对一道变质量问题的探究
作者:陈坤 周媛净
来源:《中学物理·高中》2012年第08
        笔者在一本高考资料上遇到一道这样的题:如图陈坤资料1所示,滑轮光滑且质量和大小不计,一长为L、质量为m、不可伸长且质量分布均匀的细绳堆放在光滑的水平面上,通过细线(不计质量)绕过定滑轮,用一恒力拉绳,当拉力作用到绳子刚好全部离开地面时撤去,最后绳恰好停在滑轮上,试求拉力F的大小.
        资料所给的标准答案是:
        对绳在力F作用的过程应用动能定理:
        FL—mg·12L=12mv2
        撤去F至绳恰好停在滑轮上的过程中绳的机械能守恒
        12mv2=mg·54 L
        由上述两式可解得
        F=74mg.
        这一标准答案看似天衣无缝,但细细分析,不难发现绳子由堆放桌面上升到空中的过程中,瞬间获得和空中绳子相同的速度,这类似于完全非弹性碰撞,在该过程中肯定伴随着机械能向内能转化的过程,而这是内力做功不为零导致的结果.标准答案未考虑内力做功对绳子动能的影响,故而存在漏洞.事实上,对于类似的变质量问题,通常应用动量定理,借助微元思想进行求解.
        设绳的线密度为λ,某时刻空中绳长为x,速度为v,加速度为a,取极短时间Δt,由动量定理可得
        F—λxgΔt=λx+vΔt)(v+aΔt—λxv
        整理可得
        F—λxgΔt=λxaΔt+λv2Δt+λvaΔt2
        去掉高阶小量,可得
        F—λxg=λxa+λv2
        F—λxg=λxdvdt+λv2
        F—λxg=λxdvdx·dxdt+λv2
        F=λxvdvdx+λv2+λxg
        1
        A=x2v2,可得