於物體動能的變化量,這是正確的,但是摩擦力對物體做功並不等於產生的熱量Q,摩擦力與相對滑動的位移的向量積才等於產生的熱量Q。

我們以擦黑板為例解釋做功和產生熱量之間的區別。當我們用力擦黑板時,有沒有摩擦生熱?肯定有,因為黑板擦與黑板之間有相對滑動。

但是摩擦力有沒有對黑板做功?我們根據動能定理知道做功等於物體動能的變化量,黑板始終保持靜止,黑板的位移為0,動能變化量也為零,所以摩擦力沒有對黑板做功。

回到你的例題中,物塊的動能變化實際上是物塊的位移×摩擦力,而產生的熱量應該是(物塊的位移+傳送帶的位移)×摩擦力,由於傳送帶也在反方向運動,所以增加了它們的相對位移。

第三,如果你理解了第二點,那麼接下來求的就是物塊相對於傳送帶的位移問題了,因為傳送帶保持v不變,是慣性系,我們可以以傳送帶為參考係,那麼物塊到達D點時速度為2√(2gR)+√(2gR)=3√(2gR),速度變為對地參考係時的3/2倍,那麼當物塊相對於傳送帶靜止時,動能變化就是(3/2)^2=(9/4)倍,(9/4)×4mgR=9mgR

補充一點,因為在物塊運動的過程中,摩擦力對傳送帶是做負功的,但是為了保持傳送帶速度不變,必然有個機器在克服摩擦力做功,給傳送帶輸出動力,所以這個系統在有外力做功的情況下,能量就不守恆了。

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