上周已经是开学后第4周了。刨去开学的第一周就31号1天,实际上课3周,上周末我们举行了“半月考”。现在年级里实行的是“半月考”模式,就是每半个月,全科进行一次考试检测,看学生学习情况如何,老师对教学也做到心中有数,出现的复习问题,可以及时打补丁,也可对教学情况进行及时调整,与原来的每周周练相比,既减少了考试,还能兼顾复习进度,不失为上策。
下面是“半月考”中一道杀伤力很强的题,个人认为这题有点狠:
题目展示
6.如图所示,杂技演员做“水流星”表演时,用一绳系着装有细沙的小桶在竖直平面内绕O点做圆周运动,整个运动过程中细沙没有流出。已知小桶内细沙的质量为m,O点到细沙面的距离为L,细沙面到桶底的距离为,小桶直径远小于L,重力加速度大小为g。则小桶转到最低点时细沙对桶底的压力大小至少为( )
A.
B.
C.
D.
答案:D
大多数同学答案都是A,极少能选对正确答案,给个答案都凑不出正确思路。
分析:
这是典型的“竖直面内的圆周运动”问题,刷题多的同学做法就是三步:
将沙的质量集中到重心处,设圆周运动半径为,重心在最高点速度,最低点速度,则最高点不掉落:
最低点:
从最高到最低机械能守恒:
(1)(2)(3)联解就得到错误答案:
那么那个长度有什么用?不如直接告诉我们沙可视为质点?既然告诉我们这个长度,说明此处沙的长度是 “较大的” ,不可视为质点。
然后我们放大来看:在最高点时,当重心处满足(1)式刚达到临界速度,沙最下面A处速度是不是比重心处还小?那么此处沙必然无法完成圆周运动,因此,最易在最高点脱离的沙应该是A处的沙,而不是重心处。因此最高点重心的临界速度不是,而应该是A处的速度达到临界值,根据重心和A点须满足角速度相等
即得此时重心的临界速度,将其代入(3)式得,再结合(2)可以解得
以上处理是认为沙的重心和表面A点速度有差异,大小不能看成质点。那么就带来另外一个问题:既然沙不能视为质点,那它就是一个有形状的刚体。按照刚体转动,其重力势能减少就不是全部转化为重心处等效质量后的动能增加了,这点大家可以参考我之前的文章《33微专题|轻杆连接转动系统,机械能守恒应用要小心(解惑)word可下载》,按此我们可以计算一下重心的实际角速度:
其中为转动惯量,根据棒绕一端转动,转动惯量:
得,代入(4)式,结合,得最低点
代入(2)式,可得
我们对比和发现,其差异非常小,小到小数点后第三位,不难推断,这是因为沙的厚度太小导致的,此时用机械能守恒算最低点速度时,忽略其各部分相对重心的转动,视为质点就是合理的。因此(3)式处理是合理的。但如果沙的厚度占转动半径之比大点,比如一半,这种情况下还将重力势能认为全部转化为重心等效点对应的动能,其差异就不是一星半点了。
感悟:
-
对本题而言,难点是那个长度,需要灵活的处理,有时它“很小”,有时它“很大”。究竟何时视为“质点”,何时又不能看成“质点”,其中的物理素养,是光刷题不思考,是刷不出来的。
2.命题了解问题本质,对数值的设定才能做心中有数,在该近似时偏差不大,在该计较时又值得细推,那个长度可谓恰到好处。
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