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  • 因瞬时功损失机械能的物理过程

    日期:2003-12-20  地址:  作者:
      

      先看一个实例:

      [例1] 如图1,质量均为m的A、B两球,以轻弹簧连结后放在光滑水平面上。A被有水平速度V0、质量为m/4的泥丸P击中并粘合,求弹簧能具有的最大势能。

      (典型误解)当A和B的速度都达到u时,A、B间距离最近,此时弹簧有最大势能E

     从图1所示状态Ⅰ→Ⅲ由动量守恒得:

    从Ⅰ→Ⅲ,由机械能守恒得:

    解得

      (分析)从图1所示状态Ⅰ→Ⅱ的过程中,泥丸P与A碰撞粘合(B尚未参与作用),是一个完全非弹性碰撞模型,部分机械能经由瞬间内力作功转化为内能,所损失的机械能设为△E,则:

      

     

      可见,从图1的状态Ⅰ→Ⅲ的物理过程,不能再看作一个机械能守恒的过程。因此,本题正确的解必须考虑由Ⅰ→Ⅱ的瞬间过程,从中得出所损失的机械能△E,代入Ⅰ→Ⅲ的能量守恒方程,即:,才能求到合理答案

      当然,只要考虑了从Ⅰ→Ⅱ的瞬间过程,得出在状态Ⅱ时泥丸P及A的共同速度V。然后,再研究从Ⅱ→Ⅲ的过程,则既满足动量守恒的条件,又满足机械能守恒的条件。也可解得正确结果。

      由此可见,在子弹穿过木块;碰撞粘合。两物通过相互作用连结在一起等瞬间过程中,表面上常因看不到物体有明显位移,因而容易忽略瞬间内力作功的过程。事实上,因有内力瞬时做功,导致能量的转化(常常反映为机械能向其它形式能量转化),全过程中的机械能便不再守恒.这便是我们在解此类习题中务必要注意的情况。

      再看一个实例:

      [例2]如图2,质量1千克的小球用0.8米长的细线悬于固定点O。现将小球沿圆周拉到右上方的B点,此时小球离最低处A点的高度是1.2米。松手让小球无初速下落,试求它运动到最低处时对细线的拉力。

      (典型误解) 球从B到A的过程中,只有重力做功,机械能守恒,所以有:

      在A处,对小球又有:

       

    由此解得

     

     

      (分析) 球从B下落到图3中的C位置时,线从松驰状态开始张紧(易知图中α=60°),因线张紧,之后小球才从C起开始作圆弧运动到达A。从B→C机械能确实守恒,则米/秒。既然在C处开始转化为圆弧运动,意味着小球只保留了速度V的切向分量V而损失了法向分量V,也就是说损失了动能。这是

    因为在线张紧的瞬间,线上拉力对小球作了瞬时功,造成了动能

    转化为内能。这样,就B到A的全过程而言,因在C处有线对小球作瞬时功,所以不满足“仅有重力作功”这个条件,故全过程中机械能不守恒。

      懂得了以上道理,便知道小球在C处以线速度

    开始作圆弧运动。在这之后,满足了“仅有重力做功”的条件,机械能守恒。则从C→A有;而在A处对小球有,由此解得正确答案应为T=3.5mg=35牛。

      在本问题中,我们再次看到了因有瞬时功而造成机械能损失的情况。同样,在那个瞬间,因为我们看不到物体明显的位移(小球在C位置时在线的方向没有明显位移),所以极易疏忽这个隐含的重要变化,因而常常会导致解题失误。

      所以,碰到象本题中细线突然张紧的情况;象上题中两物碰撞粘合的情况;或者其他一些广义上的完全非弹性碰撞的情况,请注意上述因瞬时功造成机械能向其它能转化的特点。处理问题时,务请注意在瞬间作用中所隐含的重要变化,这样才能找到正确的解题方向。

     


    Tags:因瞬
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