對(duì)一道物理奧賽力學(xué)題解答錯(cuò)誤的分析

李小杰

(四川省西華師范大學(xué)物理與空間科學(xué)學(xué)院 637009)

該中學(xué)物理奧賽培訓(xùn)題目長(zhǎng)期被很多高中物理奧賽輔導(dǎo)資料所編入．為方便讀者，先將原題及解答轉(zhuǎn)錄于下，再對(duì)其中存在的錯(cuò)誤予以分析，最后提出原題的修改建議.

一、原題及原解答

例題3個(gè)半徑同為R、質(zhì)量同為m的勻質(zhì)光滑小球放在光滑水平桌面上，用一根不可伸長(zhǎng)的均勻橡皮筋把它們約束起來(lái)．如圖1所示，將一個(gè)半徑也為R，質(zhì)量為3m的勻質(zhì)光滑小球放在上述3個(gè)小球正上方，因橡皮筋約束，下面3個(gè)小球并未分離．試求：

(1)放置上面的小球后，橡皮筋張力的增量△T；

(2)將橡皮筋剪斷后，上面的小球碰到桌面時(shí)的速度u．

解稱上面的小球?yàn)榍?，球心為O1，下面三個(gè)小球分別為球2、球3、球4，球心對(duì)應(yīng)為O2、O3、O4．

(1)連結(jié)O1、O2、O3、O4，如圖2所示，則有

對(duì)圖2中的α角，易知有

設(shè)球1對(duì)下面每個(gè)小球的壓力為N，則球2、3、4對(duì)球1的反作用力的合力為3mg(球1的質(zhì)量為3m)，即有

3Ncosα=3mg.

球2、3、4各自所受的力N的水平分力為

如圖3所示，橡皮筋張力T0的增量△T應(yīng)正好用來(lái)平衡N′．很易導(dǎo)得2ΔTcos30°=N.

二、原解答的錯(cuò)誤之分析

筆者認(rèn)為，對(duì)(1)的解答中存在錯(cuò)誤．試分析如下:

當(dāng)用橡皮筋將下面三個(gè)球約束起來(lái)后，橡皮筋中便因微小拉伸形變產(chǎn)生了張力T0，與此同時(shí)，下面的三個(gè)球之間也相應(yīng)地因微小壓縮形變而產(chǎn)生了相互的壓力N0，如圖4所示．顯然有T0=N0

放上球1后，由于此球?qū)ο旅嫒蛳蛲鈧?cè)的擠壓作用N′將使下面三球原來(lái)的微小壓縮形變有所減小(可能完全恢復(fù)，也可能僅部分恢復(fù))，從而導(dǎo)致下面三球之間的壓力減?。c此同時(shí)，也將使橡皮筋原有的微小拉伸形變進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致橡皮筋的張力增大．設(shè)下面三球之間的壓力減小了ΔN0，橡皮筋的張力增大了ΔT，如圖5所示．則下面任意一球在水平方向應(yīng)滿足的平衡條件為

2(T0+ΔT)cos30°=2(N0-ΔN0)cos30°+N′

將前面得到的T0=N0代入，即得

2ΔTcos30°=N′-ΔN0

將此式與原解答所得的2ΔTcos30°=N′相比較，便可得知原解答的錯(cuò)誤在于疏忽了下面三球之間壓力的減小ΔN0，誤以為三球之間的壓力始終不變.

由于ΔN0大小的不確定性，所以原題實(shí)際上是無(wú)法解答的.

三、原題之微改

為了使原題的基本構(gòu)思立意不變但又可解，可將其改為：

3個(gè)半徑同為R、質(zhì)量相同的勻質(zhì)光滑小球放在光滑水平桌面上，用一根不可伸長(zhǎng)的均勻橡皮筋把它們約束起來(lái)，此時(shí)橡皮筋的張力為T(mén)0．然后，如圖1所示，將一個(gè)半徑也為R，質(zhì)量是上述個(gè)小球質(zhì)量3倍的勻質(zhì)光滑小球放在上述3個(gè)小球正上方，從而使得下面3球之間的壓力減小為零，因橡皮筋約束，下面3個(gè)小球并未分離．試求：

(1)放置上面的小球后，橡皮筋張力的增量△T；

(2)將橡皮筋剪斷后，上面的小球碰到桌面時(shí)的速度u．