有这样一道力学问题:在xOy的竖直平面内,有一根支在原点O的弯杆,其形状可以用来y=x2k描写,其中k为不为零的正常数,在杆上穿有一个质量为m的滑块,如***1所示.若不考虑摩擦,求滑块从高度为y处滑到最低点O时,杆对滑块的作用力大小.
该题的求解思路为:物体滑到最低点O时,受竖直方向的支持力和重力作用,物体在该点的运动可以看作圆周运动一部分,由牛顿第二定律知
N-mg=mv2ρ(1)其中滑到O点的速度可由机械能守恒很容易得到,v2=2gy,关键在于如何去求抛物线顶点O的曲率半径ρ.
下面介绍几种该题中曲率半径的求解方法:
方法一 数学方法
数学上曲率半径的计算需要用到高等数学的知识.曲线上某点的曲率半径公式
ρ=(1+y′2)3/2|y″|(2)
相应地,我们可以直接利用上面的曲率半径公式进行求解.
由抛物线方程y=x2k,得
方法二 判别式法
利用曲率圆与曲线相切的数学特点,通过初等数学的方法求得曲率半径.
如***2所示,由于曲率圆与抛物线相切于O点,首先设曲率圆方程
其中ρ即为曲率半径.联立抛物线方程y=x2k,消去x,可得一元二次方程
由于两曲线只有一个交点,即上述方程只有一个解,对应判别式
方法三 利用曲线运动的加速度
由于学生在高中阶段没有学习导数,也没有深入学习曲线的轨迹方程,所以上述两种方法对大部分同学不太适用,但是我们可以利用物理方法巧妙地求解曲率半径.
由于曲线运动的速度方向总在该点的切线方向上,建立内禀坐标系,可知其法向加速度
an=limΔt0ΔvnΔt=v2ρ,这里的ρ即为曲线的曲率半径.
该题中物体通过O点的情形完全类似于平抛运动初始位置,故我们类比平抛运动,只要求得作平抛运动的物体在最高点的曲率半径即可.
如***4所示,物体在抛出点O,初速度v0水平,只受重力mg,方向竖直向下,与初速度垂直,故有又由平抛物体的轨迹方程
上述第三种方法从动力学角度,利用曲线在该点的向心加速度和曲率半径的关系,很容易得到曲率半径的结果.该题中求解的是平抛运动的特殊点――抛出点的曲率半径,而这种方法还可以求解抛物线上任意一点的曲率半径.如下题所示.
例 由某一高度以初速度v0水平射出一粒子弹,取t=0为发射时刻,试求子弹在时刻t的曲率半径.
解析 如***5所示,设t时刻子弹速度为v,则显然有v=v20+(gt)2,分析子弹受力,可知重力沿法向的分量为mgcosα,由牛顿第二定律可知
综上所述,对于求解曲率半径问题,不必死记硬背其数学公式,可以分析其特点,通过简单的物理方法或数学方法进行求解,具体选择哪种方法,取决于具体的问题情境.