物理中這種模型中算第一問時可不可以用這個方法算(詳細內容看簡介)

時間 2021-06-03 12:27:58

1樓:yyx

分析問題要徹底,把每一種不同的情況對應的物理模型搞清楚

現在根據題主說描述的話逐步分析所設想的解法得到的結果和原題是否一樣

①「小球從A到B過程中重力勢能完全轉化成動能,算出乙個速度,在這個過程中P,B不受小球的作用」首先這個描述很不好,小球的重力勢能需要轉化為水平動能此過程必須有外力作用,而試圖忽略掉小球對滑槽的力的作用,這將直接違反牛三,會導致動量守恆等定理再此假設下都不再成立了......所以換一種方式,滑槽依舊受到小球的作用力,但額外給滑槽乙個作用力,恰好抵消掉小球給滑槽的力的作用效果就行了,說白了就是給滑槽乙個約束,也就是固定滑槽。所以「小球從A到B過程中重力勢能完全轉化成動能,算出乙個速度,在這個過程中P,B不受小球的作用」就等價於固定滑槽

②「再用動量守恆來算小球向右的速度和P,B向左的速度」這個的目的是由於之前提供了乙個額外的約束,有水平的衝量,系統產生了水平動量,而原模型整體(質心)始終沒有水平動量,為使兩個模型盡可能相近而進行這一步操作,其實很簡單,就是換個參考係,換到和系統質心同步向右水平運動的參考係中,在此參考係中系統就沒有水平動量了,但是需要注意乙個問題,就是換系的時候能量是不守恆的,此模型與原模型的區別就在這

現在來綜合分析一下,比較兩個模型最後系統的狀態是否相同,由於步驟②的換系操作,兩個模型系統最終的動量必定是相同的,但正是由於步驟②的操作,導致兩個模型系統最後的能量是不同的,因為步驟①中的外力沒做功,不影響系統能量,而操作②換系導致兩個模型系統的能量不相同,並且差值大小也很好得到,就是ΔE=1/2*MV^2,其中M是總質量,V是所換的參考係相對原係的速度,這可以根據柯尼希定理得到,所以兩種解法得到的結果肯定是不同的

那要是開始的時候不加約束,還是按原模型,但是換到滑槽系中解,這樣滑槽不就也不動了嗎?行不行呢?不行,因為滑槽有向左的加速度,所以換到的其實是非慣性參考係,在該系中小球還會受到乙個額外的慣性力(為使在非慣性係中牛二仍能成立,而人為定義的乙個虛構的力,該力沒有施力物體(或者說施力物是參考係)也就自然沒反作用力,並且該慣性力還會做功,要直接算這部分做功會很麻煩,需要用積分,當然要是用別的方法得到問題的結果再來反推這部分的功的大小很方便,但既然都已經得到結果的了,再知道這部分功也沒用了……

那這道題就沒有其他的方法了嗎?還是有,既然由於此處步驟②換系時會導致系統能量減小乙個值,而這個能量差又很好算,那麼我在步驟①算小球速度的時候就用先加上一部分能量與重力勢能變化量一起轉化為小球動能,然後使這部分額外「提供」的能量在步驟②的時候剛好被減掉,那麼得到的結果就會和原問題一樣,但是注意一點,這裡的論述方法完全是僅從數學上得到,是找不到物理對應的!但是既然兩個都能得到相同的正確結果,那說不准這其中就包含著一些新的發現,其實很多的物理研究也是這樣的乙個過程

現在來具體計算一下,設小球質量為m,系統總質量為M,小球重力勢能變化量為Ep,步驟①中小球速度為v,小球動能為E1,系統質心速度為Vc,數學上借用的那部分能量δE。能量:Ep+δE=E1=1/2*mv^2,並且要求δE=1/2*MVc^2,帶入有:

Ep=E1-δE=1/2*mv^2-δE=1/2*mv^2-1/2*MVc^2,也就是有:Ep=1/2*mv^2-1/2*MVc^2,再根據動守:mv=MVc,聯立就可以得到結果了

那為什麼可以這樣解,在物理上是否能合理解釋呢?注意這部分1/2*mv^2-1/2*MVc^2,前一部分是在滑槽系(和滑槽同速向左運動的慣性參考係)裡小球的動能,後一部分是系統質心的動能,根據柯尼希定理,系統總動能等於各部分相對質心的動能加上質心的平動動能。所以上面兩個一做差得到的結果就恰好是在質心系中系統的動能,該動能等於小球重力勢能變化量,這不恰好就是原問題需要的嘛,所以自然能得到相同的結果,換句話說由這兩個結果相同也是證明了柯尼希定理的正確性,我們所假設的δE其實也就是系統質心動能

由上述分析可以得到符合物理的解法,能守:Ep=Ek=1/2*mv^2-1/2*MVc^2;動守:MVc=mv

這裡能守的前乙個等號是在原係中得到,能守的後乙個等號是在和穩定後系統中滑槽一起向左水平運動的參考係中運用柯尼希定理得到的,動守也是在新系中的,在這裡,Ek是原係中系統總動能,v也就是小球相對滑槽的速度,Vc也就是滑槽的速度以上。

2樓:shinbade

小球的重力勢能完全轉化成動能,是對的。但這動能,是小球,P,B,三者的動能之和。

再考慮水平方向上動量守恆。注意,這裡可以將P和B看成乙個整體。

兩式聯立,就可以算出v1

算第二個問題時,也是列出動量和機械能守恆兩個式子。但是,P不再和B組成乙個整體,需要單獨考慮。

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