在处理力学综合题中,对系统进行能量分析是最有效的方法之一。在做这种分析时,就要注意过程中是否有机械能损失。机械能的损失有时贯穿全过程,有时只在某一中间过程,还可能只在某一瞬间,有时又很隐蔽,我们要善于发现这些机械能丢失的地方,把握规律,防止疏漏。
例1. 如图1所示,质量为m的小球与一根不可伸长的长为L的轻绳相连接,绳的另一端固定于O点,现将小球拉到跟水平方向成30°角的上方(绳恰好伸直),然后将小球自由释放,求小球到最低点时受到的绳子的拉力。
图1
错解:小球释放到最低点的过程中机械能守恒,有
在最低点
解得绳子在最低点拉力
剖析:由于没有细致分析到小球自释放自由下落到再次被绳拉紧,细绳在绷紧瞬间的作用力及其做功情况,从而导致错误。实际上,小球运动到绳子突然拉紧的瞬间要损失部分动能而变成了绳子的内能。
正解:小球释放后,先做自由落体运动直到绳子绷直,绳刚绷直时获得的速度为v,则有
由于绳子绷紧瞬间,绳对球的作用力远大于球的重力,使小球沿绳子方向的速度突变为零,而小球在垂直于绳子方向的速度v1不变,如图2所示。则有
图2
小球绷紧细绳后继续下摆动到最低点的过程,机械能守恒,设小球在最低点的速度为v3,则有
设小球在最低点所受绳的拉力为T,由牛顿第二定律有
解得
例2. 长为L的轻绳一端固定于O点,另一端拴质量为m的小球,把小球拉至最高点A,以的水平速度抛出,如图3所示,求小球经过最低点C时绳的拉力T。
图3
错解:因物体在A点抛出后,即在竖直平面内作圆周运动,从A到C机械能守恒有
在最低点C
解得绳的拉力
剖析:这是不少学生的解法,导致错误的原因主要有两点:首先是在绳约束条件下,对小球在竖直平面内做圆周运动的条件模糊不清;二是从A到C,对小球运动的物理过程没有作深入分析,想当然地认为整个过程都是圆周运动,不小心就掉入了“陷阱”。
正解:因为小球要在竖直平面内做圆周运动,其在最高点的最小向心力由重力来提供,即有
所以最小速度(临界速度)
而本题由于,故小球开始不是做圆周运动而做平抛运动,如图4所示。设小球运动到B点时绳张紧,此时绳与水平方向夹角为,由平抛运动规律有
图4
解得
说明B与O在同一水平线上,此时
由于绳子瞬间张紧,产生瞬时冲力,使小球水平方向的速度变为零,导致部分机械能损失。然后小球以从B开始做圆周运动到C点。由机械能守恒有
及
故
可见,正确分析物理过程是解决物理问题的关键。只有正确分析物理过程,才能挖掘题目中的隐含条件和正确运用物理规律解决物理问题,避免陷入“陷阱”。
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