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第93章 给赵鹏讲题:如何用能量观点巧解难题(1 / 3)

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,另一端与质量为的物体a相连,a置于光滑水平面上。另一质量为2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?。共同体向右运动的最大距离x_ax。

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。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!”

“bgo!”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。”动量:只有b有动量,p初 = 2 v?”“末态动量:(+ 2) v共 = 3 v共”

“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

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