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例题如图1所示,滑块A置于水平面上与动滑轮相连,一根轻绳绕过两滑轮后固定在C点,动滑轮下方的轻绳水平,当以速度v拉绳头时,滑块A沿水平面向右运动,求当轻绳BD与水平面夹角为α时,则物体A运动的速度是多大?
分析该题属于牵引类问题,由于题目中细绳与动滑轮有夹角,因此要正确找出速度之间的关系并不容易.
解法一运动的合成与分解
根据牵引类问题的特点,任何时刻绳BD段上各点沿绳的速度均与绳头速度v相同.令滑块A向右移动的速度为vA,由轻绳的运动特点可知,相对于滑块A,绳上的B点是以速度vA从动滑轮中抽出的,即满足vBA=v(1)
根据运动的合成,在沿绳BD方向上,B点的速度应是该点相对于滑块A的速度vA与滑块A相对于静止细绳的速度vAcosα的合速度,即
v=vBA vAcosα(2)
由(1)、(2)可得vA=v1 cosα(3)
该种解法虽然过程比较简单,但需要在抓住轻绳运动特点的基础上,灵活地选取参考系来解决问题,对学生的能力要求较高.
解法二图像法
令在Δt(Δt→0)时间内接触点B运动至B′(如图2所示),由于时间很短,因此该过程可近似看成匀速直线运动,故
BB′=vAΔt(1)
作B′E⊥BD,由于Δt很小,因此BE的长度可认为是该过程动滑轮上方轻绳收缩的长度,即
BE≈Δl1(2)
而动滑轮下方轻绳收缩的长度为
Δl2=BB′(3)
由(2)、(3)可得(BE BB′)=Δl=vΔt(4)
在ΔBB′E中,满足BE=BB′cosα(5)
将(1)、(5)式代入(4)式可得
vAΔtcosα vAΔt=vΔt,
即vA=v1 cosα(6)
该种方法通过微分的思想研究对象在元过程中的运动特点,再结合图像找出速度之间的具体关系,虽然过程稍显复杂,但这种方法在物理竞赛中是十分常用的.
解法三以动滑轮为研究对象
在本题中,可以将动滑轮看作是一个在绳上做无滑滚动的刚体,根据刚体运动的处理方法,选择动滑轮的中心O为参考点,将滑轮上B点的运动看成是滑轮中心O的平动与B点绕O点转动的合运动,令滑轮半径为R,滑轮中心O的速度为vO,B点相对于O点转动的角速度为ω(如图3所示)
由于B点沿绳方向上的速度应与绳头相同,故满足
vOcosα ωR=v(1)
又因为滑轮相对于绳作无滑滚动(如图4所示),所以满足
ωR=vO(2)
滑块速度与滑轮速度相同,即vA=vO(3)
由(1)、(2)、(3)式可得vA=v1 cosα.
在大多数问题中,轻质滑轮往往作为连接物的媒介,一般不作为研究的对象,但该种解法创新地将动滑轮作为研究对象,结合刚体运动的特点,巧妙地找出了速度之间的关系.因此大胆开拓思路,灵活选取研究对象往往可以起到意向不到的效果,这也是物理竞赛所需要的一种能力.
分析该题属于牵引类问题,由于题目中细绳与动滑轮有夹角,因此要正确找出速度之间的关系并不容易.
解法一运动的合成与分解
根据牵引类问题的特点,任何时刻绳BD段上各点沿绳的速度均与绳头速度v相同.令滑块A向右移动的速度为vA,由轻绳的运动特点可知,相对于滑块A,绳上的B点是以速度vA从动滑轮中抽出的,即满足vBA=v(1)
根据运动的合成,在沿绳BD方向上,B点的速度应是该点相对于滑块A的速度vA与滑块A相对于静止细绳的速度vAcosα的合速度,即
v=vBA vAcosα(2)
由(1)、(2)可得vA=v1 cosα(3)
该种解法虽然过程比较简单,但需要在抓住轻绳运动特点的基础上,灵活地选取参考系来解决问题,对学生的能力要求较高.
解法二图像法
令在Δt(Δt→0)时间内接触点B运动至B′(如图2所示),由于时间很短,因此该过程可近似看成匀速直线运动,故
BB′=vAΔt(1)
作B′E⊥BD,由于Δt很小,因此BE的长度可认为是该过程动滑轮上方轻绳收缩的长度,即
BE≈Δl1(2)
而动滑轮下方轻绳收缩的长度为
Δl2=BB′(3)
由(2)、(3)可得(BE BB′)=Δl=vΔt(4)
在ΔBB′E中,满足BE=BB′cosα(5)
将(1)、(5)式代入(4)式可得
vAΔtcosα vAΔt=vΔt,
即vA=v1 cosα(6)
该种方法通过微分的思想研究对象在元过程中的运动特点,再结合图像找出速度之间的具体关系,虽然过程稍显复杂,但这种方法在物理竞赛中是十分常用的.
解法三以动滑轮为研究对象
在本题中,可以将动滑轮看作是一个在绳上做无滑滚动的刚体,根据刚体运动的处理方法,选择动滑轮的中心O为参考点,将滑轮上B点的运动看成是滑轮中心O的平动与B点绕O点转动的合运动,令滑轮半径为R,滑轮中心O的速度为vO,B点相对于O点转动的角速度为ω(如图3所示)
由于B点沿绳方向上的速度应与绳头相同,故满足
vOcosα ωR=v(1)
又因为滑轮相对于绳作无滑滚动(如图4所示),所以满足
ωR=vO(2)
滑块速度与滑轮速度相同,即vA=vO(3)
由(1)、(2)、(3)式可得vA=v1 cosα.
在大多数问题中,轻质滑轮往往作为连接物的媒介,一般不作为研究的对象,但该种解法创新地将动滑轮作为研究对象,结合刚体运动的特点,巧妙地找出了速度之间的关系.因此大胆开拓思路,灵活选取研究对象往往可以起到意向不到的效果,这也是物理竞赛所需要的一种能力.