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周末竞赛辅导班的“见世面”
,像在凌凡平静的学海中投入了一颗深水炸弹。
那些高阶的概念、简洁的解法,尤其是林天等人举重若轻的姿态,在他心中激起了巨大的波澜。
回归到常规的课堂学习,他依然按部就班地巩固模型、刷着高考难度的习题,但内心深处,总有一股难以言喻的躁动,一种想要挑战更高难度、验证自身思维韧性的渴望。
这个机会,以一种意外的方式到来了。
周二下午,物理课代表抱着一摞复印资料进来,说是郑老师找来的“拓展思维”
练习题,有兴趣的同学可以自愿取阅。
大部分同学只是瞥了一眼,便被上面复杂的图形和符号劝退。
凌凡却鬼使神差地走上前,拿了一份。
回到座位,他翻看着这些明显超纲的题目。
其中一道题,像有魔力一般,瞬间抓住了他的全部注意力:【题目】:如图,一质量为、半径为r的匀质圆球,静止置于一质量为、长度为l的匀质木板的一端。
木板置于光滑水平面上。
现给木板一极轻微的扰动,使其具有一初始水平速度v?(v?极小,可认为球与木板之间无相对滑动初始条件成立)。
已知球与木板间的摩擦因数为μ。
求:(1)从开始运动到球滚到木板另一端(刚好未掉落)所需时间t。
(2)此过程中,木板相对于地面的位移s。
没有复杂的电场磁场,只涉及熟悉的物体(球、木板)、熟悉的力(重力、支持力、摩擦力)、熟悉的环境(光滑水平面)。
但组合在一起,却构成了一个令人头皮发麻的复杂动力学过程。
它考察的不是单一知识点,而是对受力分析、临界条件、动量、能量、刚体转动的综合运用能力,其难度远超高考压轴题,散发着纯正的竞赛气息。
若是以前的凌凡,大概会苦笑一声,然后将这份资料塞进抽屉最底层。
但此刻,竞赛班见识过的那种对物理本质的追求,以及内心深处那股不服输的劲头,促使他产生了一个疯狂的念头:我要试试看。
哪怕解不出来,也要看看自已能走到哪一步!
这场一个人的战争,就此打响。
第一天:初探与受挫(周五晚)凌凡首先尝试构建模型。
系统:球(刚体,会滚动)、木板(质点?还是也要考虑其分布?题目说匀质木板,但通常若>>,可近似木板为质点,但这里质量关系未知,需谨慎)。
过程:木板带动球运动,球在木板上滚动,有相对运动趋势和静摩擦力。
他意识到第一个关键点:球在木板上做无滑动的纯滚动!
因为初始无相对滑动,且v?极小,可假设静摩擦力未达到最大值,维持纯滚动状态。
这意味着,球与木板接触点瞬时速度相同。
他画出受力图:·对球:重力g,木板支持力n1,静摩擦力f(方向?阻碍球相对木板向后滚动,所以对球而言,f方向向前?促进球质心运动?)·对木板:重力g,地面支持力n2,球压力n1(向下),球对木板的摩擦力f(向后,阻碍木板运动)。
根据牛顿第三定律,f=f。
列方程:对木板(水平):-f=a板(木板减速)对球(水平):f=a球(球加速)对球(转动):摩擦力f产生力矩,fr=iβ=(25r2)β(球绕质心转动角加速度β)纯滚动条件:a球=βr(质心加速度等于角加速度乘半径)四个方程,看似可以求解a球,a板,f,β。
联立后,他得到a球=(5f)(2),又因为f=a球,代入得a球=(5a球)(2)=>1=52?矛盾!
凌凡愣住了,反复检查计算,发现了一个致命错误:对于球,水平方向的合外力就是f,所以f=a球没错。
但转动方程fr=iβ中的f,也是同一个f。
将f=a球代入转动方程:a球r=(25r2)β=>化简得a球=(25)rβ?这与纯滚动条件a球=rβ矛盾!
(25≠1)这意味着什么?他的模型假设出了问题!
球在木板上不可能维持无滑动的纯滚动?或者说,静摩擦力f必须同时满足平动和转动方程,但这两个方程对f的要求是矛盾的(除非球是某种特殊质量分布?但匀质球i=25r2是固定的)!
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