先说法一:
对于第二问,如果你真正理解了第一问的解题思想,那第二问应该也没什么问题.其实关键就在于你画波浪线的那段话中:要采用“水块”(与木块的某部分体积对应的水立方体)移动的思想来考虑问题.
第一问中,是与整个木块同体积的水,从2位置移动到了3位置;
第二问中,则是:与二分之一的木块等体积的水,从【1位置下方的一个区域,也等同于3位置的下半部分区域】移动到【水平面上】.
因为该过程就是木块从1移动到3;对于木块而言:是1的上半部分,移动到了3的下半部分(1的下半部分与3的上半部分是重合的,相互抵消);那么对于水而言:本应是将此过程反过来的,但由于这是入水过程,(而水是流动的,且水可以流到的地方的面积是大于木块的底面积的,)所以位于3的下半部分的水,并没有上升到1的上半部分,而是铺在了(原来的)水面上;又因为水面非常大,所以平铺后的水的新增高度可以忽略不计.这就相当于:
将一个体积为半个木块的“水块”,变成了一个面积超大的“水面”;从几何的角度看,“水面”是没有体积的,但我们所关心的“质量”、“重力”和“势能”,它都有,所以这样做是没有问题的.
显然:3的下半部分(半个木块)的重心,距离水平面的高度,就是3·a/4;
再说法二:
是第一问考虑了重力做功,所以只说第一问.
确实,机械能的功能原理中,是不应考虑重力做功的.我也觉得解析中的答案有问题.
本题所问的是“池水势能的变化”,所以不管用什么方法,最终都得将“水”隔离出来分析.解析中开头用了整体分析法,但后面又只分析了木块的做功情况,很混乱.不过借用这个思路,我们还是可以解出本题的:
水、木整体:所受外力(不含重力)就是F,总功为:(以向下为正方向)
W总=F·(H-a)=m·g·(H-a);为正功;
单说木块:所受外力包括F、F浮;总功为:
W木=(F+F浮)·(H-a)=[m·g+(-2·m·g)]·(H-a)=-m·g·(H-a);为负功;
则对水做的功就是:
W水=W总-W木=2·m·g·(H-a);为正功,说明机械能增加.
因为水的动能不变,所以增加的机械能全部属于重力势能.这就是所求结果了.
其实我们可以只对水进行分析:水所受的外力来自木块.因为整个过程中,与水相关的力(重力除外)只有浮力.浮力是水施加给木块的;反过来,木块就会给水以大小相等、方向相反的反作用力.记作X,则:
X=-F浮=2·m·g;方向竖直向下;
位移就是该力的作用点(木块与水的接触面)的位移:H-a;所以X对水所做的功为:
W水=2·m·g·(H-a);为正功;
其实,这个功与浮力——即X的反作用力——(对木块)做的功,大小相等,符号相反.