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一道壓軸題的多種解法

 昵稱3826483 2013-12-06
一道壓軸題的多種解法
重慶市豐都中學(xué) 付紅周

  題目(重慶市“二診”題)如圖所示,C是放在光滑的水平面上的木板,質(zhì)量為3m,在木板上面有兩塊質(zhì)量均為m的小木塊A和B,它們與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ。最初木板靜止,A、B兩木塊同時(shí)以水平向右的初速度υ0和2υ0在木板上滑動(dòng),木板足夠長(zhǎng),A、B始終未滑離木板。求(1)木塊B從剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到與木板C速度剛好相等過(guò)程中,木塊B所發(fā)生的位移。(2)木塊A在整個(gè)過(guò)程中的最小速度值。

 

 

  解:(1)木塊A先做勻減速直線運(yùn)動(dòng),后做勻加速直線運(yùn)動(dòng),木塊B一直做勻減速直線運(yùn)動(dòng),木塊C做兩段加速度不同的勻加速直線運(yùn)動(dòng),直到A、B、C三者速度相同為止。對(duì)A、B、C組成的系統(tǒng),動(dòng)量守恒:

 

  

 

  解之

  對(duì)B木塊運(yùn)用動(dòng)能定理,有解得

 

  對(duì)(2)問(wèn),可采用以下幾種方法求解:

 

  方法一、用牛頓第二定律求解

 

  設(shè)木塊A在整個(gè)過(guò)程中的最小速度為υˊ,所用時(shí)間為t(指達(dá)到最小速度的時(shí)間),由牛頓第二定律:

 

  對(duì)木塊A:a1=μmg/m=μg

 

  對(duì)木塊C:a2=2μmg/3m=2μg/3

 

  當(dāng)木塊A與C速度相等時(shí),A的速度最小,因此有:υ0-μgt=2μgt/3

 

  得t=3υ0/5μg

 

  木塊A的最小速度υˊ=υ0-a1t=2υ0/5

 

  此法涉及了受力分析,牛頓第二定律等知識(shí),過(guò)程非常清楚,知道每一個(gè)木塊的具體運(yùn)動(dòng)情況,有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析物理過(guò)程的能力。

 

  方法二、用動(dòng)量守恒定律求解

 

  當(dāng)木塊A減速到與木板C速度剛好相等時(shí),A的速度最小。設(shè)最小速度為υ,則B的速度為υ+υ0

 

  由動(dòng)量守恒定律有:

 

  3mυ0=mυ+3mυ+m(υ+υ0

 

  得υ=2υ0/5

 

  此方法只考慮初始狀態(tài)和A的速度最小這一末狀態(tài),不涉及中間的具體細(xì)節(jié)體現(xiàn)動(dòng)量守恒定律解題的優(yōu)越性。

 

  方法三、用動(dòng)量定理求解

 

  設(shè)木塊A在整個(gè)過(guò)程中的最小速度為υ達(dá)到υ時(shí)的時(shí)間為t,對(duì)A:μmgt=mυ0-mυ……①

 

    對(duì)C:2μmgt=3mυ……②

 

    由①/②得υ=2υ0/5

 

  此方法用了動(dòng)量定理,涉及了力的時(shí)間累積效果,即沖量與動(dòng)量變化的關(guān)系,雖然涉及了過(guò)程,但相對(duì)較簡(jiǎn)單。

 

  方法四、用動(dòng)能定理求解

 

  對(duì)木塊A:μ……①

 

  ……②

 

  對(duì)C有:……③

 

  ……④

 

  ……⑤

 

  聯(lián)立①---⑤解得

 

  此方法用了能量的觀點(diǎn)解題,過(guò)程雖然復(fù)雜,但知道了能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程,功和能量變化的關(guān)系,以及勻變速直線運(yùn)動(dòng)中位移和時(shí)間的關(guān)系。也不失為一種方法。

 

  此題解法涉及力學(xué)中的多種知識(shí),學(xué)生可以通過(guò)多種渠道解出正確答案,通過(guò)一題多解,發(fā)散了思維,培養(yǎng)了學(xué)生的解題能力。

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