物理解題中輕質(zhì)物體模型特性的運(yùn)用研究

◇ 甘肅 楊得春

物理解題中輕質(zhì)物體模型特性的運(yùn)用研究

◇ 甘肅 楊得春

輕質(zhì)物體是高中物理中常見的模型,所以要對其力學(xué)性質(zhì)做到充分的了解和認(rèn)識,才能很好地應(yīng)用到解題中.

1 輕質(zhì)物體的特征分析

1.1 受力特征

按照牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律公式F合＝ma,當(dāng)m＝0時(shí),F合也等于0.也就是說輕質(zhì)物體無論在哪種情況下,其所受到的合力必須為0,即使輕質(zhì)物體同其他物體一起加、減速運(yùn)動(dòng),它所受到的合力依然為0.

1.2 運(yùn)動(dòng)特性

因?yàn)檩p質(zhì)物體本身是沒有質(zhì)量的,所以根據(jù)牛頓第二定律公式F合＝ma可知,加速度a可以是任意值,也就是說其速度可以在瞬間發(fā)生突變.但是在實(shí)際解題中,輕質(zhì)物體往往都是同其他物體接觸的,所以其速率也與其他物體一樣.因此,它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是與隨之一起運(yùn)動(dòng)的物體相同的,變化也會隨著其他物體而發(fā)生改變.

2 輕質(zhì)物體模型特性的例題解析

為了更直觀地表現(xiàn)在物理解題中輕質(zhì)物體模型的特性所發(fā)揮的積極作用,下面將利用一道典型的考題進(jìn)行詳細(xì)講解和說明.

例1如圖1所示,為某一緩沖裝置的模型,從圖中可以看出,它是由足夠勁度系數(shù)的輕質(zhì)彈簧和輕桿相互連接的,輕桿可以在槽內(nèi)來回移動(dòng),它與槽產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力大小恒為Ff.當(dāng)輕桿在不超過l向右移動(dòng)的時(shí)候,該裝置可以正常工作.另有一輛質(zhì)量為m的車以v0的速度撞在了彈簧上,這使得輕桿又向右移動(dòng)了l/4的距離.輕桿同槽的最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力大小一樣,忽略車和底面的摩擦.

(1)如果輕質(zhì)彈簧的勁度系數(shù)是k,那么輕桿移動(dòng)時(shí)彈簧的壓縮量x應(yīng)該是多少?

(2)在保證該裝置安全工作的前提下,車輛撞擊的最大速度vmax允許值為多少?

分析這是一道典型的關(guān)于彈簧能量的題型,要解決這個(gè)問題首先需弄清楚彈簧的始末狀態(tài)是怎樣的.在車輛第一次接觸到彈簧時(shí),其保持在原來長度,車輛撞上彈簧而壓縮了彈簧,當(dāng)它的彈力在達(dá)到輕桿的最大摩擦力時(shí),輕桿就會開始移動(dòng),而這之后彈簧的形變量又是否會發(fā)生變化呢?

因而,在解這種題型時(shí),如果沒有清楚地認(rèn)識到輕質(zhì)物體的兩大特性,就可能產(chǎn)生這樣的誤區(qū):這個(gè)時(shí)候,車輛的速度大于輕桿的速度,彈簧肯定會產(chǎn)生形變,直至車輛與輕桿的速度達(dá)到一致時(shí).如果是這樣理解,就不能得出正確的解答了.

如果掌握了輕質(zhì)物體的受力特性F合＝0,就可以得出:彈簧的彈力始終要同輕桿的摩擦力一樣,也就是F彈＝Ff,彈簧的彈力不變的話,其形變量也不會改變.而針對輕桿速度比車輛慢的問題,可以作這樣的解釋:因?yàn)檩p桿是輕質(zhì)物體,按照它的運(yùn)動(dòng)特性分析,其速度能夠和車輛變成一樣,這也進(jìn)一步證明了彈簧的彈力不變,其形變量也就不會改變的結(jié)論了.同理,車輛以最大的速度撞擊彈簧時(shí),彈簧的始末狀態(tài)和第一次撞擊時(shí)一樣.因此,2次在車輛接近時(shí)彈簧的始末狀態(tài)一樣,其彈力做功也完全一致.

解(1)因?yàn)檩p桿所受的彈力和摩擦力是相等的,而且只有當(dāng)摩擦力同它的最大靜摩擦力相同時(shí),輕桿才會移動(dòng),所以

(2)在車輛第1次接近時(shí),根據(jù)動(dòng)能定理可推出

車輛第2次接近彈簧過程可以推出

聯(lián)立2個(gè)公式可得出允許最大速度

掌握了輕質(zhì)物體的2種特性,可以有效幫助理清解題的思路,開拓學(xué)生的思維,因此需要在教學(xué)中加強(qiáng)培養(yǎng)模型意識,有效提高學(xué)生的解題水平.

(作者單位:甘肅省民勤縣第四中學(xué))