需要強調的是,在中學階段,我們所討論的硬杆繩子和彈簧都是理想化的模型,即不計質量的輕質硬杆,輕繩和輕彈簧,其中硬杆還不計形變,而輕繩子有兩類,叫彈性繩和非彈性繩。一般無特殊說明指的是非彈性繩,它忽略繩子的伸長,前面所分析的繩子就是指非彈性繩;而彈性繩能像橡皮筋一樣被拉長,其伸長性質與彈簧相似,這裡不再重複分析。
例1:如圖,兩個質量分別為M和m的小球,透過兩條輕繩a、b相間連線,懸掛於天花板下,試分析兩條繩子的張力大小;現用剪刀分別剪斷a、b兩繩子,求剪斷繩子的瞬間另一條繩子的張力大小。比較繩子剪斷前後張力變化情況。
解析:很明顯剪斷前繩子a拉力Ta=(M m)g ,繩子b拉力Tb=mg
非彈性繩不計形變,憑生活經驗,在剪斷繩子a時,兩個球將同時自由落體,繩子b張力為0,而如果剪斷繩子b,小球M也應一動不動,保持平衡,繩子a的張力為Mg,可見,兩種情況下,兩條繩子的張力均發生了突變。
本題中,如果將兩條繩子換成兩條輕彈簧(或彈性繩),情況又如何呢?
解析:剪斷前的情況,彈簧與繩子沒區別,Ta=(M m)g ,Tb=mg
彈簧受力時有著明顯伸長量,當彈力改變時伸長量也改變,這意味著小球要發生位移,從小球慣性的角度講,這個過程需要時間,不能突變發生,而從彈簧振子的簡諧運動週期性我們也能得到相同結論。即在剪斷彈簧的瞬間,另一條彈簧還來不及伸縮,從而保持原來的彈簧張力。
這裡還有一個問題,彈簧有一定長度,而被剪斷的只是彈簧的區域性,那麼被剪斷的彈簧自己本身的彈力是怎麼變化的呢?假設將彈簧b剪斷,剪成的兩小段分別附在兩小球M、m上,由於小球的慣性,瞬間靜止,算是彈簧的固定端,而被剪的埠是自由端,請注意這是不計質量沒有慣性的輕質彈簧,在自由端缺乏振子的情況下是不存在振動週期的,所以被剪斷的彈簧本身將瞬間恢復到其自由長度,彈力在瞬間突變為0。
以上分析結果表明,在中學階段,對於細杆、繩子和彈簧的彈力問題,情況多樣,值得商討,我們應該具體問題具體分析,把握好物理模型,才能理清題意和出題者的思路,避免產生混亂。
需要強調的是,在中學階段,我們所討論的硬杆繩子和彈簧都是理想化的模型,即不計質量的輕質硬杆,輕繩和輕彈簧,其中硬杆還不計形變,而輕繩子有兩類,叫彈性繩和非彈性繩。一般無特殊說明指的是非彈性繩,它忽略繩子的伸長,前面所分析的繩子就是指非彈性繩;而彈性繩能像橡皮筋一樣被拉長,其伸長性質與彈簧相似,這裡不再重複分析。
例1:如圖,兩個質量分別為M和m的小球,透過兩條輕繩a、b相間連線,懸掛於天花板下,試分析兩條繩子的張力大小;現用剪刀分別剪斷a、b兩繩子,求剪斷繩子的瞬間另一條繩子的張力大小。比較繩子剪斷前後張力變化情況。
解析:很明顯剪斷前繩子a拉力Ta=(M m)g ,繩子b拉力Tb=mg
非彈性繩不計形變,憑生活經驗,在剪斷繩子a時,兩個球將同時自由落體,繩子b張力為0,而如果剪斷繩子b,小球M也應一動不動,保持平衡,繩子a的張力為Mg,可見,兩種情況下,兩條繩子的張力均發生了突變。
本題中,如果將兩條繩子換成兩條輕彈簧(或彈性繩),情況又如何呢?
解析:剪斷前的情況,彈簧與繩子沒區別,Ta=(M m)g ,Tb=mg
彈簧受力時有著明顯伸長量,當彈力改變時伸長量也改變,這意味著小球要發生位移,從小球慣性的角度講,這個過程需要時間,不能突變發生,而從彈簧振子的簡諧運動週期性我們也能得到相同結論。即在剪斷彈簧的瞬間,另一條彈簧還來不及伸縮,從而保持原來的彈簧張力。
這裡還有一個問題,彈簧有一定長度,而被剪斷的只是彈簧的區域性,那麼被剪斷的彈簧自己本身的彈力是怎麼變化的呢?假設將彈簧b剪斷,剪成的兩小段分別附在兩小球M、m上,由於小球的慣性,瞬間靜止,算是彈簧的固定端,而被剪的埠是自由端,請注意這是不計質量沒有慣性的輕質彈簧,在自由端缺乏振子的情況下是不存在振動週期的,所以被剪斷的彈簧本身將瞬間恢復到其自由長度,彈力在瞬間突變為0。
以上分析結果表明,在中學階段,對於細杆、繩子和彈簧的彈力問題,情況多樣,值得商討,我們應該具體問題具體分析,把握好物理模型,才能理清題意和出題者的思路,避免產生混亂。