(接22日)
例6:如图所示,质量为m的木板放在弹簧的上端并在竖直方向作简谐运动。当其振幅为A时,物体对弹簧的压力的最大值是物体重力的1.5倍。则物体对弹簧的最小压力是___________。欲使物体在随弹簧振动的过程中不离开弹簧,则其振幅不能超过___________。
分析:该振动的回复力是弹簧弹力和重力的合力。在平衡位置弹力和重力等大反向,合力为零;在平衡位置以下,弹力大于重力,F- mg=ma,越往下弹力越大;在平衡位置以上,弹力小于重力,mg-F = ma,越往上弹力越小。
(1)当物体随弹簧一道在竖直方向上作简谐运动时,在平衡位置处,以k表示该弹簧的劲度系数,设对应于振动物体的平衡位置弹簧的压缩量为x0,则有k·x0=mg…①
当物体振动的振幅为A时,它对弹簧有最大压力出现在简谐运动的最低点,此刻弹簧的压缩量为(x0+A),此刻物体对弹簧的压力大小为Fmax=k(x0+A)……②
依题意有Fmax=1.5mg,且k·x0=mg,故得: kA=mg……③
物体对弹簧有最小压力出现在简谐运动的最高点,这种情况下弹簧的最小压缩量是(x0-A),则物体对弹簧的最小压力为:Fmin=k(x0-A)……④
将①③代入④式得: Fmin=mg
(2)物体不脱离弹簧的临界状态应为:当物体离开平衡位置向上振动达到振幅处时,弹簧的长度恰为其自然长度,即这时的振幅A′就是x0。故得:
A=x0=2A。
分析后我们得到结论,当货物位于其简谐运动的最低点的时候,对车厢底板压力最大。
例7:为监测某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场,在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是:()
A.若污水中正离子较多,则前表面比后表面电势高
B.若污水中负离子较多,则前表面比后表面电势高
C.污水中离子浓度越高电压表的示数将越大
D.污水流量Q与U成正比,与a、b无关
分析:本题向同学们展示了一个电磁流量计的模型,是生产和生活中的实际问题,我们将这个模型与我们熟悉的磁流体发电机的模型靠拢。
做出如图所示的俯视图如下图所示
Bqv=Eq ∴Bv=E=……①
又Q·t=bcvt ∴v=……②
将②带入①得到: U=B
答案:D
(2003全国卷24)中子星是行星演化过程的一种可能结果,它的密度很大。现有一中子星,观测到它的自转周期为T=s,问该中子星的最小密度应是多少才能维持该星体的稳定,不致因自转而瓦解。计算时星体可视为均匀球体。(引力常数G=6.67×10-11Nm2/Kg2)
分析:万有引力是同学们熟知的内容,但本题引用了高中课本中没有讲授过的中子星问题,导致不少同学不知从何下手,解答情况也并不理想。其中关键的一点就在于同学们对“什么是不致因自转而瓦解?”这句话的理解不是十分透彻。
其实如果想一想:我们站在地面上为什么不能像人造卫星一样离开地面而绕地球运转?原因就是我们受到的万有引力F万=,而我们站在赤道上随地球自转所需的向心力F向=mR()2。由于地球自转周期是24h,计算结果可以说明F万>F向,因此我们必然受到地面向上的弹力。
在半径不变的条件下,所需的向心力与周期的二次方成反比,如果地球的自转周期不是24h而是85min,那么我们所受的万有引力将会刚好等于随地球自转的向心力,那时位于赤道上的每个人都将脱离地面绕地球运转。本题就是求中子星的这种临界状态。利用M=ρV,和球体积公式V=R3就可得最小密度为1.27×1014kg/m3。
由此可见,对于新模型下的物理问题,除了要建立好相关模型以外,还要对关键的字、词和句做出正确的分析和理解。
(未完待续)