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第207章 溯源训练:这道题到底在考哪个核心知识点?(1 / 2)

经历了“转化”受挫的解析几何题,凌凡并没有沉溺于沮丧。他将那道题连同自己的曲折思路完整地记录在“难题本”上,并在旁边用红笔标注了三个大字:需溯源。陈老的“难题破解三式”中,最后一式“溯源”,他自觉运用得还远不够纯熟。这次,他决定主动给自己加练,目标就是提升“溯源”能力——直指题目考查的核心知识点本质。

他选择了一道来自物理竞赛辅导班的题目,这道题曾让不少同学折戟沉沙:

“题目”一质量为的小球,用长度为L的轻绳悬挂于O点。开始时绳子处于水平状态,小球静止。现给小球一个竖直向下的初速度v?。求小球能运动到O点正上方,且绳子始终保持绷直的最小……

“就这么简单?”凌凡心里有些嘀咕。这道题在竞赛班错误率很高,如果答案这么直接,不应该有这么多人做错。他感觉自己可能忽略了什么。

第一次溯源:审视逻辑链条。

他重新回顾过程。从A到B,机械能守恒,没问题。B点临界条件,T=0,向心力仅由重力提供,也没问题。联立求解,数学计算正确。

那么问题出在哪里?是不是过程的合法性上?小球从水平位置以向下的初速度开始,真的能直接荡到正上方吗?它的轨迹是圆周,会不会在到达B点之前就掉下来了?或者,绳子在某个中间位置就松弛了?

他意识到,自己默认了“小球能运动到B点”这个前提,但题目要求的是“能运动到O点正上方”的最小初速度。这个最小速度,恰恰对应着一种临界状态。在这个临界状态下,小球是否真的是在B点才达到T=0的临界条件?

第二次溯源:深入物理图景。

他决定仔细分析小球从A到B的整个运动过程。小球在任意位置(与竖直方向夹角为θ)时的速度v,可以由机械能守恒求出(以A点为零势能点更方便):

……

在任意角度φ(从竖直向下开始逆时针测量),小球位置。

重力g,分解为径向分量(沿半径指向圆心)和切向分量。

径向分量:g sφ?画图分析:当φ=0(最低点),重力全部提供向心力,径向分量为g(指向圆心)。当φ=90°(水平),重力径向分量为0。当φ=180°(最高点),重力径向分量为 -g(背离圆心)。所以,径向分量为 g sφ? 当φ=180°,s180°=-1,所以是 -g,正确。

所以向心力方程(径向,正方向指向圆心):

T+ g sφ =v2 / L。 (方程4) // 因为当φ=180°时,sφ=-1,所以 T + g*(-1) = T - g,与之前一致。

绳子绷直要求 T≥ 0。

所以,在整个运动过程中,要保证绳子始终绷直,就需要在每一个φ角度(从90°到180°),都满足 T =v2/L - g sφ ≥ 0。

即v2 ≥ g L sφ,对于所有 φ ∈ [90°, 180°] 成立。 (不等式★)

在φ∈[90°, 180°]这个区间内,sφ ≤ 0。所以不等式★右边 gL sφ ≤ 0。而v2总是大于0的,所以这个不等式在φ∈[90°, 180°)时自动成立(因为v2>0 ≥ gL sφ)。只有在φ=180°(最高点B)时,s180° = -1,不等式变为 v2 ≥ -gL,这更是恒成立。

等等!按照这个分析,只要小球能到达最高点,在整个过程中绳子拉力T似乎都大于0?这和他最初的解法结论一致,似乎√(3gL)就是正确答案?