(这部作品的受众读者应该很少,因为我把它写成了一部学习的工具书,简单的说就是一本很另类的小说,希望它能放在每一位老师和学生的课桌上。正文里面会出现大量的解题过程、解题思路,需要大量的数字符号、英语单词,纯是剧情需要!)
陈景的“难题破解三式”如同在凌凡的思维深处播下了一颗种子,亟待实践的雨水来催发。他深知,理论再精妙,若不能应用于实战,便是纸上谈兵。于是,他主动从竞赛辅导资料中,挑选了一道被标记为四颗星难度的物理题,作为他演练“拆解术”的第一个沙场。
这道题题干颇长,透着一股综合性的压迫感:
“题目”如图所示,光滑水平面上放置一质量为M、半径为R的四分之一圆弧轨道,轨道末端与水平面相切。质量为的小球(可视为质点)从轨道顶端由静止滑下。已知M=2,重力加速度为g。求:
(1)小球滑至轨道最低点时,小球的速度v?和轨道对地面的压力N。
(2)小球离开轨道后,轨道的速度V。
(3)小球落地时,与轨道最低点之间的水平距离L。
配图是一个标准的四分之一圆弧轨道,小球从顶端滑下。
若在以往,凌凡看到这种涉及多个物体、多个过程(下滑、分离、平抛)、且含有动量、能量守恒综合应用的题目,会下意识地感到头皮发麻,觉得无从下手。但这一次,他深吸一口气,强行压下那丝本能的畏难情绪,脑海中清晰地浮现出陈老的声音:“拆解,化整为零,分而治之。”
他没有立刻动笔计算,而是拿出了草稿纸,开始执行“拆解术”的第一步——结构性分析。
他的目光如扫描仪般掠过题目,捕捉关键信息和过程节点:
1. 过程一:小球沿圆弧下滑至最低点。
· 涉及对象:小球、轨道。
· 关键词:光滑水平面、四分之一圆弧、由静止滑下。
· 初步判断:系统水平方向合外力为零,水平动量守恒吗?不,轨道也会动,所以小球和轨道组成的系统,在水平方向动量守恒。但系统机械能守恒吗?轨道也在动,有动能,所以机械能守恒(只有重力做功)。
· 待求量:小球最低点速度v?,轨道对地压力N(这需要知道小球对轨道的压力,涉及圆周运动向心力)。
2. 过程二:小球在最低点与轨道相互作用后分离。
· 关键点:“离开轨道后”。这意味着在最低点,小球与轨道之间发生了某种相互作用,导致它们不再是一个整体。是弹性碰撞?还是其他情况?题目没说,需要分析。分离瞬间,小球和轨道的水平速度分别是多少?
3. 过程三:小球离开轨道后做平抛运动,轨道在水平面上运动。
· 涉及对象:小球(平抛)、轨道(水平运动)。
· 已知:小球离开轨道时的速度(大小、方向?需从过程二得到),轨道此时的速度(需从过程二得到)。高度已知(R)。
· 待求量:水平距离L。
通过这番拆解,凌凡发现,这道看似庞杂的难题,其实可以清晰地分解成三个相对独立、但又环环相扣的中档题!
中档题A(对应过程一):求解小球滑至最低点时的运动参量。
· 核心知识点:系统水平动量守恒、系统机械能守恒、圆周运动向心力公式。
· 解题思路:
· 设小球最低点水平分速度为v?x,竖直分速度为v?y?不,对于圆弧,用速度方向更麻烦。直接设小球对地速度为v?(方向水平?不,在最低点,圆弧切线水平,所以小球速度水平!),轨道对地速度为V?(方向水平)。
· 系统水平动量守恒: v? + M V? = 0 (初始动量为0) 。 (方程1)
· 系统机械能守恒:gR = (1/2) v?2 + (1/2)M V?2。 (方程2)
· 联立(1)(2),代入M=2,可解出v?和V?。
· 求轨道对地压力N:先以小球为研究对象,在最低点,受重力g和支持力Fn(轨道对小球)。向心力方程:Fn - g =v?2 / R。求出Fn。
· 再以轨道为研究对象,受重力Mg、地面支持力N、小球压力Fn(Fn的反作用力,方向向下)。轨道竖直方向平衡:N = Mg + Fn = Mg + Fn。
· 代入即可求出N。
中档题B(对应过程二):分析分离瞬间状态。
· 核心知识点:分离条件(通常为相互弹力为零)、动量守恒(水平方向)。
· 解题思路: