对牵连体速度和加速度问题的探讨

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  摘 要:通过对一道轻杆牵连体的高考题重新分析,给出题中各物理量之间的关系,并着重分析两连接体的速度和加速度的变化规律,来寻找速度极值所在的位置。
  关键词:高考试题;牵连体;速度规律;加速度规律
  中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1003-6148(2018)3-0037-4
  牵连体速度分析向来是高考的重点,经常是结合功能关系分析连接体速度变化规律、极值位置。许多考生对此类问题感到非常棘手。其实仔细分析起来,处理牵连体问题无外乎两步:两牵连体速度在沿绳或沿杆方向分速度大小相等;动能定理或机械能守恒表示速度。将两个关于速度的表达式相结合即可得到两物体速度的具体表达式,进而看出速度的变化规律。在这里笔者将以一道高考试题为例,在分析速度变化规律的同时再来探究一下加速度变化规律。
  1 真题回放
  如图1,滑块a、b的质量均为m,a套在固定竖直杆上,与光滑水平地面相距h,b放在地面上。a、b通过铰链用刚性轻杆连接,由静止开始运动。不计摩擦,a、b可视为质点,重力加速度大小为g。则( )
  由图像可得a的加速度始终为正,即意味着它始终处于加速状态;而b的加速度先正后负,即意味着先加速后减速,这也与上述分析结果一致。
  在这里要声明一点,在图像中二者加速度是从零开始变化,而实际并非如此。在这里模拟的是当a、b连接杆处于竖直状态,是为了研究问题的方便;而本文所研究的是雖然a、b连接杆竖直,但受到微小扰动后,打破了原有的平衡后才开始运动的,所以在初始情况二者加速度并不为零。
  4 杆的作用力
  可看出杆对b的作用力先向右逐渐减小,后反向增加,也就证实了杆对b先做正功,后做负功。
  5 a的机械能
  在两物体所组成的系统中,a物体在下落过程中,杆对其力的作用可由b的运动分析得出,因为杆对两物体的力总是等大反向。在最初一段时间杆对b做正功,速度增加,直到θ=arccos■时速度最大,此后杆对b做负功,速度减小。反过来分析a,在θ=arccos■之前,杆对a做负功,机械能减小,此后机械能增加,总的来说杆对a所做正负功相等,所以a最终动能还是由它的重力势能全部转化而来。
  6 总 结
  这道高考试题是一道非常经典的试题,既考查了运动过程中二者速度之间关系,又考查了运动过程中的受力,相当有深度、有内涵,考生如果不细加分析中间过程很容易出错。在这里笔者用了高等数学的有关知识进行分析讨论,研究中间速度和加速度细节变化,希望能对广大考生和教师有所借鉴。
  参考文献:
  [1]宋辉武.沿杆方向的加速度相等吗[J].物理教学,2017(4):57-58.
  [2]赵登世. 2015年全国统一考试理科综合(新课标2)第21题赏析[J].中学物理,2016(7):75.
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