對高中物理沿繩方向加速度關(guān)系的探討

鄧 偉

(重慶市開州中學(xué) 405499)

1 一道高三復(fù)習(xí)題的思考

在高中物理教學(xué)過程中，筆者遇到一個很有爭議的題目，題目如下：

例1如圖1所示，將質(zhì)量為2m的重物懸掛在輕繩的一端，輕繩的另一端系一質(zhì)量為m的環(huán)，環(huán)套在豎直固定的光滑直桿上，光滑定滑輪與直桿的距離為d.現(xiàn)將環(huán)從與定滑輪等高的A處由靜止釋放，當(dāng)環(huán)沿直桿下滑距離也為d時(圖中B處)，下列說法正確的是(重力加速度為g)( ).

圖1

A.環(huán)剛釋放時輕繩中的張力等于2mg

D.環(huán)減少的機械能大于重物增加的機械能

原參考答案：B.

解析環(huán)剛開始釋放后，重物由靜止開始加速上升，故重物有向上的加速度，根據(jù)牛頓第二定律有F-2mg=2ma,得F>2mg，得，故A項錯誤；

通過與老師的研討中也發(fā)現(xiàn)有的認為A為正確答案，解答如下：環(huán)剛開始釋放時，環(huán)的加速度為g，通過沿繩子方向加速度相等，得到重物在瞬間加速度為0，則繩子的張力F=2mg，故A正確.那究竟哪種說法是正確的呢？

2 沿繩子方向加速度關(guān)系與速度關(guān)系是否相同

假設(shè)我們認為兩者關(guān)系是一致的，以例1為例，設(shè)環(huán)到B點的加速度向下為aB，此時繩子與桿的夾角為θ，如果我們類比速度之間的關(guān)系，可以得到重物加速度a物=aBcosθ.我們用特例進行反證：如果環(huán)在外力作用下保持勻速下落，則aB=0，從加速度關(guān)系可得，重物上升加速度a物=aB=0，說明重物也是勻速上升.但從速度關(guān)聯(lián)的角度，當(dāng)環(huán)勻速下落時，因為兩者速度滿足v物=vBcosθ，當(dāng)環(huán)下落過程中，角度θ越來越小，利用余弦函數(shù)單調(diào)遞減得出重物上升速度是越來越大的，說明重物的加速度豎直向上不為0.兩個結(jié)論產(chǎn)生了矛盾，說明假設(shè)是錯誤的：沿著繩子方向加速度關(guān)系與沿繩子方向速度關(guān)系不一定相同.

3 沿繩子方向加速度關(guān)系的推導(dǎo)

同樣借助例1，我們用數(shù)學(xué)方法來推導(dǎo)：

圖2

[f(g(t))]′=f′(g(t))·g′(t)得：

①

②

③

(其中r為此時環(huán)到滑輪與繩的接觸點(后面簡稱接觸點)之間的繩長、v2是環(huán)沿著接觸點轉(zhuǎn)動的線速度，角度θ隨時間增加而減小，所以有負號).

④

將②式、③式和④式代入①式得：

⑤

⑥

綜上分析，我們可以得出結(jié)論：環(huán)的加速度沿繩子的分量等于重物上升加速度(左端繩子伸長的加速度)與環(huán)繞點轉(zhuǎn)動的向心加速度矢量和.

4 高中范圍內(nèi)，哪些情況物體沿繩子方向加速度相等？

4.1 繩子兩側(cè)的物體速度方向與連接的繩子平行，都做直線運動，不存在繞點轉(zhuǎn)動.

例2如圖3所示，A、B兩小球由繞過輕質(zhì)定滑輪的細線相連，A放在固定的光滑斜面上，B、C兩小球在豎直方向上通過勁度系數(shù)為k的輕質(zhì)彈簧相連，C球放在水平地面上.現(xiàn)用手控制住A，并使細線剛剛拉直但無拉力作用，并保證滑輪左側(cè)細線豎直、右側(cè)細線與斜面平行.已知A的質(zhì)量為4m，B、C的質(zhì)量均為m，重力加速度為g，細線與滑輪之間的摩擦不計.開始時整個系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；釋放A后，A沿斜面下滑至速度最大時，C恰好離開地面.求：斜面的傾角α；

圖3

解析由題意可知，當(dāng)A沿斜面下滑至速度最大時，C恰好離開地面，C的加速度為0；AB加速度時刻相等，此時為零.將ABC作為一個整體：

由牛頓第二定律得4mgsinα-2mg=0，

4.2 物體做圓周運動等存在繞點轉(zhuǎn)動的情況，但速度為0

物體即使存在繞點轉(zhuǎn)動的情況，如果速度為0，向心加速度也為0，所以沿繩子方向的加速度仍然相同，這些情況一般出現(xiàn)在開始運動時或運動結(jié)束時.在2018年江蘇卷中，直接涉及到沿繩子方向加速度相等結(jié)論的應(yīng)用.

例3(2018江蘇卷14題)如圖4所示，釘子A、B相距5l，處于同一高度.細線的一端系有質(zhì)量為M的小物塊，另一端繞過A固定于B.質(zhì)量為m的小球固定在細線上C點，B、C間的線長為3l.用手豎直向下拉住小球，使小球和物塊都靜止，此時BC與水平方向的夾角為53°.松手后，小球運動到與A、B相同高度時的速度恰好為零，然后向下運動.忽略一切摩擦，重力加速度為g，取sin53°=0.8，cos53°=0.6.求：

圖4

(1)小球受到手的拉力大小F；

(2)物塊和小球的質(zhì)量之比M∶m；

(3)小球向下運動到最低點時，物塊M所受的拉力大小T.

5 綜述

通過對本問題的探討，筆者獲得如下結(jié)論：連接體沿繩方向加速度的關(guān)系與速度間的關(guān)系不一定相同.我們既要考慮平動的加速度，也要考慮轉(zhuǎn)動時的向心加速度.在高中物理學(xué)習(xí)中，下列情況的加速度之間的關(guān)系和速度關(guān)系是相同的：1.繩子兩側(cè)的物體速度方向與連接的繩子平行，都做直線運動，不存在繞點轉(zhuǎn)動的情況.2.物體做圓周運動存在繞點轉(zhuǎn)動時，但速度為0的情況.