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可突变弹力及不可突变弹力
可突变弹力和不可突变弹力
一谈到可突变的弹力和不可突变的弹力,最先让人想起的可能就是下面的这个题目:
如图A所示,一质量为m的物体系于长度分别为l1、l2的两根细线上,l1的一端悬挂在天花板上,与竖直方向夹角为θ,l2水平拉直,物体处于平衡状态。现将l2线剪断,求剪断瞬时物体的加速度。
(l)下面是某同学对该题的一种解法:
解:设l1线上拉力为T1,线上拉力为T2,重力为mg,物体在三力作用下保持平衡
T1cosθ=mg, T1sinθ=T2, T2=mgtanθ
剪断线的瞬间,T2突然消失,物体即在T2反方向获得加速度。因为mgtanθ=ma,所以加速度a=g tanθ,方向在T2反方向。
你认为这个结果正确吗?请对该解法作出评价并说明理由。
(2)若将图A中的细线l1改为长度相同、质量不计的轻弹簧,如图B所示,其他条件不变,求解的步骤和结果与(l)完全相同,即 a=g tanθ,你认为这个结果正确吗?请说明理由。
我们知道,在图A中,剪断的瞬间,物体的加速度为;在图B中,剪断的瞬间,物体的加速度为。两种情况下的加速度有如此的区别,我们比较上面的两张图并不难找到其原因:图A中的是一条绳子,而图B中的是一个弹簧。
下面我们讨论由于绳子和弹簧的不同而导致结果不同的原因。
第一部分 微小形变和明显形变的不同
为了便于比较,我们使用表格来说明:
弹力名称 产生弹力的
形变种类 形变改变时
所用时间 可否认为形变
瞬间恢复 可否认为弹力
发生了突变 绳子弹力 微小形变 很短 可以 可以 弹簧弹力 明显形变 不很短 不可以 不可以 上表列出了外界条件改变时,两种弹力的变化情况。
对于由于发生微小形变而产生的弹力来说,形变在极短的时间内就可以恢复,形变的恢复意味着弹力的改变。所以我们可以认为弹力发生了突变。
对于由于发生明显形变而产生的弹力来说,形变在极短时间内几乎不变,所以可以认为弹力亦没有发生变化。
下面我们按照这个思路来分析上面所提到的问题:
在图A中,中的弹力是绳子产生的,它是可以突变的。当被剪断后,中的弹力已不同于剪断前,并且已随着的剪断变成了一个未知力。要想求剪断后瞬间小球的加速度,我们不可能通过直接求重力与中的合力来求。我们需要换一个思路,从合力产生的效果和重力来求合力。在剪断后一小段很短的时间里,小球由静止状态获得了一个垂直于绳子方向的速度。说明在剪断绳子的瞬间,小球有一个垂直于绳子方向的加速度,这也正是合力的方向。做出矢量图形,可得:
从而有:
在图B中,中的弹力是弹簧产生的,它是不可以突变的。故剪断绳子后瞬间,弹簧的弹力应和绳子剪断前相同,重力也不会由于绳子的剪断而发生变化。这时,我们由三力平衡的推论“三力平衡,任何两个力的合力与第三力等大反向”可知,在剪断绳子后的瞬间,小球的合力等于剪断前的拉力大小,而方向相反。做出矢量图形,有:
故
第二部分 主动和被动的不同
弹簧弹力有其“独立自主”的方向和大小,不受物体所受其它力的影响,处于“主动”地位。它只决定于弹簧自身形变的大小和方向,并且,当形变量不变时,弹力保持不变。因为我们有:。
绳子拉力也是一种弹力,它像静摩擦力一样,具有被动性与适应性两个特点。它没有自己独立自主的大小和方向,决定于物体所受的其它力及物体所处的运动状态。当物体所受的其它力或者物体的运动状态发生变化时,绳子拉力也会随着变化。
在图B中,弹簧弹力具有主动性,刚剪断绳子的瞬间弹簧形量没有发生,则弹力没有发生突然的变化。
在图A中,物体所受的其它力发生了变化,同时物体的运动状态也发生了变化。因而绳子拉力会发生变化。
解题的过程可参照第一部分,不再赘述。
第三部分 第一部分与第二部分的统一
正是由于微小形变可认为瞬间能恢复,因而所对应的弹力能突变,才具有被动性。也是由于明显形变不可以认为瞬间能恢复,因而所对应的弹力不能突变,才具有主动性。均是形变,但量的不同导致了质的不同。
第四部分 受约束的弹簧和解除约束的弹簧
前面三个部分,我们主要讨论了弹簧的弹力和绳的弹力的不同。其实,上面我们谈到的弹簧弹力不突变,只局限在了受约束的弹簧的范围内。所谓受约束的弹簧,指的是弹簧两端固定有质量不为零的物体的弹簧。所谓解除约束的弹簧,指的是弹簧两端的物体有一个或两个突然拿走,即弹簧一端或两端不再固定有质量不为零的物体的弹簧。
现在我要补充的是,虽然受约束的弹簧弹力不会发生突变,但是,解除约束的弹簧的弹力仍是可以突变的。理由如下:
弹簧在受约束的情况下,两端物体质量不为零。因而都不会产生无限大的加速度,两物体间的距离则不会发生突然的变化。由胡克定律知,弹簧的弹力不会发生突然的变化。
弹簧在不受约束或突然解除约束的情况下,相当于它的两端或一端有一个质量为零的物体,这个物体在力的作用下会产生无限大的加速度。因而弹
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