究竟谁先到?

来源 :高中生学习·高二理综版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:george_zg
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  例1 如图1,甲、乙两球分别位于同一圆柱筒内侧同一高度处,甲由静止开始从[AO]光滑斜面上滑下,乙从光滑圆柱筒内侧由静止滑下,如果[R]远大于[BO]弧长,问哪一个球先到达底端?
  错解 由于甲、乙两球下滑过程中各自机械能守恒,故甲、乙两球处于同一相同高度处的速度大小相等,即整段过程的平均速率相等[v甲=v乙],则下滑时间[t甲=Lv甲],[t乙=Sv乙].
  显然[S>L],则[t甲  形成错误的原因是,认为两物体在任一相同高度处的速度大小相等,就以为整个过程中的平均速率相等.
  正解 设甲滑下的斜面倾角为[θ],如图2,则
  由于乙的运动可近似看成是简谐运动中的单摆模型,则
  两种解法好像都有道理.
  再看下面的例题,可证明上述错解思维的荒谬性.
  例2 两光滑斜面的高度都为[h],两斜面[AB、AD]总长度都为[L],只是[AD]斜面由[AC、CD]两部分组成,如图3,将甲、乙两个相同的小球从[AB、AD]斜面的顶端同时由静止释放,不计拐角处的能量损失,问哪一个球先到达斜面底端?
  错解 由于两小球下滑过程中各自机械能守恒,下滑至同一相同高度处的速度大小相等,故平均速率相等,两物体运动的路程相同,则[t甲=t乙],即同时到达底端.
  正解 采用[v-t]图象求解,作出物体分别沿[AB、AD]斜面运动的[v-t]图象,如图4. 由题意,因为两斜面总长度都为[L],则两段图象与横轴所夹的面积应相等,故[t甲>t乙],即乙先到达底端.
  反思 上述思维误区的根源在于:物体在变速运动中,整个过程的平均速率值,不一定等于各无数小段相等路程内平均速率的算术平均值. 以直线运动为例:一物体向某一方向做直线运动,总位移为[S],假设将物体的总位移分成无数个相等的小段位移[Sn],在相等小段位移内平均速度分别为[V1、V2、V3、…、Vn],则物体在这整段位移内的平均速度的算术平均值为
  而物体在整段位移的平均速度的实际值为
  由数学不等式知识
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