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      談拉格朗日方程在高中物理競(jìng)賽中的應(yīng)用

      2021-05-14 08:58:04
      物理教師 2021年4期
      關(guān)鍵詞:角加速度拉格朗勢(shì)能

      孫 偉

      (南京市雨花臺(tái)中學(xué),江蘇 南京 210012)

      對(duì)高中物理力學(xué)競(jìng)賽題的處理基本上是以牛頓運(yùn)動(dòng)定律來求解的,而用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來求解質(zhì)點(diǎn)組的運(yùn)動(dòng)問題時(shí),常常要解算大量的微分方程組.如果質(zhì)點(diǎn)組受到約束,則因約束反力都是未知的,所以并不能因此減少而且甚至增加了問題的復(fù)雜性.為此,利用分析力學(xué)的思路解決這類問題往往相對(duì)簡(jiǎn)單.下面對(duì)拉格朗日方程的應(yīng)用做簡(jiǎn)單介紹.

      1 完整約束

      某些約束僅對(duì)力學(xué)系統(tǒng)的幾何形象加以限制,即僅對(duì)系統(tǒng)的位形加以限制,而對(duì)質(zhì)點(diǎn)的速度沒有限制,這種約束稱為幾何約束.對(duì)于涉及力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況的約束,即對(duì)速度也有限制的,則稱為運(yùn)動(dòng)約束.可積分的運(yùn)動(dòng)約束與幾何約束在物理實(shí)質(zhì)上沒有區(qū)別,合稱為完整約束.

      2 保守力系的拉格朗日方程

      3 應(yīng)用步驟

      題1.(第30屆決賽)質(zhì)量均為m的小球1和小球2由一質(zhì)量可忽略、長(zhǎng)度為l的剛性輕桿連接,豎直地靠在墻角,如圖1所示.假設(shè)墻和地面都是光滑的.初始時(shí)給2一個(gè)微小的向右的初速度.問系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中,當(dāng)桿與豎直墻面之間的夾角為何值時(shí),球1開始離開墻面?

      圖1

      解析: 球1開始離開墻面前兩球各自沿直線運(yùn)動(dòng),它們的運(yùn)動(dòng)受到一個(gè)剛性桿的限制,因此系統(tǒng)只有1個(gè)自由度.建立如圖2所示的坐標(biāo)系,取桿與豎直墻面的夾角θ為廣義坐標(biāo),此時(shí)球1的y軸坐標(biāo)為

      y=lcosθ.

      (1)

      圖2

      球2的x軸坐標(biāo)為

      x=lsinθ.

      (2)

      (1)(2)式分別對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得:球1的的速度

      (3)

      球2的速度

      (4)

      主動(dòng)力為兩球的重力,它們?yōu)楸J亓?系統(tǒng)的動(dòng)能

      (5)

      系統(tǒng)勢(shì)能

      V=mglcosθ.

      (6)

      拉格朗日函數(shù)

      L=T-V.

      (7)

      由(3)~(7)式得

      (8)

      由拉格朗日方程得

      (9)

      由(9)式得

      (10)

      對(duì)(10)式積分并代入初始條件得

      (11)

      球1脫離墻面時(shí),桿對(duì)兩球沒有作用力,球2的加速度為零,對(duì)(4)式求導(dǎo)得

      (12)

      聯(lián)立(10)~(12) 3式得

      (13)

      題2.(第33屆決賽)如圖3所示,AB為一根均質(zhì)細(xì)桿,質(zhì)量為m,長(zhǎng)度為l2;桿上端B通過一不可伸長(zhǎng)的軟輕繩懸掛到固定點(diǎn)O,繩長(zhǎng)為l1.開始時(shí)繩和桿均靜止下垂,此后所有運(yùn)動(dòng)均在同一豎直面內(nèi).

      圖3 圖4

      (1) 現(xiàn)對(duì)桿上的D點(diǎn)沿水平方向施加一瞬時(shí)沖量I,若在施加沖量后的瞬間,B點(diǎn)繞懸點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和桿繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相同,求D點(diǎn)到B點(diǎn)的距離和B點(diǎn)繞懸點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)的初始角速度ω0.

      (2) 設(shè)在某時(shí)候,繩和桿與豎直方向的夾角分別為θ1和θ2(如圖4所示),繩繞固定點(diǎn)O和桿繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度分別為ω1和ω2,求繩繞固定點(diǎn)O和桿繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度α1和α2.

      解析: (1) 設(shè)在施加沖量后的瞬間桿的質(zhì)心C速度為vC,由沖量定理得

      I=mvC.

      (1)

      由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定理得

      (2)

      B、C點(diǎn)以同一角速度繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),B點(diǎn)速度滿足

      (3)

      由(1)(2)(3)式得

      (4)

      (2) 系統(tǒng)有2個(gè)自由度,以繩和桿與豎直方向的夾角θ1和θ2作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo).建立以點(diǎn)O為原點(diǎn),水平向右為x軸,豎直向下為y軸的坐標(biāo)系,則桿的質(zhì)心坐標(biāo)為

      (5)

      (5)式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得質(zhì)心速度

      (6)

      主動(dòng)力為桿的重力,是保守力.系統(tǒng)的動(dòng)能為

      (7)

      系統(tǒng)的勢(shì)能

      (8)

      拉格朗日函數(shù)

      L=T-V.

      (9)

      由拉格朗日方程得

      (10)

      (11)

      由(10)、(11)式得

      (12)

      (13)

      圖5

      題3.(第33屆復(fù)賽)兩根質(zhì)量均勻分布的桿AB和BC,質(zhì)量均為m,長(zhǎng)均為l,A端被光滑鉸接到一固定點(diǎn)(即AB桿可在豎直平面內(nèi)繞A點(diǎn)無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)).開始時(shí)C點(diǎn)有外力保持兩桿靜止,A、C在同一水平線AD上,A、B、C3點(diǎn)都在同一豎直平面內(nèi),∠ABC=60°.某時(shí)刻撤去外力后兩桿始終在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng).

      (1) 若兩桿在B點(diǎn)固結(jié)在一起,求

      (i) 初始時(shí)兩桿的角加速度;

      (ii) 當(dāng)AB桿運(yùn)動(dòng)到與水平線AD的夾角為θ時(shí),AB桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.

      (2) 若兩桿在B點(diǎn)光滑鉸接在一起(即BC桿可在豎直平面內(nèi)繞B點(diǎn)無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)),求初始時(shí)兩桿的角加速度以及兩桿間的相互作用力.

      解析: (1) (i) 設(shè)兩桿的角加速度為α,兩桿繞A點(diǎn)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng),由剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定理得

      (1)

      由(1)式得

      (2)

      (ii) 系統(tǒng)勢(shì)能的減少量為

      (3)

      系統(tǒng)動(dòng)能的增加量為

      可以將激勵(lì)與考核機(jī)制設(shè)置為:按應(yīng)收賬款賬齡或者應(yīng)收賬款逾期天數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算,把賬齡分為不同的區(qū)間,再結(jié)合公司應(yīng)收賬款金額的具體情況和公司薪酬的狀況來設(shè)計(jì)相應(yīng)的比例,在不同的區(qū)間按不同的比例扣除薪酬。該措施是為了引導(dǎo)與應(yīng)收賬款管理相關(guān)的部門正確合理運(yùn)用信用管理,將信用額度控制在合理范圍內(nèi),從而降低企業(yè)發(fā)生壞賬的風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)公司利益最大化。

      (4)

      整個(gè)過程機(jī)械能守恒

      ΔEp減=ΔEk增.

      (5)

      由(3)~(5)式得

      (6)

      (2) 系統(tǒng)有2個(gè)自由度,以AB桿和BC桿與豎直方向的夾角θ1和θ2作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo),設(shè)AB桿和BC桿的角加速度分別為α1和α2.建立以點(diǎn)A為原點(diǎn),水平向右為x軸,豎直向下為y軸的坐標(biāo)系,則BC桿的質(zhì)心坐標(biāo)為

      (7)

      (7)式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得質(zhì)心速度

      (8)

      主動(dòng)力是兩桿的重力,是保守力.系統(tǒng)的動(dòng)能為

      (9)

      系統(tǒng)的勢(shì)能

      (10)

      拉格朗日函數(shù)

      (11)

      由拉格朗日方程得

      (12)

      (13)

      (14)

      設(shè)BC桿對(duì)AB桿的作用力沿x軸和y軸的分量分別為Fx、Fy.

      對(duì)AB桿,相對(duì)于A點(diǎn),由轉(zhuǎn)動(dòng)定理得

      (15)

      對(duì)BC桿,其繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng),由轉(zhuǎn)動(dòng)定理得

      (16)

      兩桿間相互作用力的大小為

      (17)

      聯(lián)立(14)~(17)式得

      (18)

      BC桿對(duì)AB桿的作用力與豎直方向夾角φ滿足

      (19)

      題4.(國(guó)家集訓(xùn)隊(duì))蒸汽機(jī)的飛球調(diào)速器,由兩個(gè)質(zhì)量為m的球通過4根長(zhǎng)為l的鉸臂,與套在豎直軸的上、下兩個(gè)套筒連接而構(gòu)成,上面的套筒固定,下面的套筒質(zhì)量為M,可沿軸無(wú)摩擦地上、下滑動(dòng),如圖6所示.整個(gè)裝置繞豎直軸以恒定角速度ω0勻速轉(zhuǎn)動(dòng),忽略各鉸臂的質(zhì)量及套筒M的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

      圖6

      (1) 求套筒M平衡時(shí)與上套筒之間的距離;

      (2) 求套筒M在平衡位置附近上、下小振動(dòng)的頻率.

      解析: (1) 設(shè)套筒M平衡時(shí),在以角速度ω0繞軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中,其中一個(gè)小球m的受力如圖7所示,其中慣性離心力fi=mω02lsinθ,則有

      圖7

      (T1-T2)cosθ=mg.

      (1)

      (T1+T2)sinθ=fi=mω02lsinθ.

      (2)

      2T2cosθ=Mg.

      (3)

      由(1)~(3)式得

      (4)

      上下套筒距離

      (5)

      當(dāng)然θ=0也是體系的一個(gè)可能平衡狀態(tài),此情況下L=2l.

      (2) 系統(tǒng)有1個(gè)自由度,以上臂與豎直方向的夾角θ作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo),系統(tǒng)動(dòng)能為

      (6)

      系統(tǒng)勢(shì)能:

      V=-2(m+M)glcosθ.

      (7)

      拉格朗日函數(shù):

      L=T-V.

      (8)

      由拉格朗日方程得

      (9)

      (m+M)gsinθ=0.

      (10)

      (11)

      故小振動(dòng)的頻率為

      (12)

      總結(jié):其實(shí)還有不少的競(jìng)賽題都能用拉格朗日方程求解,比如:第26屆復(fù)賽第8題,第30屆復(fù)賽第1題,第32屆決賽第1題等,讀者可以嘗試求解并歸類.

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