在解答複雜的物理學中問題時,如果系統中的首次作用具有規律性,那麼我們可以用歸納法将其表達出來,而演繹法就是将複雜而據有規律性的問題進行推導,從而猜測出系統在某一個環節時的狀态。下面為了大家更好的了解歸納法與演繹法,我以一個物理例題來加以說明。
在一個光滑的水平面上放置着一塊足夠長的木闆,在木闆上從左到右依次擺放着标有序号的1、2、3、4……n的木塊,所有标有序号的木塊的質量均為m,它們與木闆将的動摩擦因素相同,剛開始時,木闆靜止不動。
在某一時刻,木闆上的小木塊1、2、3、4……n以分别為V0、2V0、3V0、4V0……nV0向右運動時,最終所有的木塊與木闆以共同的速度運動,木塊之間沒有相互碰撞,木闆的質量為所有木塊的質量和。
第一:所有木塊與木闆一起勻速運動的速度V?
第二:第1号木塊與木闆剛好相對靜止時的速度V1是多大?
第三:通過分析與計算說明第K号(K<n)木塊最小速度Vk為多大?
看到題目時我們就感覺到有點複雜,再看到問題時,大家又沒有蒙圈的感覺。其實,在解答第一問時,這一般就是一個送分項。根據題意我們知道,木闆與水平面沒有摩擦力,故而有木闆與木塊所組成的系統裡,其動量是守恒的,所以我們可以得出如下的式子:
系統的初動量P=m(V0 2V0 3V0 4V0…… nV0),系統的末動量P'=(nm M)V,M為木闆的質量,根據題意可得M=nm。由動量守恒定律可得P=P',然後聯立上面的三式後可得出V=(n 1)V0/4。可能後面的等式大家很難看懂,因此,本人在此詳細說明一下。
m(1 2 3 4 …… n)V0=2nmV,根據高斯在數學上的一項推論,等式左邊的式子可以簡化為m{(1 n)n/2}V0=2nmV,從而解得V=(n 1)V0/4。
解答第二問時,我們還得回到題目中,抓住題目中出現的關鍵字眼來解題。題目中說所有木塊與木闆之間的動摩擦因素相同,也就是說所有木塊做勻減速的加速度相等,也就是說所有木塊的速度減少量是相等的,又因為所有木塊沒有相互碰撞,這句話更充分說明了木塊的速度減少量時相等的。
第1号木塊與木闆相對靜止時,木塊與木闆的速度是相同的,設此時的速度為V1,該木塊速度的減少量△V=V0-V1,在這段時間内,所有木塊與木闆間的速度減少量都為△V。由動量守恒定律可知,所有的木塊動量的減小量等于木闆動量的增加量,故而有MV1=nm(V0-V1),解得V1=V0/2。
解答本題中的第二問是靈活的運用了動量守恒定律。
在解答第三問時,我們首先得弄明白一件事,也就是說,木塊的最小速度為多大呢?這時我們就要從木塊的運動規律上來說,木塊在木闆上做勻減速運動,通常情況下,速度為零為任何運動物體的最小速度,但是由于木闆和水平面沒有摩擦力,故而木闆也會随着木塊一起運動,也就是說,第K号木塊的最小速度跟此時木闆的速度相等,也就是木塊與木闆處于将對靜止狀态。
由第二問可知,此時從第1、2、3、4……K号木塊與木闆的速度均為Vk,而從第k 1,k 2……n号木塊動量的減小至共為(n-k)m(kV0-Vk),由動量守恒定律可得m(1 2 3 4…… K)V0 ((n-k)m(kV0-Vk)=(km M)Vk,解得Vk=k(2n 1-k)V0/4n,其中n>k。
解答第三問同樣靈活的運用了動量守恒定律,即在第K号木塊時,左邊式子的動量減少量等于右邊式子的動量增加量。
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