例3 如圖3-5,木塊B與水平桌面間的接觸是光滑的,子彈A沿水平方向射入木塊后留在木塊內,將彈簧壓縮到最短,F將子彈、木塊和彈簧合在一起作研究對象,則此系統在從子彈開始射入木塊到彈簧壓縮到最短的過程中 [ ]
A.動量守恒,機械能守恒
B.動量不守恒,機械能不守恒
C.動量守恒,機械能不守恒
D.動量不守恒,機械能守恒
【錯解】以子彈、木塊和彈簧為研究對象。因為系統處在光滑水平桌面上,所以系統水平方向不受外力,系統水平方向動量守恒。又因系統只有彈力做功,系統機械能守恒。故A正確。
【錯解原因】錯解原因有兩個一是思維定勢,一見光滑面就認為不受外力。二是規律適用條件不清。
【分析解答】以子彈、彈簧、木塊為研究對象,分析受力。在水平方向,彈簧被壓縮是因為受到外力,所以系統水平方向動量不守恒。由于子彈射入木塊過程,發生巨烈的摩擦,有摩擦力做功,系統機械能減少,也不守恒,故B正確。
例4 如圖3-6,質量為M的木塊放在光滑水平面上,現有一質量為m的子彈以速度v0射入木塊中。設子彈在木塊中所受阻力不變,大小為f,且子彈未射穿木塊。若子彈射入木塊的深度為D,則木塊向前移動距離是多少?系統損失的機械能是多少?
【錯解】(1)以木塊和子彈組成的系統為研究對象。系統沿水平方向不受外力,所以沿水平方向動量守恒。設子彈和木塊共同速度為v。據動量守恒有mv0=(M+m)v
解得v=mv0
子彈射入木塊過程中,摩擦力對子彈做負功
(2)系統損失的機械能
即為子彈損失的功能
【錯解原因】錯解①中錯誤原因是對摩擦力對子彈做功的位移確定錯誤。子彈對地的位移并不是D,而D打入深度是相對位移。而求解功中的位移都要用對地位移。錯解②的錯誤是對這一物理過程中能量的轉換不清楚。子彈打入木塊過程中,子彈動能減少并不等于系統機械能減少量。因為子彈減少的功能有一部分轉移為木塊的動能,有一部轉化為焦耳熱。
【分析解答】以子彈、木塊組成系統為研究對象。畫出運算草圖,如圖3—7。系統水平方向不受外力,故水平方向動量守恒。據動量守恒定律有
mv0=(M+m)v(設v0方向為正)
子彈打入木塊到與木塊有相同速度過程中摩擦力做功:
由運動草圖可S木=S子-D ③
【評析】子彈和木塊相互作用過程中,子彈的速度由V0減為V,同時木塊的速度由0增加到V。對于這樣的一個過程,因為其間的相互作用力為恒力,所以我們可以從牛頓運動定律(即f使子彈和木塊產生加速度,使它們速度發生變化)、能量觀點、或動量觀點三條不同的思路進行研究和分析。類似這樣的問題都可以采用同樣的思路。一般都要首先畫好運動草圖。例:如圖3-8在光滑水平面上靜止的長木板上,有一粗糙的小木塊以v0沿木板滑行。情況與題中極其相似,只不過作用位置不同,但相互作用的物理過程完全一樣。
參考練習:如圖3-9一質量為M、長為l的長方形木板B放在光滑的水平地面上,在其右端放一質量為m的小木塊A,m
提示:注意分析物理過程。情景如圖3-10。其中隱含條件A剛好沒離B板,停在B板的左端,意為此時A,B無相對運動。A,B作用力大小相等,但加速度不同,由于A的加速度大,首先減為零,然后加速達到與B同速。
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