寒假闭关的时光枯燥却充实,凌凡感觉自已的物理知识体系日益坚固,对能量、动量这些新观念的理解也愈发深刻。然而,真正的掌握,不仅在于自已能解出多难的题,更在于能否将复杂的思路清晰地传达给别人,并让对方理解。这个机会,在新学期开学不久后,便由他的“开山大弟子”赵鹏送上门来。
一个课间,赵鹏哭丧着脸,拿着一本厚厚的物理练习册蹭到凌凡旁边,指着一道画满了各种力、看起来异常复杂的题目。
“凡哥!救命啊!这道题我做了一晚上,头发都快薅秃了!用牛顿定律解,受力分析搞得我想死,方程列了一堆,根本解不出来!”赵鹏的声音充满了绝望。
凌凡接过练习册,题目如下:
【题目】:如图,一轻弹簧一端固定于墙面,另一端与质量为m的物体A相连,A置于光滑水平面上。另一质量为2m的物体B以初速度v?冲向A。已知弹簧劲度系数为k,且B与A之间的摩擦因数为μ。假设B与A接触后能共同运动(即不分离)。求: (1)B与A刚达到共同速度时,弹簧的压缩量x?。 (2)AB共同体向右运动的最大距离x_max。
凌凡快速扫题。涉及碰撞(可能非弹性)、弹簧、摩擦力、共同运动……过程复杂。若用牛顿定律,需要分析A、B各自的受力(弹簧弹力、相互摩擦力)、加速度变化,这确实是场噩梦,需要列出微分方程,远超高中范围。
但他嘴角却露出一丝微笑。这道题,简直是为他量身定做的,用来展示能量观点和动量观点在处理复杂过程时化繁为简的威力!
“鹏啊,”凌凡放下练习册,看着赵鹏,“你掉进‘牛顿定律’的陷阱里了。这道题,谁用牛顿定律谁傻。来,今天哥教你点高级的——能量观和动量观。”
赵鹏眼睛一亮,立刻搬来椅子,拿出小本本,一副虔诚听讲的模样。
“首先,建模。”凌凡拿起笔,在草稿纸上画图,“对象:A和B。环境:光滑水平面(无摩擦)、弹簧、B和A之间有滑动摩擦。过程:B撞A,然后一起运动压缩弹簧。”
“整个过程很复杂,但我们不关心细节。我们只关心几个关键的状态和整个系统的能量、动量变化。这就是能量和动量观点的精髓——绕过过程细节,直击首尾状态。”
“先看第(1)问:求B与A刚达到共同速度时,弹簧的压缩量x?。”凌凡圈出“刚达到共同速度”这几个字。 “‘刚达到共同速度’意味着什么?意味着碰撞过程刚刚结束!B和A获得了相同的速度,但此时弹簧可能已经被压缩了一点(x?≠0)。” “这个过程,从B接触A开始,到两者共速结束。在这个过程中,系统(A+B)水平方向受外力吗?”凌凡提问。
赵鹏仔细看:“墙对弹簧的拉力?……哦!弹簧是轻弹簧,墙对弹簧的拉力是内力!水平方向无外力!所以……系统动量守恒!”
“Bingo!”凌凡赞赏地点头,“所以,对于第(1)问,从开始到共速,我们首先用动量守恒定律!” “设共同速度为v共。” “初态动量:只有B有动量,p初 = 2m * v?” (设向右为正) “末态动量:(m+ 2m) * v共 = 3m v共” “列方程:2m v?= 3m v共 => v共 = (2/3)v?”
“看,一步到位,求出了共同速度。”凌凡轻松地说。 “但是……这还没完,问的是弹簧压缩量x?啊?”赵鹏疑惑道。
“别急。”凌凡老神在在,“动量守恒只给了我们速度关系。现在,关注能量。从B接触A开始,到两者共速结束,这个过程能量守恒吗?”
赵鹏思考:“有滑动摩擦力!B和A之间有相对滑动,摩擦力做功,肯定有机械能损失!所以机械能不守恒。”
“非常对!”凌凡肯定道,“所以,我们不能用机械能守恒。但是,我们可以用能量转化和守恒的普遍观点!或者说,用功能关系!” “在这个过程中,系统总机械能的减少量,等于摩擦力克服相对滑动所做的功(转化为内能)。” “我们来计算一下。” “初态机械能E初:只有B的动能,(1/2)2mv?2 = m v?2” “末态机械能E末:A和B的共同动能+ 弹簧的弹性势能” “共同动能:(1/2)3m(v共)2 = (1/2)3m(4/9 v?2) = (2/3)m v?2” (代入v共=(2/3)v?) “弹簧弹性势能:(1/2)k x?2” “所以 E末= (2/3)m v?2 + (1/2)k x?2” “机械能损失:ΔE = E初 - E末 = m v?2 - [ (2/3)m v?2 + (1/2)k x?2 ] = (1/3)m v?2 - (1/2)k x?2” “这部分损失的能量,去哪儿了?”凌凡引导。
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