《學髓之道:我的逆襲法典》第85章 過程分析法:解構小球的自由落體(1)

作者:孟旬·9個月前

掌握了“動態受力分析”的初步心法後,凌凡感覺自已面對力學問題時,手中多了一把鋒利的解剖刀,能夠更清晰地剖析瞬間的力與狀態變化。然而,物理世界並非總是由靜態和瞬時構成,更多的時候,是連續變化的動態過程。如何清晰地分析和描述一個完整的運動過程,成了他面臨的新挑戰。

這個機會很快到來。鄭老師在講解完勻變速直線運動的基本公式後,並沒有急於丟擲複雜題型,而是看似隨意地提出了一個最基本的問題:

“同學們,我們研究了自由落體運動,知道它是初速度為零、加速度為g的勻加速直線運動。公式也很簡單:v=gt, h=1/2gt2。那麼,現在我問你們:一個小球從高為H處自由下落,在整個下落過程中,它的動能、重力勢能、機械能是如何隨時間t變化的?請分別畫出它們隨t變化的大致影像。”

問題一齣,教室裡先是安靜,隨即響起一些輕鬆的竊竊私語。這太簡單了!幾乎是送分題!動能增加,勢能減少,機械能守恆,一條水平線唄!影像大概就是斜線、下降曲線和平直線。

凌凡一開始也是這麼想的。但他下意識地想起了陳景先生的教誨——“建模的藝術”和“在腦海中拍電影”。他沒有立刻動筆,而是閉上了眼睛,嘗試真正地“看”這個過程。

他想象一個小球,從高處釋放。

· t=0時刻:速度v=0,高度h=H。所以動能Ek=0,重力勢能Ep=H(最大),機械能E=Ek+Ep=H。

· t時刻:下落了高度h,根據h=1/2gt2,此時高度h = H - h = H - 1/2gt2。速度v=gt。

· 所以,Ep = h = (H - 1/2gt2)

· Ek = 1/22 = 1/2gt)2 = 1/22t2

· E = Ek + Ep = 1/22t2 + H - 1/22t2 = H (果然守恆)

數學推導很簡單,結論也顯而易見。但凌凡沒有停止。他嘗試著真正去理解這個過程的內涵。

“過程分析,”他回憶起鄭老師之前強調過的一個詞,“就是要弄清楚誰隨誰變,怎麼變。”

他盯著那幾個表示式:

· Ep(t) = H - (1/22)t2 => 這是一個關於時間t的二次函式,影像是一條開口向下的拋物線(但只取t≥0的一段)。隨著t增加,Ep從H開始,非線性地減小,而且減小得越來越快!

· Ek(t) = (1/22)t2 => 這也是一個關於t的二次函式,影像是一條開口向上的拋物線。從0開始,非線性地增加,增加得越來越快!

· E(t) = H => 常數,一條水平直線。

“非線性地變化……”凌凡捕捉到了關鍵。這意味著能量的轉化不是均勻的!

他再次在腦海中“拍電影”:小球剛開始下落時(t很小),速度慢,動能小,但高度很高,勢能很大。此時,重力做的功主要用來增加動能,但因為速度慢,單位時間內下落高度小,所以勢能減小的慢,動能增加的也慢。 隨著下落,速度越來越大。即使時間間隔相同,後面階段下落的高度也遠大於前面階段。因此,後面階段勢能減少得更快,動能增加得也更快!

這完全體現在了二次函式的影像上!Ep-t曲線是向下彎曲的(減小變快),Ek-t曲線是向上彎曲的(增加變快)!

如果只是簡單地認為“動能增加、勢能減少”,很容易下意識地畫出兩條直線(線性變化),那就大錯特錯了!

“原來如此……”凌凡心中豁然開朗。過程分析,不僅要知其然(增減性),更要知其所以然(變化速率、非線性關係),並能用影像精確表徵。

鄭老師開始提問同學上去畫圖。果然,好幾個同學在黑板上畫出了直線變化的Ek-t和Ep-t圖,引來了下面善意的笑聲。鄭老師沒有批評,而是耐心地引導他們從公式出發,思考函式關係。

凌凡更加確信,依賴直覺和模糊印象是學習物理的大忌。

“還有更深入的嗎?”鄭老師似乎意猶未盡,繼續追問,“如果我們考慮動能和勢能的比值 Ek/Ep 隨時間如何變化呢?”

這個問題超出了課本要求,同學們都愣住了。

凌凡卻來了興致,立刻進行過程分析: Ek/ Ep = 【1/22t2】 / 【(H - 1/2gt2)】 = 【gt2】 / 【2H - gt2】

這個比值隨時間t如何變化?他快速思考。隨著t增加,分子增大,分母減小,比值肯定增大。但具體規律呢?他注意到當t2 = H/g,即下落一半高度時,分母2H - gt2 = 2H - g(H/g) = H,分子gt2 = g(H/g)=H,所以Ek/Ep = 1!動能和勢能相等!

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