“E—h”影象在拋體問題中的應用
在拋體問題中要涉及到動能和勢能的相互轉化,如果只有重力作用則機械能總量不變,若除重力外還有其他外力做功,則還會涉及到機械能的變化。在解題過程中應用能量和高度影象即“E—h”影象,能進一步理解能量轉化的過程,使解題簡單、直觀。
例1:將一小球以v0豎直上拋,設在空中受到的空氣阻力恆定,且能上升的最大高度為24m,設在上升過程中,當勢能等於動能時離地高度為h1,下落過程中,勢能等於動能時離地高度為h2,則:( )
(A)h1>12m h2>12m (B)h1>12m h2<12m
(C)h1<12m h2<12m (D)h1<12m h2>12m
解:
一般解法:設小球能上升到的最大高度為H,則H=24m。因為在上升過程中受到空氣阻力作用,故機械能隨著高度增加而減少,故在上升過程中,當勢能等於動能時,機械能總量大於在最高處機械能總量,故可得:
(1)
(2)
由(1)(2)兩式得,。
在下落過程中,機械能總量隨高度減小而減小,故當勢能等於動能時,機械能總量小於在最高處時的機械能總量,所以可得:
(3)
(4)
由(3)(4)兩式得,。
故可選答案為B。
“E—h”影象解:因為在上升過程中,勢能不斷增加而動能減小,因要刻服阻力做功,機械能減小,即動能的減少量應大於勢能增加量,且重力勢能、動能與高度都為一次函式關係,據此可畫出“E—h”影象,如圖1:
由圖1可知,在A點即為勢能等於動能時,而此時h1>12m。
同理,在下落過程中,勢能不斷減小而動能增大,因要刻服阻力做功,機械能減少,即動能的增加量小於勢能的減少量,據此可畫出“E—h”影象:
由影象可知,A點即為勢能等於動能時,此時h2<12m。
例2:從離地面h高處水平丟擲一個小球,經過時間t,小球的`動能和勢能相等。空氣阻力不計,重力加速度為g。以地面為零勢能參考面,則可知( )
(A)丟擲點的高度h滿足
(B)丟擲點的高度h滿足
(C)落地時的速率v1滿足
(D)落地時的速率v1滿足
解析:
一般方法:設在空中動能等於勢能時速率為v1,則由機械能守恆得:
在空中動能等於勢能時 (1)
由(1)解得,故。
落地時有 (2)
由(2)得,故。
答案:AC
“E—h”影象解:由題意可知,機械能守恆且小球的初動不為零,經時間t後勢能才和動能相等,下落的高度為,且可得初始勢能mgh大於初始動能,畫出其“E—h”影象:
由影象橫座標得。
且可得,因此可解得,故答案為AC。
從前面兩例可知,藉助“E—h”影象分析拋體問題中的能量轉化過程,顯得直觀形象,更易理解,省去了通過列式計算帶來的“麻煩”,同時使題解顯而易見,對於求一些選擇題非常方便。再來看下面一例:
例3:將小球第一次以20m/s的速度豎直上拋,當它回到丟擲點時的速度為10m/s,第二次將此小球以40m/s的速度豎直向上丟擲,設小球在兩次運動過程中所受空氣阻力的大小不變,求:
(1)小球第二次上升的高度是第一次的幾倍?
(2)第二次丟擲後,落回丟擲點的速度多大?
解析:
小球在以不同的的速度上升與下降過程中,因為受到的阻力不變,所以小球的合外力相等,即在上升和下落過程中動能的“減少率”和“增大率”相等,在影象中表現為斜率相等,兩“E—h”直線平行,故可分別畫出上升過程中動能隨高度的變化圖(圖4實線)和在下落過程中動能隨高度的變化圖(圖4虛線)。
(1)由實線可得,,得。
(2)由虛線可得,,可得,得。
從前面幾例可以看出,用“E—h”影象解題使解題過程來得更加簡單直觀,達到一目瞭然的效果,同時為解拋體問題提供了一個新的思維平臺,從深沉次講,它是對物理過程進行再思考再理解的結果。
“E—h”影象在拋體問題中的應用
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