分析物體運動情況的方法
2007-12-31 00:00:00張典松
物理教學探討 2007年10期
在動力學問題的解題中有兩個基本的分析，一個是物體受力情況的分析，一個是物體運動情況的分析。物體受力情況分析是物體運動情況分析的基礎，這兩個分析是求解動力學問題的關鍵。本文將系統談談分析物體運動情況的方法。
1直接用運動和力的關系分析
一個物體的運動情況取決于物體所受的合外力和物體的初始狀態（初速度v0）。運動和力的基本關系有：1、當合外力與速度在一條直線上時，物體做直線運動（包括當合外力方向與速度方向相同時，物體做加速直線運動 ；當合外力方向與速度方向相反時，物體做減速直線運動）。2、當合外力與速度不在一條直線上時，物體做曲線運動。3、當合外力恒定時，物體做勻變速運動。有很多習題可直接用運動和力的基本關系分析。
例1如圖１所示，傳動帶以v=10m/s的速度逆時針運行，在傳動帶的A端輕放一質量m=0.5kg的小物體，并加水平向左的恒力F=3N，使物體從靜止開始向左運動，它與傳動帶之間的動摩擦因數μ=0.4，若傳動帶兩端的長度為AB=L=16m，求物體從A端運動到B端的時間。
分析與解物體放上傳動帶后開始的一段時間里，由于相對傳動帶向右滑動，所以它受到的摩擦力方向向左，則物體的加速度a=(F+μmg)/m=10m/s2，據運動和力的關系，物體向左做勻加速運動。當物體加速到速度等于傳動帶的速度時，物體已發生的位移
已經歷的時間為
此時物體離傳動帶左端的距離為
2運用圖象變換分析
若已知物體的合力或加速度隨時間變化的情況，可利用圖象變換分析物體的運動情況。
例2已知一靜止的質量為m=2kg的質點從某時刻起第1s內受到向東的4N的合外力作用，第2s內所受合外力為零，第3s內又受到向東的4N的合外力作用，第4s內合外力又為零，如此反復，求第10s末質點已發生的位移。
分析與解以向東為正方向，畫出質點的加速度圖象如圖2（甲），由此可根據速度圖象的斜率即為加速度，畫出質點的v-t圖象如圖2（乙）所示。此圖象就反映了質點的運動情況。
在v-t圖象中，圖象與時間軸所夾的面積表示物體的位移，由圖象可知第1s內的位移為1m，第2s內的位移為2m，第3s內的位移為3m……所以第10s末質點發生的位移為
3借助等效、類比的方法分析
把一個陌生的問題通過等效類比變成我們所熟悉的問題求解這是在物理問題的研究中經常采用的方法。此方法可用于物體運動情況的分析。
例3如圖3所示，一光滑軌道由平面AB與半徑為R的圓弧BCDF組成。整個軌道處于豎直平面內，所處空間有水平向右的勻強電場E，在AB=L的A點有一質量為m電量為+q的小球，且mg=qE（g為重力加速度），開始時小球靜止，問L至少為何值時，小球可以沿圓軌道運動到圖中的F點？
典型錯解假設小球剛好能到達F點，到F點時，軌道對它的彈力為零，此時
對從A點開始到F點的整個過程由動能定理得
此錯解錯就錯在沒能正確地分析出小球的運動情況。事實上當L=5R/2時，小球運動到D點將脫離圓軌道。
分析與解若把重力和電場力等效為一個等效重力G等，由題設，知：G等=2mg方向與豎直方向成45°角斜向下。如圖4中BC的中點為等效最低點，DF的中點H為等效最高點，類比重力場中豎直平面內的圓周運動的臨界條件可知，H點是最易離軌的一點，小球能通過H點就能沿圓軌道到達F點，小球恰能通過H點的條件為
對小球從A點運動至H點的過程由動能定理得：
4結合運動的合成與分解的方法分析
對比較復雜的曲線運動的分析，應注意把運動的合成與分解的規律與運動和力的基本關系結合起來。
例4如圖5所示，在水平面上豎直放置一長為h/2的細管，管口上方有水平向左的勻強電場，從距地面h高處，水平拋出質量為m，帶正電且帶電量為q的小球，拋出點到細管管口的水平距離為L，要使小球恰好落入管口，且無碰撞地通過管子到達地面（管的內徑略大于球的直徑），求拋出小球的初速度v0、勻強電場的場強E及小球落地速度v。
分析與解要使小球恰好落入管口，且無碰撞地通過管子，即要求小球到達管口時，速度沿豎直方向。對從拋出至到達管口的過程，在水平方向上，由于受水平的電場力作用做勻減速運動；在豎直方向上，由于受重力作用，且開始豎直分速度為0，故做自由落體運動。
5借助守恒定律輔助分析
例５如圖６所示，在光滑水平面上停放的質量為m2的物體B，在它的左端連接一輕質彈簧，有一質量為m1的物體A以速度v0向右運動，某時刻開始接觸并壓縮彈簧。已知m1＜m2。求物體A接觸彈簧的過程中的最小速度。
分析與解在彈簧從原長到壓縮至最短長度時，B在彈簧彈力的作用下，由靜止開始向右加速，A在彈簧彈力作用下向右減速，當彈簧壓縮到最短長度時，兩物體A、B速度相同，速度方向向右；在彈簧由最短長度至恢復原長的過程中，B在彈簧彈力作用下，繼續向右加速，A將繼續減速，但A的速度能否減為零？僅靠運用運動和力的關系定性分析是無法確定的，這時我們可借助守恒定律輔助分析。對A從接觸彈簧到彈簧再次恢復原長與A脫離的整個過程有（設彈簧再次恢復原長時速度分別為v1和v2）
由已知條件m1＜m2，知v1與v0反向，即彈簧再次恢復原長時A的速度向左，這表明在彈簧從最大壓縮量到恢復原長的過程中，A經歷了先向右做減速運動，速度減為零后再向左加速的運動過程。由此可見物體A接觸彈簧的過程中的最小速度為0。
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