Очевидно, что применение закона сохранения энергии к переходу из начального состояния в точку отрыва даст в явном виде связь между скоростью тела и высотой рассматриваемой точки.

Решение. При скольжении груза по сфере потенциальная энергия его изменяется на

ДU =-mgh,

Где h - искомая высота, отсчитываемая от вершины сферы. Кинетическая энергия тела возрастает на

ДK = mv2c /2 - mv20/2.

На вершине сферы груз находится в состоянии неустойчивого равновесия и скорость v0, необходимую для начала движения, можно считать пренебрежимо малой. Тогда, подставляя найденные выражения в (2), получаем

-mgh + mv2c/2 = 0 (3)

Чтобы от векторного уравнения (1) перейти к скалярным соотношениям, введём ось Х, направленную вдоль радиуса. Тогда ax = an = v2/R. На основании уравнения (1) mv2/R = mghcosб - N. В точке отрыва от сферы an = v2c/R, N=0, следовательно ,

mv2c/R = mgcosб.

Как видно из рисунка, cosб = (R - h)/R. Тогда

mv2c = mg(R-h). (4)

Уравнения (3) и (4) содержат скорость и высоту, относящиеся к одной и той же точке С, и образуют систему, совместное решение которой позволяет найти

h = R/3 = 0,3 м. Автор этого решения в своём пособии не выделяет и не приводит ответов к решениям задач.»

Мы привели дословное текстовое описание решения задачи. Как видим, оно отличается детальным анализом физической ситуации. Здесь приняты во внимание такие подробности, как точечные размеры груза (тем самым исключена необходимость учитывать расход энергии на вращение твёрдого тела). Здесь подчеркнуто отсутствие трения (отмечена идеальная гладкость поверхности сферы). Не упущен вопрос о начальном моменте (пренебрежимо малая начальная скорость тела). Прослежена картина изменения скорости и нормального ускорения. Приведено обоснование рабочей записи закона сохранения энергии - в неё не включена работа силы нормального давления. После такого детального анализа решение задачи не представляет значительной трудности, практически с этого момента идёт процесс письменного оформления решения.

Приведём из того же пособия ещё один пример подробного анализа физической ситуации, соответствующей сюжету задачи, а также детального обоснования всех действий, составляющих её решение.

Задача 4 (2.5.Н5). На наклонной плоскости находится груз т1 = 5 кг, связанный нитью, перекинутой через блок, с другим грузом т2 =2 кг (рис. 13). Коэффициент трения между первым грузом и плоскостью k= 0,1; угол наклона плоскости к горизонту б = 37°. Определить ускорения грузов. При каких значениях т2 система будет находиться в равновесии?

Анализ. В задаче рассматриваются два тела, связанные нитью и совершающие поступательное движение. Если нить, как всегда, считать нерастяжимой, то ускорения этих тел равны по модулю:
а1 = а2.

На тело массы m1 действуют сила тяжести m1g, сила нормальной реакции N наклонной плоскости, сила натяжения Т1 нити и сила трения fТР. Сила трения направлена в сторону, противоположную скорости тела; если же направление движения системы неизвестно, то нельзя указать направление силы трения. Но так как сила трения не может изменить направление движения на противоположное, то следует определить сначала направление движения при отсутствии трения, а затем уже решать задачу с учетом силы трения. Второй закон Ньютона для первого тела без учета силы трения имеет вид

m1a1 =m1g +T1+N. (1)

На тело m2 действуют только сила тяжести m2g и сила натяжения Т2 нити:

m2a2 = m2g + T2. (2)

Вводя оси координат и заменяя векторные уравнения (1) и (2) скалярными равенствами, получим систему уравнений, решение которой позволит определить направление ускорения а1. Поскольку тела не имели начальной скорости, мгновенная скорость каждого из тел совпадает по направлению с его ускорением, следовательно, направление силы трения, действующей на тело m1 , будет известно. После этого можно решать задачу уже с учетом силы трения. При этом в уравнение (1) надо ввести в правую часть силу трения, уравнение (2), очевидно, не изменится. При рассмотрении условий равновесия следует повторить все рассуждения, учитывая, что в этом случае

a1 = a2=0 (3)

Решение. Для замены векторных уравнений (1) и (2) скалярными введем для описания движения тела m1 оси Х и У, тела m2 - ось з (рис. 13). Учитывая, что вследствие невесомости нити и блока, Т1 = Т2, получаем:

m1a1 x= m1gsinб--T, m2a2з = T - m2g , a1 x = a2з (4)

После совместного решения уравнений (4) получаем

Проекция вектора а на ось Х положительна, это значит, что тело m1 движется вниз по наклонной плоскости, следовательно, сила трения направлена вверх по наклонной плоскости.
Можно, не возвращаясь к векторным уравнениям, ввести силу трения в первое из уравнений (4). При этом следует учесть, что

a1 x = a2з= a, fTP=-fTPx= - kN.

Тогда

m1a= m1gsinб--T-kN, m2a = T - m2g.

Силу нормальной реакции N найдем из уравнения (1), записанного в скалярном виде для проекций на ось Y:

a1y = 0, 0 = N - m1gcosб,

откуда

N = m1gcosб.

Окончательно

(5)

Совместное решение системы (5) дает

Условия равновесия, соответствующие равенству нулю результирующей силы, действующей на каждое тело, зависят, очевидно, от наличия силы трения и ее направления.
Если трения нет, то, как следует из решения системы (4),

В условиях равновесия a1 x =0 и т2 = т2* = т1 sinб = 3 кг. Если т2 < т2* , то a1 x > 0--тело т1 движется вниз по наклонной плоскости; если m2> т2* , то a1 x < 0--тело т1 движется вверх по наклонной плоскости.
В условиях равновесия сила трения является силой трения покоя и ее направление противоположно направлению возможного движения тела т1.
В первом случае (т2 < т2*) сила трения направлена вверх по наклонной плоскости и систему (4) с учетом того, что a1 x = a2з=0, можно переписать в виде

0= m1gsinб - T -fTP, 0 = T-m2g, (6)

откуда

m2= m1sinб - fTP/g. (7)

Во втором случае (m2> т2* т) сила трения направлена вниз по наклонной плоскости и уравнения (6) примут вид

0= m1sinб - T + fTP, 0 = T - m2g, (8)

откуда

m2= m1sinб + fTP/g.

В обоих случаях сила трения покоя fTP ? kN = km1gcosб. С учетом этого неравенства выражения (7) и (8) примут вид

Легко видеть, что первое неравенство имеет смысл только когда sinб>kcosб. Оба неравенства не противоречат друг другу, и равновесие имеет место при 2,6 кг ?m2 ?3,4 кг.

Предельным значениям массы т2 соответствует наибольшая сила трения покоя

(f тр.макс = kN). Если т2 =2,6 кг или m2=3,4 кг, то при малейшем толчке (в первом случае--вниз, во втором--вверх) начнется движение системы. В обоих случаях движение будет равномерным.

Задача решена аналитическим методом, её описание содержит дополнительный материал, который лишь на первый взгляд делает решение излишне громоздким. На самом деле это хорошая иллюстрация методологии физики, как науки, при рассмотрении любой физической ситуации. Пользуясь такими пояснениями можно существенно повысить точность и обоснованность ответа, углубить уровень усвоения теоретического материала и приобрести навыки решения задач повышенной сложности.

3. Запись условия задачи следует завершать после её анализа

Как видно из приведённых примеров, авторы пособий по решению задач по разному подходят к рассматриваемой проблеме. Так например, в предисловии цитированного выше решебника В.Б.Лабковского выделены пять составных частей (этапов) решения задач, перечень которых нам представляется не только не идеальным, но во многом ошибочным.

Первым этапом автор считает запись условия. Однако следует помнить, что с чтением условия начинается процесс понимания содержания задачи. А понимание невозможно без анализа физической сути, скрытой в литературном сюжете. С момента ознакомления, с самых первых слов текста задачи непроизвольно, мысленно в ней выделяются физические явления, физические параметры и величины. Уже на этом этапе память настраивается на поиск аналогов и алгоритмов. Пренебрегать этим свойством нашего мышления на этапе восприятия задачи нельзя. Нередко к концу чтения задачи её ответ уже известен. А это возможно только в том случае, если процесс решения шёл одновременно с ознакомлением с её условием. Поэтому запись условия задачи по существу отражает не исходный, а переработанный - адаптированный и трансформированный текст задачи. И чтобы не допустить ошибок «этапу записи условия» должен предшествовать детальный анализ сюжета с точки зрения физики, который завершается представлением абстрактной модели физического сюжета задачи. Отсутствие в решебниках специально выделенного этапа анализа физического сюжета задачи (как и в реальной практике на уроке) следует отнести к существенным методическим ошибкам. Вместо обучения в этом случае производится «натаскивание», в основу которого положен принцип: «знай все формулы и научись ими манипулировать».

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6