伽利略在研究自由落體運動時,曾設想最簡單的變速運動應該是均勻變化的。描述運動的物理量可以是時間也可以是位移,那么速度隨哪個物理量均勻變化才算呢?后來伽利略把加速度定義為a=dv/dt,認為a不變的運動是勻變速,即v與t成正比。而將另一種均勻變化定義為A=dv/dx,即認為v與z成正比。下面將結合高中物理中的實例,討論速度隨位移均勻變化的“另類勻變速運動”。
一、在什么樣的力作用下可以發(fā)生A不變的運動
若物體速度隨位移均勻變化,定義另類加速度,變形為Adx=dv,兩邊除dt得,即Av=a,根據(jù)牛頓第二定律F=ma得F=mAv,式巾mA為常量,即物體所受合外力與速度成正比,則運動速度隨位移均勻變化。由于合外力與速度成正比,若v=0,則F=0.物體將不具有加速度,一直保持靜止?,F(xiàn)實中可以發(fā)生的形式是物體具有一定的加速度,并受到與速度成正比的阻力作用。
二、發(fā)生另類勻變速運動的實例
例1 (2007年高考江蘇卷)如圖1所示,空間等間距分布著水平方向的條形勻強磁場,豎直方向磁場區(qū)域足夠長,磁感應強度B=1T,每一條形磁場區(qū)域的寬度及相鄰條形磁場區(qū)域的間距均為d=0.5m?,F(xiàn)有一邊長l=0.2m、質量m =0.1kg、電阻R=0.1Ω的正方形線框MNOP,以vo=7m/s的初速度從左側磁場邊緣水平進入磁場,求線框能穿過的完整條形磁場區(qū)域的個數(shù)n。
解:設線框水平切割磁感線的速度為v時,則E=據(jù)解得n≈4.4。因此線框可以穿過4個完整條形磁場區(qū)域。
例2 (2012年“華約”聯(lián)盟自主招生)如圖2所示,平行長直金屬導軌水平放置,導軌間距為t,一端接有阻值為R的電阻;整個導軌處于豎直向下的勻強磁場中,磁感應強度為B;一根質量為m的金屬桿置于導軌上,與導軌垂直并接觸良好。已知金屬桿在導軌上開始運動的初速度大小為vo方向平行于導軌(規(guī)定向右為x軸正方向)。忽略金屬桿與導軌的電阻,不計摩擦。證明:金屬桿運動到總路程的λ(O≤λ≤1)倍時,安培力的瞬時功率P=
解:金屬桿所受安培力F=安培力與速度成正比,所以金屬桿的運動是速度隨位移均勻變化的運動。南因此金屬桿運動的總路程總路程的A(O≤λ≤1)倍xλ此時金屬桿的瞬時速度VA=v;.安培力的瞬時功率P=
作者單位:河南省許昌高級中學