牛頓運動定律應用中的思維方法

2022-09-17 07:45:04 字數 2636 閱讀 3045

牛頓運動定律的應用問題,知識綜合性強,能力要求高,是高中物理的核心內容之一,穿插其中的研究問題的基本思維方法,如研究物件的選取法、受力分析的處理法及物理情景分析法等,將貫穿於整個物理學中,是我們今後學習物理學的基礎,應注意掌握並靈活運用。

一、研究物件的選取方法

1.整體法

把一組加速度相同的連線體作為整體看待,由於中的是合外力,連線體中的作用力是內力,在列式時不予考慮而簡化了受力情況。

2.隔離法

把連線體中的某一部分從整體中隔離出來進行研究的方法,其它部分對其作用力變成外力,常在求連線體間的作用力時用隔離法。

在實際解題過程中整體法和隔離法經常交替使用,一般是選用整體法求加速度,再用隔離法求物體間的相互作用力。

例1如圖1所示,某長方形物體被鋸成a、b、c三塊,然後再拼在一起,放在光滑的水平面上,各塊質量分別為,現以的水平推力沿對稱軸方向推c,使a、b、c三塊保持矩形整體沿力的方向平動,在運動過程中,c對a作用的摩擦力大小為( )

a.10n b.2.17n c.2.5n d.1.25n

解析:本題單獨用整體法或隔離法都不能最終解決問題,必須兩者結合起來。以a、b、c三塊為研究物件,求出整體的加速度:

隔離a,a在水平方向受到c的彈力n和摩擦力f兩個力作用,如圖2所示。

由圖1-1易知:

二、物體受力分析的處理法

1.合成法

若物體只受兩個力作用而產生加速度時,應用力的合成法較簡單,合外力的方向就是加速度方向。解題時只要知道合外力的方向,就可以知道加速度的方向,反之亦然。解題時要準確畫出力的平行四邊形,然後利用幾何關係進行求解。

例2一輛小車在水平地面上沿直線行駛,在車廂上懸掛的擺球相對小車靜止,其懸線與豎直方向成角,如圖2所示,問小車的加速度多大,方向怎樣,運動情況如何?

解析:小球受力情況如圖2-1所示,由圖可知,所以加速度,水平向左且為恒量,小球與小車相對靜止,則小車加速度與小球具有共同的加速度,小車做勻變速直線運動,且有兩種情形,向左做勻加速直線運動或向右做勻減速直線運動。

2.正交分解法

當物體受到兩個以上的力作用而產生加速度時,常用正交分解法解題,多數情況下把力正交分解在加速度方向和垂直加速度方向上,此時有,特殊情況下分解加速度比分解力更簡單。

例3如圖3所示,質量為的人站在自動扶梯上,扶梯正以加速度向上減速運動,與水平方向的夾角為,求人受的支援力和摩擦力。

解析:以人為研究物件,他站在減速上公升的電梯上,受到豎直向下的重力和豎直向上的支援力,還受到水平方向的靜摩擦力,由於人沿斜面向下的加速度具有水平向左的分量,故可判斷水平向左,其受力如圖3-1所示。建立如圖3-2所示的座標系,並把加速度分解為水平加速度和豎直加速度。

則由平行四邊形定則知,

由牛頓第二定律得:,

解得:,

三、物體運動情景分析法

1.程式法:對於研究物件按時間的先後經歷了幾個不同的運動過程的一類問題的解決方法叫程式法。即正確劃分題目中有多少個不同過程(或狀態),然後對各個過程(或狀態)進行具體分析,運用恰當規律列出方程,聯立求解出正確結果的方法。

運用程式法時,要注意前乙個過程的結束是後乙個過程的開始,兩個過程的交接點往往是解決問題的關鍵。

例4如圖4所示,一根輕彈簧上端固定,下端掛一質量為m0的平盤,盤中有物體質量為m,當盤靜止時,彈簧伸長了l,現向下拉盤使彈簧再伸長後停止,然後鬆手放開,設彈簧總處在彈性限度內,則剛鬆開手時盤對物體的支援力等於( )

a.  b.  c.  d.

解析:題目描述主要有兩個狀態:(1)未用手拉時盤處於靜止狀態;(2)鬆手時盤處於向上加速狀態,對於這兩個狀態分析即可:

當彈簧伸長l靜止時,對整體有:

當剛鬆手時,對整體有:

對m有:

由以上各式解得:,故選b.

2.圖象法

圖象能形象的表達物理規律,能直觀地描述物理過程,能鮮明地表示物理量之間的關係。應用圖象,不僅能進行定性分析,比較判斷,也適宜於定量計算、論證,而且,通過圖象的啟發常能找到巧妙的解題途徑。因此,理解圖象的物理意義,自覺地運用圖象分析表達物理規律,是十分必要的。

例5 如圖5所示,質量相同的木塊a、b,用輕彈簧連線,置於光滑的水平面上,開始彈簧處於靜止狀態,現用水平恒力f推木塊a,則彈簧在第一次被壓縮到最短的過程中( )

a.a、b速度相同時,加速度  b.a、b速度相同時,加速度

c.a、b加速度相同時,速度  d.a、b加速度相同時,速度

解析:由題意知,在壓縮過程中,a做加速度減小的變加速運動,b做加速度增大的變加速運動,故可定性地作出a、b的速度圖象,如圖5-1所示。兩物體速相等時,對應於兩速度圖象的交點c。

從兩圖象在c點的斜率可知,有,故選項a與b都錯。若在壓縮過程中的某一時刻兩物體的加速度相同,則這一時刻兩圖象的切線平行,顯然此時有,故選項d正確。

3.極端假設分析法

將問題推到極端狀態或極端條件下進行分析的方法。特別是解答選擇題時,採用極端假設分析法,選擇適當的極限值:最大值、最小值、零值、無限大值以及臨界值等代入備選答案,會使解題收到意想不到的簡化效果。

例4.乙個物體沿動摩擦因數為的斜面加速下滑,下列圖象,哪乙個比較準確的描述了加速度a與斜面傾角的關係( )

解析:當時,物體靜止在水平面上,a=0;當由零稍增大,物體仍能靜止在斜面上,所以圖象不過原點。

當增大到一定值後,物體將沿斜面加速下滑,則物體受力分析如圖6所示。

則有:,,解得:

當增大到900時,加速度達到極大值g,即物體作自由落體運動。所以圖象d是合理的。

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