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难以定量化的小题

 新用户65120Joi 2023-03-06 发布于山西
(多选)如图所示,一轻杆两端分别固定a、b两个半径相等的光滑金属球,a球质量为2m,b球质量为m,整个装置放在光滑的水平面上,将此装置从图示位置由静止释放,经过时间t,b球恰好落地。在b球落地前的整个过程中,下列说法正确的是
A.b球的运动轨迹为一条竖直的直线,落地前瞬间速度方向竖直向下
B.轻杆对a球先做正功后做负功,全过程做的总功为零
C.b球在竖直方向运动的加速度大小先增大后减小
D. 轻杆对b球作用力的冲量为零

         
         
周测中最后一个选择,最后一个选择题,最后一个计算题,都被冠以压轴的“俗称”。实验题可能因为是两个,数量较少,所以特别对实验题网开一面,没有出来什么俗称、雅称。单选压轴、多选压轴、计算压轴,这种坊间美名仿佛给题目上了魔咒,实际统计的结果,有时还真是这样一个结果,消极心理暗示得到了一个消极的结果。
         
A项统计了一下,56人有3人选A。课上提问选A的理由,题难,没时间,没思考,就近原则,蒙得。也算,不将时间浪费在自己拿不稳的题目上,敢舍才可能在其他题目上得到更多。

但还真希望稍微看一眼,即使蒙也坚决不蒙A项。
         
人船模型的事例前段时间给分为有初速的人船模型和无初速的人船模型,2022年全国乙卷25题第二问可以理解为一个有初速的人船模型,就是人和船这个系统的质心有初速度;本题这个人船模型没有初速度。有无初速度的人船模型,都遵循的一个规律,水平方向动量守恒。

B的轨迹假如竖直向下,导致的一个必然结论就是只有A有水平速度,系统在水平方向的动量就不守恒了。若是动量守恒定律想不到,也不影响对A项的判断,直接用牛顿运动定律分析,只要这个系统在运动,A的速度必然水平向左,说明轻杆对A有水平方向的分力,对B一样也有水平方向的分力,B有水平方向的加速度、速度就是一种必然。牛顿运动定律我觉得侧重于过程的分析导向,水平方向的动量守恒侧重于结论导向。

B项,若认识到这个系统水平方向动量守恒的话,最后A、B都到了水平面上,系统水平方向的动量为零,而两物体在水平方向的动量等大反向,因为有轻杆牵连,到了水平面上时速度又必须相等,综合各个要素的结果,最终水平方向的速度必须为零。重力对A不做功,因此杆对A、B也必然不做功。
         
C、D两项是纠结项。题干中告了一个时间t,可选项中不见t的影子,这是否是一种强有力的暗示呢?
         
若定量计算,明显比较复杂,这又是一个选择题,定量计算法应该不是命题者的意图。定性分析如何找一个入手点呢?
         
C项的加速度,主要难点是杆对两物体的受力大小如何变化。还是绕不开水平方向动量守恒这个点,两个小球在从开始释放到落到水平面的这个过程中,首尾两个点上水平速度都为零,中间不是零,这就说明在水平方向上起码经历一个先加速后减速的过程,这样杆在竖直方向对B球的作用力先向上后向下,中间有一个位置(时刻)为零,导致B球在竖直方向的加速度先小于g,有一个位置为g,最后大于g,最后为g,C可能是对的。
         
D项我觉得不选是不知道,选上是赌运气了。
         
没到最后一刻之前,B在竖直方向的速度大小一直都比同样高度做自由落体运动小。这就说明杆对B球的竖直分力对B有竖直向上的冲量作用,若杆对B竖直方向冲量为零,则B球相当于只受重力作用。光从杆对B球竖直向上的作用力来说,先向上,后向下,算总账还真不好说总冲量是否为零,但若和B球只受重力对比一下,则杆在竖直方向对B的冲量不为零,定性可以解决这个问题。题干中的时间t在选择中没有用到,总觉得是起一个提示的作用。

D项排除之后,C项根据规则就是正确的,定量证明还是比较有难度的。
水平方向动量守恒,初动量为零,两小球在水平方向速度大小的比值是不变化的,这样就导致两小球在水平方向的位移大小也是成比例的,水平位移大小b是a的2倍。

以a为参考系,b相对于a做圆周运动,设杆与水平方向的夹角为θ,杆长设为L。
则有:
化解后可得到F与角度θ的关系;
代入起始点和最终落地点经验算是符合的。θθ0到0度变化范围内的单调性光看函数不好确定,试着通过求解导函数来确定在定义域内的函数的单调性,结果是可信的。

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