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1斜面上下滑滑块机械能守恒问题新解
斜面上下滑滑块机械能守恒问题新解
摘 要:重新解答了斜面上下滑滑块机械能守恒问题,得出了在地面上和相对于地面做匀速运动的小车
上,下滑滑块机械能都守恒的新结论.
关键词:斜面上下滑滑块;动能;势能;机械能守恒
中图分类号:O 313.1 文献标识码:A
在水平地面上筑一表面光滑的斜坡,坡高为h,坡面与水平地面的夹角为θ.最初,有一质量为m的滑块(视为质点)静止在斜坡的最高处.时间t等于0时,滑块从斜坡的最高处沿斜坡自由滑下,同时有一小车相对于地面以恒速量值u向右运动.试问在地面(地球质量视为充分大,故稳定地保持为惯性系)和小车上观察,滑块的机械能是否都守恒,并说明理由.
解:在地面上观察时,以坡面顶点o为坐标原点,以过o且垂直于水平地面的向上的直线为y轴,以过o且垂直于y轴的向右的直线为x轴,建立平面直角坐标系如图1所示.设最高点的势能为0.
设滑块t时刻的高度、速度、加速度、动能、势能、机械能分别为:y,v,a,Ek(t),Ep(t),E(t);在小车上观察时,滑块t时刻的高度、速度、加速度、动能、势能、机械能分别为:
y1,v1,a1,E1k(t),E1p(t),E1(t).
则在地面上观察(即以地面为静止系)时有:
mgsinθ?ma,?a?gsinθ,dv?gsinθdt,??gsinθ?,v?0?(t?0)gsinθ,v?tgsinθ.
?v?tgsinθ,ds?tgsinθdt,?gsinθ?,s?0?(t2?02)gsinθ,s?t2gsinθ.
0?y?ssinθ?t2gsinθsinθ?t2gsin2θ(?h≤y≤0),t2?,t?;s?.
v?gsinθ?,v2??2gy.??cosθ.
Ek(t)? Ek′(y)=mv2?m?(?2gy)??mgy;
Ep(t)? Ep′(y)=mgy或Ep(t)? Ep′(y)=0?ma?s??(mgsinθ)??mgy.
E(t)?Ek(t)?Ep(t)? Ek′(y)?Ep′(y)=?mgy?mgy?0?常数0.
在小车参照系上观察(即以小车参照系为静止系)时:
直觉判断:
因为滑块在最高点以匀速度u相对于小车沿x轴负向运动,我们规定此时的势能为0,所以在小车参照系上观察(即以小车参照系为静止系)时,滑块的机械能比在在地面参照系上观察时增加m(?u)2?mu2,所以在小车参照系上观察时,滑块的机械能为:
E1(t)?E(t)?mu2= E′(y)?mu2(常数)
所以,在小车参照系上观察时,滑块的机械能守恒,守恒值为mu2.
数学推导:
??u,? (?u)2???2u;?,?.
?????2u?????2u???2gy??2u?cosθ.
E1k(t)? E1k′(y)=m??mgy??m?mu?cosθ.
???0?;???;a1?a?gsinθ.
m?m;m?m;ma1?ma?mgsinθ.
0?E1p(t)??? E1p′(y) = (ma1sinθ)?s?(?ma1sinθcosθ)?(?u)(t?0)?(mgsinθ)??(mgsinθcosθ)?u??
?mgy?mu?cosθ.E1p(t)? E1p′(y)=? E1p′(y)=?mgy?mu?cosθ.
E1(t)?E1k(t)?E1p(t)? E1k′(y)?E1p′(y)=
?mgy??m?mu?cosθ?mgy?mu?cosθ?m?常数
所以,在小车参照系上观察时,滑块的机械能守恒,守恒值为mu2.当u=0时两个坐标系重合,守恒值相等,符合玻尔的对应原理.
说明:E1p(t)? E1p′(y)=? mgy?mu?cosθ和Ep(t)? Ep′(y)=?mgy并不始终相等,当u≠0时,当且仅当y=0时相等,也就是说只有初始状态时相等,主要是由于小车系在合力的分力方向上位移不是始终等于0;当u=0时二者始终相等,这也符合玻尔的对应原理.在滑块滑到底端时,小车系测量的势能为-mgh-mu?cosθ,地面系测量的势能为-mgh.在斜面问题中斜面的支持力和重力垂直于斜面方向的分力的合力是约束力,这样在地面系和小车系测量约束力做功之和为0,约束力不改变滑块的机械能,只需考察重力沿平行于斜面方向的分力即可。如果观察者沿着合力的垂直方向匀速运动,则它们始终相等,等于mgh,请读者自己证明.
解法2:据伽利略变换或图2知:
R?r?ut,V?v?u,A?a?0?a,F?mA?ma?f.
V2?V?V?(v?u)?(v?u)?v?v?2v?u?u?u?v2?2u?v?u2,
mV2?mv2?mu?v?mu2,Ek?ek?mu?v?C,
dEk?dek?mu?dv?dC?dek?u?mdt?0?dek?f?udt.
dEp??F?dR??
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