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连接体是指运动中几个物体或叠放在一起、或并排挤放在一起、或用细绳、细杆联系在一起的物体组. 高中阶段连接体主要有两体或三体问题.
在连接体问题中有一类利用机械能守恒和动能定理解题的绳、杆连接体问题,这类题型要合理进行受力分析,理清过程,严格按照机械能守恒定律的条件和动能定理来列方程求解.
一、绳、杆连接体问题的解题关键
被绳(或杆)连接在其两端的两个物体沿绳(或杆)方向上的速率相同. 其原因是:题目中往往会指明或暗示绳(或杆)是绷直且不可伸长的. 若绳(或杆)两端的物体沿绳方向上的速率不相同,则会导致绳(或杆)的长度发生变化,而这和题意不符.
二、处理连接体问题的基本方法
在分析和求解物理连接体问题时,首先遇到的关键之一,就是研究对象的选取问题.其方法有两种:一是隔离法,二是整体法.
1. 隔离法:将所研究的对象——包括物体、状态和某些过程,从系统或全过程中隔离出来进行研究的方法.
2. 整体法:将两个或两个以上物体组成的整个系统或整个过程作为研究对象进行分析研究的方法.
隔离法与整体法,不是相互对立的,一般问题的求解中,随着研究对象的转化,往往两种方法交叉运用,相辅相成. 所以,两种方法的取舍,并无绝对的界限,必须具体分析,灵活运用. 无论哪种方法均以尽可能避免或减少非待求量(即中间未知量,如非待求的力,非待求的中间状态或过程等)的出现为原则.
三、典例分析
例1 图1是一个横截面为半圆,半径为[R]的光滑柱面,一根不可伸长的细线两端分别系着可视为质点的物体[A、B],且[mA=2mB=2m],由图示位置从静止开始释放[A]物体,当物体[B]达到半圆顶点时,求此过程中绳的张力对物体[B]所做的功.
解析 本题要求出绳的张力对[B]做的功,关键是求出物体[B]到达圆柱顶点的动能. 由于圆柱面是光滑的,故系统的机械能守恒,系统重力势能的减少量等于系统动能的增加量.
对系统,由机械能守恒,有
[mAg⋅πR2-mBgR=12mAvA2+12mBvB2]
又由绳杆连接体的规律,有[vA=vB]
故可求出[B]在圆柱顶点时的动能为
[EKB=][12mBvB2]=[π-13mgR]
对物体[B],从最低点到圆柱面顶点过程中,由动能定理,有
[W绳-mBgR=12mBvB2-0则W绳=mBgR+12mBvB2=π+23mgR]
故物体[B]从静止开始到达半圆顶点过程中,绳的张力对物体[B]所做的功为[π+23mgR].
例2 如图2所示,质量为[m1]的物体[A]经一轻质弹簧与下方地面上的质量为[m2]的物体[B]相连,弹簧的劲度系数为[k,A、B]都处于静止状态. 一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体[A],另一端连一轻挂钩. 开始时各段绳都处于伸直状态,[A]上方的一段绳沿竖直方向. 现在挂钩上挂一质量为[m3]的物体[C]并从静止状态释放,已知它恰好能使[B]离开地面但不继续上升. 若将[C]换成另一个质量为([m1]+[m2])的物体[D],仍从上述初始位置由静止状态释放,则这次[B]刚离地时[D]的速度的大小是多少?已知重力加速度为[g].
解析 开始时,[A、B]物体静止,由于[A、B]经一轻质弹簧相连,弹簧被物体[A]压缩,设这时弹簧长为[x1],则有[m1g=kx1],
挂[C]并释放后,到达静止状态时,就是[B]物体要离开地面时,设弹簧伸长了[x2],则有[m2g=kx2].
[B]离开地面但不继续上升,说明[A、C]速度已为0,[A]上升的高度等于[C]下降的高度.
设此时弹簧的弹性势能为[E],对[A、B、C]以及弹簧组成的系统,由机械能守恒,有
[E+m1g(x1+x2)=m3g(x1+x2)].
[C]换成[D]后,[B]要离开地面时弹簧的弹性势能与前一次一样,设[A、C]的速度为[v],根据能量关系,得
[E+12(m1+m3)v2+12m1v2=(m1+m3)g(x1+x2)-m1g(x1+x2)]
所以有[12(2m1+m3)v2=m1g(x1+x2)].
得到[v=2m1(m1+m2)g2(2m1+m3)k.]
可见,解答机械能守恒中的绳杆连接体问题的一般步骤是:先明确研究对象(可以是某一个物体,也可以是几个物体构成的系统),然后分析研究对象在某一过程或整个过程中的受力情况和机械能是否守恒,据此由机械能守恒定律或动能定理列方程,最后求解. 此外,要抓住绳杆连接体问题的关键,合理使用隔离法和整体法.
在连接体问题中有一类利用机械能守恒和动能定理解题的绳、杆连接体问题,这类题型要合理进行受力分析,理清过程,严格按照机械能守恒定律的条件和动能定理来列方程求解.
一、绳、杆连接体问题的解题关键
被绳(或杆)连接在其两端的两个物体沿绳(或杆)方向上的速率相同. 其原因是:题目中往往会指明或暗示绳(或杆)是绷直且不可伸长的. 若绳(或杆)两端的物体沿绳方向上的速率不相同,则会导致绳(或杆)的长度发生变化,而这和题意不符.
二、处理连接体问题的基本方法
在分析和求解物理连接体问题时,首先遇到的关键之一,就是研究对象的选取问题.其方法有两种:一是隔离法,二是整体法.
1. 隔离法:将所研究的对象——包括物体、状态和某些过程,从系统或全过程中隔离出来进行研究的方法.
2. 整体法:将两个或两个以上物体组成的整个系统或整个过程作为研究对象进行分析研究的方法.
隔离法与整体法,不是相互对立的,一般问题的求解中,随着研究对象的转化,往往两种方法交叉运用,相辅相成. 所以,两种方法的取舍,并无绝对的界限,必须具体分析,灵活运用. 无论哪种方法均以尽可能避免或减少非待求量(即中间未知量,如非待求的力,非待求的中间状态或过程等)的出现为原则.
三、典例分析
例1 图1是一个横截面为半圆,半径为[R]的光滑柱面,一根不可伸长的细线两端分别系着可视为质点的物体[A、B],且[mA=2mB=2m],由图示位置从静止开始释放[A]物体,当物体[B]达到半圆顶点时,求此过程中绳的张力对物体[B]所做的功.
解析 本题要求出绳的张力对[B]做的功,关键是求出物体[B]到达圆柱顶点的动能. 由于圆柱面是光滑的,故系统的机械能守恒,系统重力势能的减少量等于系统动能的增加量.
对系统,由机械能守恒,有
[mAg⋅πR2-mBgR=12mAvA2+12mBvB2]
又由绳杆连接体的规律,有[vA=vB]
故可求出[B]在圆柱顶点时的动能为
[EKB=][12mBvB2]=[π-13mgR]
对物体[B],从最低点到圆柱面顶点过程中,由动能定理,有
[W绳-mBgR=12mBvB2-0则W绳=mBgR+12mBvB2=π+23mgR]
故物体[B]从静止开始到达半圆顶点过程中,绳的张力对物体[B]所做的功为[π+23mgR].
例2 如图2所示,质量为[m1]的物体[A]经一轻质弹簧与下方地面上的质量为[m2]的物体[B]相连,弹簧的劲度系数为[k,A、B]都处于静止状态. 一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮,一端连物体[A],另一端连一轻挂钩. 开始时各段绳都处于伸直状态,[A]上方的一段绳沿竖直方向. 现在挂钩上挂一质量为[m3]的物体[C]并从静止状态释放,已知它恰好能使[B]离开地面但不继续上升. 若将[C]换成另一个质量为([m1]+[m2])的物体[D],仍从上述初始位置由静止状态释放,则这次[B]刚离地时[D]的速度的大小是多少?已知重力加速度为[g].
解析 开始时,[A、B]物体静止,由于[A、B]经一轻质弹簧相连,弹簧被物体[A]压缩,设这时弹簧长为[x1],则有[m1g=kx1],
挂[C]并释放后,到达静止状态时,就是[B]物体要离开地面时,设弹簧伸长了[x2],则有[m2g=kx2].
[B]离开地面但不继续上升,说明[A、C]速度已为0,[A]上升的高度等于[C]下降的高度.
设此时弹簧的弹性势能为[E],对[A、B、C]以及弹簧组成的系统,由机械能守恒,有
[E+m1g(x1+x2)=m3g(x1+x2)].
[C]换成[D]后,[B]要离开地面时弹簧的弹性势能与前一次一样,设[A、C]的速度为[v],根据能量关系,得
[E+12(m1+m3)v2+12m1v2=(m1+m3)g(x1+x2)-m1g(x1+x2)]
所以有[12(2m1+m3)v2=m1g(x1+x2)].
得到[v=2m1(m1+m2)g2(2m1+m3)k.]
可见,解答机械能守恒中的绳杆连接体问题的一般步骤是:先明确研究对象(可以是某一个物体,也可以是几个物体构成的系统),然后分析研究对象在某一过程或整个过程中的受力情况和机械能是否守恒,据此由机械能守恒定律或动能定理列方程,最后求解. 此外,要抓住绳杆连接体问题的关键,合理使用隔离法和整体法.