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类单摆运动是高中物理中常见的一种运动,由于多加了一些力,中学生经常会感到无从下手,对过程分析感到比较迷茫,对问题中的平衡位置不太清楚。为提高学生解决此类问题的能力,我们以一道例题展开分析,如下例题1。
例题1:如图1所示,在水平向右的匀强电场中,用一绝缘细线悬挂一个带电小球,其平衡位置为图中a点,现把小球拉到最低点b静止释放,则小球 从b到a的过程中电势能和重力势能的改变量ΔE应为( )A. ΔE>0 B. ΔE<0 C. ΔE=0 D. 无法确定
该题为“类单摆”运动的一种常见类型,即带电小球在匀强电场中的运动和单摆运动相似,但实际并不是单摆运动,它不符合单摆运动的条件,再加上电场环境,则解题难度增加。题上说a点为平衡位置,中学生很容易错认为小球到a点静止,其实平衡位置是物体所受指合外力为零,加速度为零的位置,而不是物体静止的位置,这时速度应该是最大的。这是中学生容易混淆的知识点,是学生对小球运动过程分析不透彻的体现。
从能量的角度来看,带点小球从b到a运动的过程中,动能、电势能、重力势能之和保持不变,从b到a运动的过程中,动能增加,所以在此过程中,电势能和重力势能之和减少,即ΔE<0。关于“从b到a运动的过程中,动能增加”可从受力和运动的角度分析,对小球进行受力分析,小球受到重力,细线的拉力,以及水平向右的电场力,而重力与电场力的合力F是一个恒力,大小和方向是不会改变的,与类重力场相似,可以从合力F的角度看过去,与O与平衡位置a点连线是平行的。拉力的方向与速度的方向互相垂直,因此在整个运动过程中拉力是不做功的,因此我们只需要看重力与电场力的合力F的做功情况,可以知道,小球在由b到达a的过程中,F与速度是锐角关系,故F做正功,小球的动能一直增大,而到达平衡位置a的时候,小球受力平衡,即合外力为0,此时F与速度垂直,小球速度达到最大,接下来小球由于惯性将继续做圆周运动,则速度方向与F成钝角,F做负功,小球动能随着运动逐渐减小至b’,再接下来,小球返回,依次经过a和b,其中仍然在a点速度达到最大,小球就这样做着往复运动,如图2所示。
整个过程都是重力与电场力的合力F在做功,因此速度的变化具有对称性,且平衡位置也是固定不变的,因此,笔者联想到,这与弹簧振子的简谐振动在速度上的变化特征相似,因此完全可以将本题套在弹簧振子模型上来分析、求解。只是弹簧振子在一维直线空间运动,而本题的小球在二维平面运动,这是与一维空间的不同之处。下图3为一水平放置在桌面上的弹簧振子(桌面光滑)。
设O为弹簧振子的平衡位置,则O点相当于上题中的a点,弹簧振子在平衡位置速度最大,由平衡位置向两边运动时,速度均减小,由两边向平衡位置运动时速度均增大。因此,电场中的类单摆问题,其实与简谐振动中弹簧振子的运动特征相似,做题时,可以将小球的运动与弹簧振子的运动类比学习,他们对弹簧振子的运动较为熟悉,因此这样对他们来说,更容易理解一点。
静电场中的小球和弹簧振子中的小球均为研究对象,a点和O点均为平衡位置,小球到达平衡位置时速度均为最大值,电场力和重力的合力F的作用和弹簧弹力的作用类似,类比弹簧振子中小球的运动,可知电场中小球的运动过程。
这样分析,将二维平面带电小球的运动类比简化为一维直线上弹簧振子的运动,简化了问题情景的难度,将复雜的问题简单化,理解起来更为容易,提高学生对知识的系统掌握能力,锻炼学生的思维能力。
例题1:如图1所示,在水平向右的匀强电场中,用一绝缘细线悬挂一个带电小球,其平衡位置为图中a点,现把小球拉到最低点b静止释放,则小球 从b到a的过程中电势能和重力势能的改变量ΔE应为( )A. ΔE>0 B. ΔE<0 C. ΔE=0 D. 无法确定
该题为“类单摆”运动的一种常见类型,即带电小球在匀强电场中的运动和单摆运动相似,但实际并不是单摆运动,它不符合单摆运动的条件,再加上电场环境,则解题难度增加。题上说a点为平衡位置,中学生很容易错认为小球到a点静止,其实平衡位置是物体所受指合外力为零,加速度为零的位置,而不是物体静止的位置,这时速度应该是最大的。这是中学生容易混淆的知识点,是学生对小球运动过程分析不透彻的体现。
从能量的角度来看,带点小球从b到a运动的过程中,动能、电势能、重力势能之和保持不变,从b到a运动的过程中,动能增加,所以在此过程中,电势能和重力势能之和减少,即ΔE<0。关于“从b到a运动的过程中,动能增加”可从受力和运动的角度分析,对小球进行受力分析,小球受到重力,细线的拉力,以及水平向右的电场力,而重力与电场力的合力F是一个恒力,大小和方向是不会改变的,与类重力场相似,可以从合力F的角度看过去,与O与平衡位置a点连线是平行的。拉力的方向与速度的方向互相垂直,因此在整个运动过程中拉力是不做功的,因此我们只需要看重力与电场力的合力F的做功情况,可以知道,小球在由b到达a的过程中,F与速度是锐角关系,故F做正功,小球的动能一直增大,而到达平衡位置a的时候,小球受力平衡,即合外力为0,此时F与速度垂直,小球速度达到最大,接下来小球由于惯性将继续做圆周运动,则速度方向与F成钝角,F做负功,小球动能随着运动逐渐减小至b’,再接下来,小球返回,依次经过a和b,其中仍然在a点速度达到最大,小球就这样做着往复运动,如图2所示。
整个过程都是重力与电场力的合力F在做功,因此速度的变化具有对称性,且平衡位置也是固定不变的,因此,笔者联想到,这与弹簧振子的简谐振动在速度上的变化特征相似,因此完全可以将本题套在弹簧振子模型上来分析、求解。只是弹簧振子在一维直线空间运动,而本题的小球在二维平面运动,这是与一维空间的不同之处。下图3为一水平放置在桌面上的弹簧振子(桌面光滑)。
设O为弹簧振子的平衡位置,则O点相当于上题中的a点,弹簧振子在平衡位置速度最大,由平衡位置向两边运动时,速度均减小,由两边向平衡位置运动时速度均增大。因此,电场中的类单摆问题,其实与简谐振动中弹簧振子的运动特征相似,做题时,可以将小球的运动与弹簧振子的运动类比学习,他们对弹簧振子的运动较为熟悉,因此这样对他们来说,更容易理解一点。
静电场中的小球和弹簧振子中的小球均为研究对象,a点和O点均为平衡位置,小球到达平衡位置时速度均为最大值,电场力和重力的合力F的作用和弹簧弹力的作用类似,类比弹簧振子中小球的运动,可知电场中小球的运动过程。
这样分析,将二维平面带电小球的运动类比简化为一维直线上弹簧振子的运动,简化了问题情景的难度,将复雜的问题简单化,理解起来更为容易,提高学生对知识的系统掌握能力,锻炼学生的思维能力。