例1:如圖,兩個(gè)質(zhì)量分別為M和m的小球,通過(guò)兩條輕繩a、b相間連接,懸掛于天花板下,試分析兩條繩子的張力大;現(xiàn)用剪刀分別剪斷a、b兩繩子,求剪斷繩子的瞬間另一條繩子的張力大小。比較繩子剪斷前后張力變化情況。
解析:很明顯剪斷前繩子a拉力Ta=(M m)g ,繩子b拉力Tb=mg 非彈性繩不計(jì)形變,憑生活經(jīng)驗(yàn),在剪斷繩子a時(shí),兩個(gè)球?qū)⑼瑫r(shí)自由落體,繩子b張力為0,而如果剪斷繩子b,小球M也應(yīng)一動(dòng)不動(dòng),保持平衡,繩子a的張力為Mg,可見(jiàn),兩種情況下,兩條繩子的張力均發(fā)生了突變。
本題中,如果將兩條繩子換成兩條輕彈簧(或彈性繩),情況又如何呢?
解析:剪斷前的情況,彈簧與繩子沒(méi)區(qū)別,Ta=(M m)g ,Tb=mg
彈簧受力時(shí)有著明顯伸長(zhǎng)量,當(dāng)彈力改變時(shí)伸長(zhǎng)量也改變,這意味著小球要發(fā)生位移,從小球慣性的角度講,這個(gè)過(guò)程需要時(shí)間,不能突變發(fā)生,而從彈簧振子的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期性我們也能得到相同結(jié)論。即在剪斷彈簧的瞬間,另一條彈簧還來(lái)不及伸縮,從而保持原來(lái)的彈簧張力。
這里還有一個(gè)問(wèn)題,彈簧有一定長(zhǎng)度,而被剪斷的只是彈簧的局部,那么被剪斷的彈簧自己本身的彈力是怎么變化的呢?假設(shè)將彈簧b剪斷,剪成的兩小段分別附在兩小球M、m上,由于小球的慣性,瞬間靜止,算是彈簧的固定端,而被剪的端口是自由端,請(qǐng)注意這是不計(jì)質(zhì)量沒(méi)有慣性的輕質(zhì)彈簧,在自由端缺乏振子的情況下是不存在振動(dòng)周期的,所以被剪斷的彈簧本身將瞬間恢復(fù)到其自由長(zhǎng)度,彈力在瞬間突變?yōu)?。
以上分析結(jié)果表明,在中學(xué)階段,對(duì)于細(xì)桿、繩子和彈簧的彈力問(wèn)題,情況多樣,值得商討,我們應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析,把握好物理模型,才能理清題意和出題者的思路,避免產(chǎn)生混亂。
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