在圆周的外轨道编制力学习题时,有时会设计出一些不可能发生的物理过程。下面通过两题展示一下这类试题的出错原因。
1.如图 1a所示,光滑圆弧轨道BCD半径R=50cm,与光滑轨道PAB平滑连接,质量m=250g的小球从h=70cm高处滑下,先后通过A、B后,进入圆弧轨道的外侧运动,取g=10m/s2。求小球通过C点时的速度及对轨道的压力。
原解分析:如图1b所示,小球在BC段运动时,重力的分力mgcosθ充当向心力,且越向上运动θ越小,重力分力提供的向心力越大;而越向上运动,由机械能守恒可知小球的速度越小,需要的向心力越小。可见,越往高处运动小球越不容易脱离轨道,真正容易脱离轨道的应该是离最高点C越低一处些的位置。
结论:小球在最高点(θ=0,cosθ=1)前已与轨道分离,故根本不会经过C点,从而也不会在C点时对轨道有压力。
同样的不可能发生的过程也出现在下面的题目中:
2.两个物体的质量分别为 M 和 m (M>m),用细绳连接跨在半径为 R 的光滑半圆柱的两端,连接体由图示位置从静止开始运动,当 m 到达半圆柱体顶端时对圆柱体的压力多大?
分析:此解的成立是有条件的,当N=0时,。只有当M<1.4m时,m才会通过最高点,此解成立;当M>1.4m时,小球会提前脱离轨道,而不会沿左侧的圆弧面上滑到顶点。
由于应用“能量关系”解决物理问题时,只是针对“起始”和“终了”两个状态来列式,而不体现中间过程,这样就使得看起来合理的物理过程有时是不可能存在的。故在圆弧外侧编制物理习题时,对物体的运动过程要考虑周全、慎之又慎,避免出现类似上面的问题出现。
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