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在对一些动态平衡问题或变力做功问题分析时,某些动点或相关物理量与圆锥曲线的规律相符,在做定性分析的时候如能巧妙运用,对解题能有较大的帮助.下面以我们常见的几道题目为例,作一些探讨和思考.
例1如图1所示,一根不可伸长的轻绳两端分别固定在A、B点,玩具小娃娃上面带一个小夹子,开始时用夹子将玩具娃娃固定在图示位置,AO段绳水平,OB段绳与水平方向的夹角为45°.现将夹子向左移动一小段距离,移动后玩具仍处于静止状态,关于AO、OB段绳中的拉力,下列说法正确的是
A.移动前,AO段绳中的拉力等于玩具所受的重力
B.移动前,AO段绳中的拉力小于玩具所受的重力
C.移动后,OB段绳中拉力的竖直分量不变
D.移动后,OB段绳中拉力的竖直分量变小
解析A、B两项的分析略.C、D选项的难点在于移动后绳子的位置情况,夹子作为结点,各段绳中张力不一定相等.注意到A、B两悬点距离一定,AOB绳长一定,故结点O在绳上移动时其轨迹是一椭圆,如图2所示.如果O向A移动,则AO段和OB段绳调整后如图2中AO、OB所示.可见,AO段绳不再水平,对结点O有斜向上的拉力,OB段绳中拉力的竖直分量小于玩具的重力.故此题答案为A、D.
例2如图3所示,xpy为直角支架,杆xp、绳aO均水平,绳bO与水平方向夹角为60°.如果在竖直平面内使支架沿顺时针缓慢转动至杆yp水平,始终保持aO、bO两绳间的夹角120°不变.在转动过程中,设绳aO的拉力Fa、绳bO的拉力Fb,则下面说法中正确的是
A. Fa先减小后增大B. Fa先增大后减小
C. Fb逐渐减小D. Fb最终变为零
解析本题的解法较多,作为选择题,可以分别计算整个装置从图示位置分别转30°、60°、90°的三种特殊位置下的Fa、Fb,很容易比较出选项结果.
还可以结点O为研究对象,分析受力情况,作出两个绳拉力的合力,此合力与重力大小相等、方向相反,则知两个绳拉力的合力保持不变,作出多个不同位置力的合成图,如图4所示.由图看出,Fa先增大后减小,Fb逐渐减小,Fb最终变为零.故A错误,B、C、D正确.
本题如果用圆内接三角形性质去分析,则显得更为全面.由于物体保持平衡状态,因此Oa绳上的拉力Fa、Ob绳上的拉力Fb和物体的重力G,构成闭合三角形△Oac,Oc为定值且所对的角始终是60°,因此a点的轨迹在△Oac的外接圆上,如图5所示.从图中显然看出ac或Oa2为圆的直径,分别对应Ob绳和Oa绳的最大值.在Oa、Ob同时顺时针旋转过程中,因为两绳之间的夹角保持不变,也就是说当a点沿圆弧向c点移动过程中Oa绳的拉力先增大后减小;Ob绳拉力是逐渐减小到零.
例3如图6所示,用竖直向下的恒力F通过跨过光滑定滑轮的细线拉动光滑水平面上的物体,物体沿水平面移动过程中经过A、B、C三点,设AB=BC,物体经过A、B、C三点时的动能分别为EkA,EkB,EkC,则它们间的关系应是
A.EkB-EkA=EkC-EkBB.EkB-EkA C.EkB-EkA>EkC-EkBD.EkC<2EkB
解析从A到B和B到C的过程中,因为AB=BC,根据几何关系知在AB段沿恒力F方向绳子收缩的长度大,则恒力F做功大,而恒力F所做的功等于物体动能的变化,所以A到B过程动能的变化大于B到C动能的变化.故C正确,A、B错误.因为EkB-EkA>EkC-EkB,所以EkC<2EkB-EkA.则EkC<2EkB,故D正确.
笔者在和多位老师探讨的过程中发现,由几何关系去比较这两个过程的绳子收缩长度还是颇有困难的,在这个细节问题的讲解上我们基本是一带而过,分析不足.不妨换个角度去分析,如图7所示,设滑轮到物体的绳长为y,物体到滑轮的水平距离为x,滑轮高度为h.
y2-x2=h2,作出该双曲线的图象如图8所示,它的渐近线方程是y=±x,根据双曲线的性质:一、当x非常大时,Δy=Δx,这跟α趋向零时即绳水平时的极限情形一致;二、由双曲线图象看出,当x减小时,切线斜率减小,即Δx相等的情况下,Δy2<Δy1,显然在AB段沿恒力F方向绳子收缩的长度大,问题解决.
综上所述,在解决这类问题时,关键在于详细分析,挖掘题中变量与不变量的联系,构建合适的数学模型,弄清我们要讨论的物理量在该模型下是如何呈现和变化的.
例1如图1所示,一根不可伸长的轻绳两端分别固定在A、B点,玩具小娃娃上面带一个小夹子,开始时用夹子将玩具娃娃固定在图示位置,AO段绳水平,OB段绳与水平方向的夹角为45°.现将夹子向左移动一小段距离,移动后玩具仍处于静止状态,关于AO、OB段绳中的拉力,下列说法正确的是
A.移动前,AO段绳中的拉力等于玩具所受的重力
B.移动前,AO段绳中的拉力小于玩具所受的重力
C.移动后,OB段绳中拉力的竖直分量不变
D.移动后,OB段绳中拉力的竖直分量变小
解析A、B两项的分析略.C、D选项的难点在于移动后绳子的位置情况,夹子作为结点,各段绳中张力不一定相等.注意到A、B两悬点距离一定,AOB绳长一定,故结点O在绳上移动时其轨迹是一椭圆,如图2所示.如果O向A移动,则AO段和OB段绳调整后如图2中AO、OB所示.可见,AO段绳不再水平,对结点O有斜向上的拉力,OB段绳中拉力的竖直分量小于玩具的重力.故此题答案为A、D.
例2如图3所示,xpy为直角支架,杆xp、绳aO均水平,绳bO与水平方向夹角为60°.如果在竖直平面内使支架沿顺时针缓慢转动至杆yp水平,始终保持aO、bO两绳间的夹角120°不变.在转动过程中,设绳aO的拉力Fa、绳bO的拉力Fb,则下面说法中正确的是
A. Fa先减小后增大B. Fa先增大后减小
C. Fb逐渐减小D. Fb最终变为零
解析本题的解法较多,作为选择题,可以分别计算整个装置从图示位置分别转30°、60°、90°的三种特殊位置下的Fa、Fb,很容易比较出选项结果.
还可以结点O为研究对象,分析受力情况,作出两个绳拉力的合力,此合力与重力大小相等、方向相反,则知两个绳拉力的合力保持不变,作出多个不同位置力的合成图,如图4所示.由图看出,Fa先增大后减小,Fb逐渐减小,Fb最终变为零.故A错误,B、C、D正确.
本题如果用圆内接三角形性质去分析,则显得更为全面.由于物体保持平衡状态,因此Oa绳上的拉力Fa、Ob绳上的拉力Fb和物体的重力G,构成闭合三角形△Oac,Oc为定值且所对的角始终是60°,因此a点的轨迹在△Oac的外接圆上,如图5所示.从图中显然看出ac或Oa2为圆的直径,分别对应Ob绳和Oa绳的最大值.在Oa、Ob同时顺时针旋转过程中,因为两绳之间的夹角保持不变,也就是说当a点沿圆弧向c点移动过程中Oa绳的拉力先增大后减小;Ob绳拉力是逐渐减小到零.
例3如图6所示,用竖直向下的恒力F通过跨过光滑定滑轮的细线拉动光滑水平面上的物体,物体沿水平面移动过程中经过A、B、C三点,设AB=BC,物体经过A、B、C三点时的动能分别为EkA,EkB,EkC,则它们间的关系应是
A.EkB-EkA=EkC-EkBB.EkB-EkA
解析从A到B和B到C的过程中,因为AB=BC,根据几何关系知在AB段沿恒力F方向绳子收缩的长度大,则恒力F做功大,而恒力F所做的功等于物体动能的变化,所以A到B过程动能的变化大于B到C动能的变化.故C正确,A、B错误.因为EkB-EkA>EkC-EkB,所以EkC<2EkB-EkA.则EkC<2EkB,故D正确.
笔者在和多位老师探讨的过程中发现,由几何关系去比较这两个过程的绳子收缩长度还是颇有困难的,在这个细节问题的讲解上我们基本是一带而过,分析不足.不妨换个角度去分析,如图7所示,设滑轮到物体的绳长为y,物体到滑轮的水平距离为x,滑轮高度为h.
y2-x2=h2,作出该双曲线的图象如图8所示,它的渐近线方程是y=±x,根据双曲线的性质:一、当x非常大时,Δy=Δx,这跟α趋向零时即绳水平时的极限情形一致;二、由双曲线图象看出,当x减小时,切线斜率减小,即Δx相等的情况下,Δy2<Δy1,显然在AB段沿恒力F方向绳子收缩的长度大,问题解决.
综上所述,在解决这类问题时,关键在于详细分析,挖掘题中变量与不变量的联系,构建合适的数学模型,弄清我们要讨论的物理量在该模型下是如何呈现和变化的.