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一道物理问题,怎么解?

2021-06-14知识

第一问:定性分析

系统在水平方向无外力,因此在运动过程中水平方向的动量和为0。当m开始下落后,由于支撑力的作用,m滑块获得水平方向的速度,M获得相反方向的速度,两者的动量和为0.

假设滑块在和斜面分离,在此临界点,滑块的竖直速度和水平速度的tan值将达到 tan\theta ,并且水平方向由于脱离斜面,将失去支撑力的作用,水平加速度为0。但是竖直方向仍然有重力的作用,使得竖直方向速度继续增加,从而使得竖直速度和水平速度的tan值继续变大,滑块重新「一头栽倒」在斜面上。

这个分析是一般性的,也就意味着,在整个运动过程中,滑块是不会脱离斜面的。

第二问:

思路一:是由随M的非惯性系出发,先求出m相对于M的加速度,再根据水平方向动量守恒,得出m和M的加速度的关系,最后列式求得m的加速度;

思路二:直接列出微分方程,暴力求解。

设滑块的位置为 (x,y) ,斜面的位置为 X .

则根据水平方向动量守恒和机械能守恒定律,有

m\dot{x}=M\dot{X}

{1\over 2}m(\dot{x}^2+\dot{y}^2)+{1\over 2}M\dot{X}^2=mgy

又根据第一问的结论,由随M坐标系下的几何关系,得到:

{\dot{y} \over \dot{x}-\dot{X}}=\tan\theta

根据这三个方程,我们能得到

\dot{x}={\dot{y}\over \tan\theta(1-{m\over M})}=k_1\dot{y}, k_1={1\over \tan\theta(1-{m\over M})} ,

\dot{y}^2[(1+{m\over M})k_1^2+1]=2gy \Rightarrow \dot{y}^2=k_2^2y, k_2^2={2g \over (1+{m\over M})k_1^2+1}

常规思路是我们需要解出来这个微分方程 \dot{y}^2=k_2^2y 。但是这里没有必要,因为我们只需要求这个加速度,那么我们只需要对两边同时求导,可得:

2\dot{y}\ddot{y}=k_2^2\dot{y}

很显然,在 t\ne0 时, \dot{y}\ne 0

那么 \ddot{y}={k_2^2\over 2}

则 \ddot{x}=k_1\ddot{y}={k_1k_2^2\over 2}

滑块的加速度即为 a=\sqrt{\ddot{x}^2+\ddot{y}^2}=\sqrt{1+k_1^2}{k_2^2\over 2} 代入相关表达式即可得最后答案。

可以发现,这个加速度是恒定值,不随时间变化。这与思路一的最终结果是一致的。