高三物理中的連接體問題通常是指多個物體組成的系統,這些物體通過連接方式(如繩子、桿、彈簧等)相互作用。這類問題通常涉及牛頓運動定律、動量、能量等方面的知識。常見的連接體問題類型包括:
1. 繩拉力問題:多個物體通過繩子連接,系統受到的拉力大小和方向不確定,需要利用牛頓第二定律或第三定律來求解。
2. 桿和彈簧問題:多個物體通過桿或彈簧連接,系統受到的彈力需要根據運動狀態和受力情況來分析。
3. 加速系統:多個物體組成的系統受到外力作用而產生加速度,需要應用牛頓運動定律來求解加速度和物體間的相互作用力。
4. 碰撞問題:連接體系統發生碰撞,需要應用動量和能量守恒定律來求解碰撞后的運動狀態。
5. 振動系統:多個物體組成振動系統,需要應用振動理論來求解振動的周期、頻率、振幅等參數。
這些問題通常比較復雜,需要綜合運用所學物理知識來進行分析和解答。
題目:有兩個質量分別為$m_{1}$和$m_{2}$的小物塊,分別連在跨過定滑輪的輕繩兩端。已知$m_{1} > m_{2}$,開始時滑輪在離地面高度為$h$的位置靜止釋放。試求:
(1)物塊與地面碰撞前后瞬間,物塊的速度大小;
(2)物塊與地面碰撞過程中機械能是否守恒,并說明理由。
(3)若物塊與地面碰撞過程中機械能不守恒,求出碰撞后物塊在地面上的運動情況。
【分析】
(1)對連接體系統,由牛頓第二定律可求得碰撞前瞬間連接體的加速度大小,再由運動學公式可求得碰撞前瞬間連接體的速度大小;
(2)物塊與地面碰撞過程中,系統只有重力做功,機械能守恒;
(3)若碰撞過程中機械能不守恒,則碰撞后物塊在地面上的運動情況為勻減速直線運動。
【解答】
(1)設連接體系統在碰撞前瞬間速度大小為$v$,由牛頓第二定律得:$m_{1}gsin\theta - (m_{1} + m_{2})gsin\theta = (m_{1} + m_{2})a$,解得:$a = \frac{m_{2}}{m_{1} + m_{2}}g$,由運動學公式得:$v = \sqrt{2ah} = \sqrt{\frac{2m_{2}}{m_{1} + m_{2}}}gh$;
(2)物塊與地面碰撞過程中只有重力做功,機械能守恒;
(3)若碰撞過程中機械能不守恒,則碰撞后物塊在地面上的運動情況為勻減速直線運動。
【分析】
本題考查了連接體問題,涉及動量守恒定律和機械能守恒定律的應用,注意系統機械能守恒的條件是只有重力做功。
【解答】
解:連接體系統在碰撞前瞬間速度大小為$v$,則有:$m_{1}gsin\theta - (m_{1} + m_{2})gsin\theta = (m_{1} + m_{2})a$;解得:$a = \frac{m_{2}}{m_{1} + m_{2}}g$;設碰撞后連接體速度為$v^{\prime}$,則有:$(m_{1} - m_{2})gsin\theta = (m_{1} - m_{2})v^{\prime}$;解得:$v^{\prime} = \frac{m_{2}}{m_{1} - m_{2}}g\sin\theta$;若碰撞過程中機械能不守恒,則碰撞后物塊在地面上的運動情況為勻減速直線運動。
故答案為:(1)$\sqrt{\frac{2m_{2}}{m_{1} + m_{2}}}gh$;(2)機械能守恒;(3)勻減速直線運動。