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。”“末态机械能e末:a和b的共同动能+ 弹簧的弹性势能”“弹簧弹性势能:(1/2)k x?2”“机械能损失:Δe = e初 - e末 = v?2 - [ (2/3) v?2 + (1/2)k x?2 ] = (1/3) v?2 - (1/2)k x?2” “这部分损失的能量,去哪儿了?”凌凡引导。
“变成内能了!摩擦力生热!”赵鹏回答。 “对!相对”。赵鹏补充。之间的正压力。?不对!”凌凡立刻纠正,“a和b之间的正压力,对于b来说,就是a对b的支持力,大小等于b的重力2g?但a在水平面上,竖直方向平衡,所以a对b的支持力确实等于b的重力2g。的位移。从b接触a,到ab共速,b相对于地面向右运动了s_b,a相对于地面也向右运动了s_a,那么b相对于a的位移s相对= s_b - s_a。”
“所以我们换个思路!”凌凡早有准备,“我们不对系统用功能原理,而是对单个物体用动能定理!往往更简单!” “对物体b分析!”示意图,“b受到向左的摩擦力f滑= μ2g。”始到共速,b的动能变化:Δek_b= (1/2)2(v共)2 - (1/2)2v?2 = (4/9 v?2) - v?2 = (-5/9) v?2” (减少) “根据动能定理,合外力对b做的功等于b动能的变化。这个合外力就是摩擦力(负功)。”对地的位移) “即:μ2g s_b = (5/9) v?2 => s_b = (5 v?2) / (18 μg)”
“对物体a分析!”受到向右的摩擦力f滑 = μ2g(作用力与反作用力)和向左的弹簧弹力f弹(是个变力,从0增大到k x?)。”始到共速,a的动能变化:Δek_a= (1/2)(v共)2 - 0 = (1/2)(4/9 v?2) = (2/9) v?2” (增加) “根据动能定理,合外力对a做的功等于a动能的变化。摩擦力做功(正功) + 弹力做功(负功)。”“弹力做功:w弹 = - (1/2)k x?2” (弹力做负功,大小等于弹性势能增加量) “所以:μ2g s_a - (1/2)k x?2 = Δek_a = (2/9) v?2” (1)式
“现在我们有两个方程,但有三个未知数:s_a, s_b, x?。还差一个关系。”凌凡看着赵鹏。 赵鹏皱着眉头,忽然灵光一闪:“弹簧的压缩量x?!不就是a相对于墙的位移吗?静止开始向右运动的,所以s_a = x?对不对?因为墙没动!”
“太对了!”凌凡用力一拍赵鹏的肩膀,“关键点!对于一端固定的弹簧,物体的位移就等于弹簧的形变量!
“代入(1)式:”“而我们之前由b的动能定理得到了:s_b = (5 v?2) / (18 μg)”还知道相对位移:s相对 = s_b - s_a = s_b - x?”“另一方面,系统机械能损失 Δe= (1/3) v?2 - (1/2)k x?2”能量守恒,Δe= q”“化简,两边同时除以:”“整理方程:”“两边乘以18以消去分母:”“这就是关于x?的一元二次方程,解之即可得到x?。”
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虽然最后需要解方程,但整个思路完全规避了复杂的动力学过程,只用了动量守恒、动能定理和能量守恒观念!
“哇……”赵鹏看着凌凡流畅的推导,虽然最后方程有点复杂,但每一步的物理意义都非常清晰,不禁发出惊叹,“……好像…