例5 下列说法正确的是( )
A.合外力对质点做的功为零,则质点的动能、动量都不变
B.合外力对质点施的冲量不为零,则质点动量必将改变,动能也一定变
C.某质点受到合力不为零,其动量、动能都改变
D.某质点的动量、动能都改变,它所受到的合外力一定不为零。
「错解」错解一:因为合外力对质点做功为零,据功能定理有△EA=0,因为动能不变,所以速度V不变,由此可知动量不变。故A正确。
错解二:由于合外力对质点施的冲量不为零,则质点动量必将改变,V改变,动能也就改变。故B正确。
「错解原因」形成上述错解的主要原因是对速度和动量的矢量性不理解。对矢量的变化也就出现理解的偏差。矢量发生变化时,可以是大小改变,也可能是大小不改变,而方向改变。这时变化量都不为零。而动能则不同,动能是标量,变化就一定是大小改变。所以△Ek=0只能说明大小改变。而动量变化量不为零就有可能是大小改变,也有可能是方向改变。
「分析解答」本题正确选项为D.
因为合外力做功为零,据动能定理有△Ek=0,动能没有变化,说明速率无变化,但不能确定速度方向是否变化,也就不能推断出动量的变化量是否为零。故A错。合外力对质点施冲量不为零,根据动量定理知动量一定变,这既可以是速度大小改变,也可能是速度方向改变。若是速度方向改变,则动能不变。故B错。同理C选项中合外力不为零,即是动量发生变化,但动能不一定改变,C选项错。D选项中动量、动能改变,根据动量定量,冲量一定不为零,即合外力不为零。故D正确。
「评析」对于全盘肯定或否定的判断,只要找出一反例即可判断。要证明它是正确的就要有充分的论据。
例6 物体m从倾角为α的固定的光滑斜面由静止开始下滑,斜面高为h,当物体滑至斜面底端,重力做功的瞬时功率为( )
「错解」错解一:因为斜面是光滑斜面,物体m受重力和支持。支持不
错解二:物体沿斜面做v0=0的匀加速运动a=mgsina
故选B.
「错解原因」错解一中错误的原因是没有注意到瞬时功率P=Fvcosθ。
只有Fv同向时,瞬时功率才能等于Fv,而此题中重力与瞬时速度V不是同方向,所以瞬时功率应注意乘上F,v夹角的余弦值。
错解二中错误主要是对瞬时功率和平均功率的概念不清楚,将平均功率当成瞬时功率。
「分析解答」由于光滑斜面,物体m下滑过程中机械能守恒,滑至底端
F、v夹角θ为90°-α
故C选项正确。
「评析」求解功率问题首先应注意求解的是瞬时值还是平均值。如果求瞬时值应注意普遍式P=Fv.cosθ(θ为F,v的夹角)当F,v有夹角时,应注意从图中标明。
例7 一列火车由机车牵引沿水平轨道行使,经过时间t,其速度由0增大到v.已知列车总质量为M,机车功率P保持不变,列车所受阻力f为恒力。求:这段时间内列车通过的路程。
「错解」以列车为研究对象,水平方向受牵引力和阻力f.
据P=F.V可知牵引力
F=P/v ①
设列车通过路程为s,据动能定理有
「错解原因」以上错解的原因是对P=F.v的公式不理解,在P一定的情况下,随着v的变化,F是变化的。在中学阶段用功的定义式求功要求F是恒力。
「分析解答」以列车为研究对象,列车水平方向受牵引力和阻力。设列车通过路程为s.据动能定理
「评析」发动机的输出功率P恒定时,据P=F.V可知v变化,F就会发生变化。牵动ΣF,a变化。应对上述物理量随时间变化的规律有个定性的认识。下面通过图象给出定性规律。(见图3-12所示)
例8 如图3-13,质量分别为m和2m的两个小球A和B,中间用轻质杆相连,在杆的中点O处有一固定转动轴,把杆置于水平位置后释放,在B球顺时针摆动到最低位置的过程中( )
A.B球的重力势能减少,动能增加,B球和地球组成的系统机械能守恒B.A球的重力势能增加,动能也增加,A球和地球组成的系统机械能不守恒。
C.A球、B球和地球组成的系统机械能守恒
D.A球、B球和地球组成的系统机械不守恒
「错解」B球下摆过程中受重力、杆的拉力作用。拉力不做功,只有重力做功,所以B球重力势能减少,动能增加,机械能守恒,A正确。
同样道理A球机械能守恒,B错误,因为A,B系统外力只有重力做功,系统机械能守恒。故C选项正确。
「错解原因」 B球摆到最低位置过程中,重力势能减少动能确实增加,但不能由此确定机械能守恒。错解中认为杆施的力沿杆方向,这是造成错解的直接原因。杆施力的方向并不总指向沿杆的方向,本题中就是如此。杆对A,B球既有沿杆的法向力,也有与杆垂直的切向力。所以杆对A,B球施的力都做功,A球、B球的机械能都不守恒。但A+B整体机械能守恒。
「分析解答」B球从水平位置下摆到最低点过程中,受重力和杆的作用力,杆的作用力方向待定。下摆过程中重力势能减少动能增加,但机械能是否守恒不确定。A球在B下摆过程中,重力势能增加,动能增加,机械能增加。由于A+B系统只有重力做功,系统机械能守恒,A球机械能增加,B球机械能定减少。所以B,C选项正确。
「评析」有些问题中杆施力是沿杆方向的,但不能由此定结论,只要杆施力就沿杆方向。本题中A、B球绕O点转动,杆施力有切向力,也有法向力。其中法向力不做功。杆对B球施的力对B球的做负功。杆对A球做功为正值。A球机械能增加,B球机械能减少。
例9 质量为m的钢板与直立轻弹簧的上端连接,弹簧下端固定在地上。平衡时,弹簧的压缩量为x0,如图3-15所示。物块从钢板正对距离为3X0的A处自由落下,打在钢板上并立刻与钢板一起向下运动,但不粘连,它们到达最低点后又向上运动。已知物体质量也为m时,它们恰能回到O点,若物块质量为2m,仍从A处自由落下,则物块与钢板回到O点时,还具有向上的速度,求物块向上运动到最高点与O点的距离。
「错解」物块m从A处自由落下,则机械能守恒
设钢板初位置重力势能为0,则
之后物块与钢板一起以v0向下运动,然后返回O点,此时速度为0,运动过程中因为只有重力和弹簧弹力做功,故机械能守恒。
2m的物块仍从A处落下到钢板初位置应有相同的速度v0,与钢板一起向下运动又返回机械能也守恒。返回到O点速度不为零,设为V则:
因为m物块与2m物块在与钢板接触时,弹性势能之比
2m物块与钢板一起过O点时,弹簧弹力为0,两者有相同的加速度g.之后,钢板由于被弹簧牵制,则加速度大于g,两者分离,2m物块从此位置以v为初速竖直上抛上升距离
「错解原因」这是一道综合性很强的题。错解中由于没有考虑物块与钢板碰撞之后速度改变这一过程,而导致错误。另外在分析物块与钢板接触位置处,弹簧的弹性势能时,也有相当多的人出错,两个错误都出时,会发现无解。这样有些人就返回用两次势能相等的结果,但并未清楚相等的含义。
「分析解答」物块从3x0位置自由落下,与地球构成的系统机械能守恒。则有
v0为物块与钢板碰撞时的的速度。因为碰撞板短,内力远大于外力,钢板与物块间动量守恒。设v1为两者碰撞后共同速
mv0=2mv1 (2)
两者以vl向下运动恰返回O点,说明此位置速度为零。运动过程中机械能守恒。设接触位置弹性势能为Ep,则
同理2m物块与m物块有相同的物理过程
碰撞中动量守恒2mv0=3mv2 (4)
所不同2m与钢板碰撞返回O点速度不为零,设为v则
因为两次碰撞时间极短,弹性形变未发生变化
Ep=E‘p (6)
由于2m物块与钢板过O点时弹力为零。两者加速度相同为g,之后钢板被弹簧牵制,则其加速度大于g,所以与物块分离,物块以v竖直上抛。
「评析」本题考查了机械能守恒、动量守恒、能量转化的。守恒等多个知识点。是一个多运动过程的问题。关键问题是分清楚每一个过程。建立过程的物理模型,找到相应解决问题的规律。弹簧类问题,画好位置草图至关重要。
参考练习:如图3-16所示劲度系数为k1的轻质弹簧分别与质量为m1,m2的物体1,2,栓接系数为k2的轻弹簧上端与物体2栓接,下端压在桌面上(不栓接)。整个系统处于平衡状态,现施力将物体1缓慢地竖直上提,直到下面那个弹簧的下端刚脱离桌面,在此过程中,物体2的重力势能增大了多少?物体1的重力势能增大了多少?
提示:此题隐含的条件很多,挖掘隐含条件是解题的前提。但之后,必须有位置变化的情景图如图3-17.才能确定1,2上升的距离,请读者自行解答。