内容正文:
第三章 牛顿运动定律及其应用
第3讲 牛顿运动定律的综合应用
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第三章 牛顿运动定律及其应用
1.能用整体法与隔离体法解决动力学问题。
2.能用牛顿运动定律解决动力学的瞬时性问题。
3.能用牛顿运动定律解决动力学的临界问题。
4.能解决动力学的图像问题。
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第三章 牛顿运动定律及其应用
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第三章 牛顿运动定律及其应用
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第三章 牛顿运动定律及其应用
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甲 乙
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第三章 牛顿运动定律及其应用
谢谢观看
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第三章 牛顿运动定律及其应用
考点一 用整体法与隔离体法解决动力学问题
【考点内化】
1.应用整体法解决问题的两种情况。
(1)当只涉及研究系统而不涉及系统内某些物体的力和运动时。
(2)当可采用多种方法解题且整体法可优化解题过程时。
2.应用隔离体法解决问题的两种情况。
(1)当求解物体之间的相互作用力时。
(2)当适用于单个或可视为单个物体的物体系时。
【考点过关】
如图,五个质量均为m的物体置于光滑的水平面上,现向右施加大小为F、方向向右的水平恒力,试计算每两个物体接触面之间的相互作用力的大小。
解答:先采用整体法求出整个系统的加速度大小,根据牛顿第二定律,有a=,
设1对2的作用力为F1,则可把2、3、4、5 看作一个小整体,根据牛顿第二定律,有F1=4ma=F,
设2对3的作用力为F2,则可把3、4、5 看作一个小整体,根据牛顿第二定律,有F2=3ma=F,
设3对4的作用力为F3,则可把4、5 看作一个小整体,根据牛顿第二定律,有F3=2ma=F,
设4对5的作用力为F4,则把5 隔离出来,根据牛顿第二定律,有F4=ma=F。
点评:(1)整体求加速度,隔离求内力。(2)从本题的计算中发现:从1依次往后推,每两个物体间的作用力分别为F、F、F、F,说明与施力点越远,作用力越小。
【考教衔接】
(教材改编)高铁已成为重要的“中国名片”,领跑世界。一辆由8节车厢编组的列车,第 1节和第 5 节车厢为动力车厢,其余为非动力车厢。列车在平直轨道上匀加速启动时,若每节动力车厢牵引力大小为 F,每节车厢质量都为m,每节车厢所受阻力为车厢重力的 k倍,重力加速度为 g。求:
(1)整列列车的加速度大小。
(2)第 5 节车厢对第6节车厢的拉力大小。
(3)动车组从启动经过时间 t所达到的速度。
解答:情境写实如下。
甲
(1)求整列列车的加速度大小应采用整体法。受力分析的情况如图乙所示。
乙
计算程序。
(2)求第 5 节车厢对第6节车厢的拉力大小应采用隔离体法,但第6节车厢后面还附带有第7、8节车厢,故可以把6、7、8视为一个“小整体”。对“小整体”受力分析情况如图丙所示。
丙
计算程序。
当然,也可以分别隔离6、7、8来研究,但这样过细,计算过程偏多。
(3)解法一:设动车组从启动经过时间 t 所达到的速度为v,
根据运动学公式有v=at,
解得v=t。
解法二:根据动量定理,有
(2F-8kmg)t=8mv,解得v=t。
【练习】 (多选)如图,机车的质量为M,拖车的质量为m,水平地面对机车及拖车的滑动摩擦力分别为f1和f2,机车发动机提供的牵引力为F,机车及拖车运动的加速度为a,机车对拖车的牵引力为F′,则( )
A.a= B.a=
C.F′= D.F′=F
解析:选机车及拖车组成的系统为研究对象,水平方向受力如图甲所示。由牛顿第二定律,有F-(f1+f2)=(M+m)a,则机车及拖车运动的加速度的大小a=。选拖车为研究对象,设机车对拖车的牵引力为F′,水平方向受力情况如图乙所示。由牛顿第二定律,有F′-f2=ma,则F′=。故选AC。
甲 乙
考点二 动力学的瞬时性问题
【考点内化】
计算连接有轻弹簧的物体的瞬时加速度。
连接有轻弹簧或橡皮筋等物体的系统,当其他力发生突变的瞬间,这些物体的弹力却不会立即变化。因为弹簧弹力F=kx,x的变化需要一定时间,若瞬间突变,则x没来得及变化,故弹力没来得及变化。而含有非弹性轻绳的系统,当其他力突变的瞬间一般会引起轻绳拉力的立即变化。
【考点过关】
假设以下每一物块的质量都为m,弹簧都为轻质弹簧,绳都为非弹性轻绳,方向向下为正,向上为负。已知重力加速度为g。
(1)如图甲,两个物块A、B,由一根弹簧相连,A由一条绳悬吊于天花板上处于静止状态,若将绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=________,B的加速度为aB=______。
甲
(2)如图乙,两个物块A、B,由一条绳相连,A由一根弹簧悬吊于天花板上处于静止状态,若将绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=________,B的加速度为aB=______。
乙
(3)如图丙,物块A、B、C,用两根弹簧把A、B和B、C分别相连,A由一条绳悬吊于天花板上处于静止状态,若将绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=________,B的加速度为aB=______,C的加速度为aC=______。
丙
(4)如图丁,物块A、B、C,用一根弹簧把A、B相连,一条绳把B、C相连,A由一根弹簧悬吊于天花板上处于静止状态,若将绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=______,B的加速度为aB=________,C的加速度为aC=______。
丁
(5)如图戊,物块A、B、C,用一条绳把A、B相连,一根弹簧把B、C相连,A由另一根弹簧悬吊于天花板上处于静止状态,若将绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=__________,B的加速度为aB=________,C的加速度为aC=______。
戊
(6)如图己,物块A、B、C,用一根弹簧把A、B相连,一条绳把B、C相连,A由另一条绳悬吊于天花板上处于静止状态,若将A上的绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=_______,B的加速度为aB=_____,C的加速度为aC=______。
己
【拓展1】 在(6)中若将B、C间的绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=______,B的加速度为aB=________,C的加速度为aC=______。
(7)如图庚,物块A、B、C,用一根弹簧把B、C相连,一条绳把A、B相连,A由另一条绳悬吊于天花板上处于静止状态,若将A上的绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=____________,B的加速度为aB=____________,C的加速度为aC=______。
庚
【拓展2】 在(7)中若将A、B间的绳剪断,则在剪断瞬间,A的加速度为aA=______,B的加速度为aB=________,C的加速度为aC=______。
发现规律:在剪断绳两端物体时,加速度大小跟绳剪断前的拉力成正比,每个物体的加速度方向跟绳原来对它的拉力的方向相反。
计算含有轻弹簧的物体的瞬时加速度,主要抓住三个步骤:
(1)分析剪断轻绳之前物体处于平衡状态时的受力情况。
(2)剪断轻绳瞬间,紧抓轻绳模型中的弹力可以突变、轻弹簧模型中的弹力不能突变这个力学特征再作受力分析,判断物体将要做什么样的运动。
(3)隔离每个物体(或物体组),根据牛顿第二定律列式计算加速度。
【考教衔接】
(教材改编)如图,一台秤底部固定于水平面上,质量m=1.5 kg的秤盘Q上放着一个质量M=10.5 kg的重物P,轻弹簧的劲度系数k=800 N/m,系统处于静止状态。现给P施加一个竖直向上的力F,使P从静止开始向上做匀加速直线运动,已知在最初0.2 s内F是变化的,在0.2 s后是恒定的,g取10 m/s2。求:
(1)最初0.2 s内重物加速度的大小。
(2)力F的最小值和最大值。
错解:(1)初始状态未加力F时,设弹簧的压缩量为x0,根据平衡条件,有kx0=(m+M)g,代入数据解得x0=0.15 m。
当P、Q分离时,Q受到的力为自身的重力mg和弹簧对其向上的弹力kx1,根据平衡条件有kx1=mg,
解得x1=0.018 75 m。
根据运动学公式x0-x1=at2,解得a=6.562 5 m/s2。
(2)对系统,根据牛顿第二定律,有Fmin=(M+m)a,
故F的最小值为Fmin=78.75 N。
当P、Q分离时F有最大值,对P,根据牛顿第二定律,
有Fmax-Mg=Ma,
故F的最大值为Fmax=Mg+Ma=173.906 25 N。
正确:错解的原因是忽视了重物P与秤盘Q在分离之前都一起做匀加速运动的情况而用平衡的观念求解。
本题考查求拉力极大值的综合分析能力。这个拉力是随弹簧的弹力变化而变化的,从重物P与秤盘Q的整体看,由于它们具有恒定的加速度,则当它们在上升过程中,弹力变小,则拉力变大;在接触面间弹力变为零时,双方分离,拉力恒定且最大。抓住重物和盘分离的这一条件,是顺利解答本题的关键。
(1)初始状态未加力F时,设弹簧的压缩量为x0,根据平衡条件,有kx0=(m+M)g,代入数据解得x0=0.15 m。
加力F后,随着P与Q的不断上升,弹簧的弹力减小,P与Q之间的压力也减小,在压力为零时,双方开始分离,F开始为恒力。设此时弹簧的压缩量为x1,对秤盘Q,根据牛顿第二定律,有kx1-mg=ma, ①
由运动学知识,有x0-x1=at2, ②
联立①②式并代入已知数据解得x1=0.03 m,a=6 m/s2。
(2)对系统,根据牛顿第二定律,有
F1=(M+m)a,
故F的最小值为F1=72 N。
对P,根据牛顿第二定律,有F2-Mg=Ma,
故F的最大值为F2=Mg+Ma=168 N。
考点三 动力学的临界问题
【考点内化】
讨论含有轻绳、挡板等的临界问题的加速度和力。
实例
情境1:当小球或滑块随斜面一起向右加速,且加速度为a
情境2:当小球或滑块随斜面一起向左加速,且加速度为a
(1)当加速度a增大时,FN减小,T增大。
(2)当a=时,FN=0。
(3)当a=时,T=mg
(1)当加速度a增大时,FN增大,T减小。
(2)当a=g tanθ时,T=0
(1)当加速度a增大时,FN减小,F增大。
(2)当a=时,FN=0
(1)当加速度a增大时,FN增大,F减小。
(2)当a=g tan θ时,F=0。
(3)当a=2g tan θ时,F=mg sin θ,FN=
(1)当加速度a增大时,增大,不变。
(2)当a=2g tan θ
时,=3mg tan θ
(1)当加速度a增大时,减小,不变。
(2)当a=g tan θ时,=0
(1)当加速度a增大时,增大,不变。
(2)当a=2g tan θ
时,=3mg tan θ。
(3)顶部的作用力为0
(1)当加速度a增大时,减小,先不变后增大。
(2)当a=g tan θ时,=0。
(3)当a>g tan θ时,、分别为0、;顶部的作用力为-mg
【考教衔接】
命题点1:含有轻绳的系统临界问题
(教材改编)一个质量为m的小球B,用两根轻绳1、2分别固定在车厢的A、C两点,已知两绳拉直时,如图所示,两绳与车厢前壁的夹角分别为30°和60°,要使两绳都能伸直,小车在水平面上运动时加速度大小应取什么范围?(g取10 m/s2)
解答:当轻绳2刚好拉直而没有拉力时,设车的加速度为a1,方向水平向左,轻绳1对小球B的拉力为F1,根据牛顿第二定律,得
F1sin 30°=ma1,
F1cos 30°=mg,
解得a1=g tan 30°= m/s2。
当轻绳1刚好拉直而没有拉力时,设车的加速度为a2,方向水平向左,轻绳2对小球B的拉力为F2,根据牛顿第二定律,得
F2sin 60°=ma2,
F2cos 60°=mg,
解得a2=g tan 60°=10 m/s2,
所以小车在水平面上运动时加速度a满足
m/s2 ≤a≤10 m/s2。
命题点2:物体叠放的系统临界问题的研究
(教材改编)如图,在光滑水平面上叠放着A、B两物体,已知mA=6 kg、mB=2 kg,A、B间动摩擦因数μ=0.2,在物体A上系一细线,细线所能承受的最大拉力是20 N,现水平向右拉细线,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10 m/s2。则:
(1)若F=6 N,求A、B间的摩擦力大小f。
(2)欲使A、B无相对滑动,则F应满足什么条件?
解答:(1) A、B间的最大静摩擦力fm=μmAg=12 N。
因F=6 N<fm,则A、B间没有发生相对滑动,把A、B当作整体,有F=(mA+mB)a,得a=0.75 m/s2。
以B为研究对象,有f=mBa=1.5 N。
(2)以B为研究对象,A、B间的摩擦力达到最大静摩擦力
fm=mBam=12 N,
得系统的最大加速度am=6 m/s2。
A、B间没有发生相对滑动,把A、B当作整体,有
F=(mA+mB)am=48 N,
但由于受到细线所能承受的最大拉力的影响,结果应该是0<F<20 N。
【拓展】 在典例4中,若力F作用在物体B上,则上述两问的结果又将如何?
解答:(1)A、B间的最大静摩擦力fm=μmAg=12 N。
因F=6 N<fm,则A、B间没有发生相对滑动,把A、B当作整体,有F=(mA+mB)a,得a=0.75 m/s2。
以A为研究对象,有f=mAa=4.5 N。
(2)以A为研究对象,A、B间的摩擦力达到最大静摩擦力
fm=mAam=12 N,
得系统的最大加速度am=2 m/s2。
A、B间没有发生相对滑动,把A、B当作整体,有
F=(mA+mB)am=16 N。
在细线所能承受的最大拉力之内,结果应该是0<F<16 N。
命题点3:物体紧靠的系统临界问题的研究
(教材改编)如图所示,质量分别为m1=1 kg和m2=2 kg的A、B两物块并排放在光滑水平面上,对A、B分别施加大小随时间变化的水平外力F1和F2,F1=(9-2t) N,F2=(3+2t) N。
(1)在t=1.5 s时,A物块对B物块的推力为多大?
(2)经多长时间,两物块开始分离?
解答:(1)外力F1和F2虽然随时间变化,但两者之和不变,故两者在一起运动时一定做匀加速运动,设加速度为a,由整体法结合牛顿第二定律,得a== m/s2=4 m/s2。
设未分离前某一瞬间A物块对B物块的推力为FN,隔离B,根据牛顿第二定律,得FN+F2=m2a,
解得FN=[8-(3+2t)] N=(5-2t) N。
把t=1.5 s代入上式,得FN=2 N,
即在t=1.5 s时,A物块对B物块的推力为2 N。
(2)把FN=0代入上式得t0=2.5 s,
即经过2.5 s,两物块开始分离。
发现规律:相互接触的两个物体将要脱离的临界条件是相互作用的弹力为零。
错解警示:把t=1.5 s代入F1=(9-2t)N,F2=(3+2t) N,得F1=6 N,F2=6 N;因为F1=F2,说明A、B两物块没有挤压,所以当t=1.5 s时,A、B两物块开始分离,推力为零。
这样是错误的,错在用平衡状态看问题。其实一开始双方处于加速状态中,且虽然1.5 s时两外力相等,但因为两物块的质量不等,造成A物块的加速度大于B物块的加速度,故依然存在挤压,直到各自的加速度相等。故第二步也可用a1=a2,即=,代入题中条件求得2.5 s时两物块开始分离。
考点四 动力学的图像问题
【考点内化】
1.常见的动力学图像。
v-t图像、a-t图像、F-t图像、F-a图像等。
2.解题策略。
(1)问题实质是力与运动的关系,解题的关键在于弄清图像斜率、截距、交点、拐点、面积的物理意义。
(2)应用物理规律列出与图像对应的函数方程式,进而明确“图像与公式”“图像与物体”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断。
【考点过关】
(多选)如图甲所示,一轻弹簧的下端固定在水平面上,上端放置一物体(与弹簧不拴接)处于静止状态。现用竖直向上的拉力F作用在物体上,使物体开始向上做匀加速运动,拉力F与物体位移x间的关系图像如图乙所示,g取10 m/s2。则( )
甲 乙
A.物体与弹簧分离之前,弹簧处于压缩状态
B.弹簧的劲度系数为500 N/m
C.物体的质量为3 kg
D.物体的加速度大小为5 m/s2
解析:由题图乙知Fmin=10 N,Fmax=30 N,根据牛顿第二定律,有Fmin=ma,Fmax-mg=ma,联立解得m=2 kg,a=5 m/s2。而最初弹簧的压缩量x=0.04 m,则劲度系数k==500 N/m。故选ABD。
【考教衔接】
命题点1:由v-t图像提取信息去解力与运动的关系问题
(教材改编)人和雪橇的总质量为75 kg,沿倾角θ=37°且足够长的斜坡向下滑动,已知雪橇所受的空气阻力与速度成正比,比例系数k未知。从某时刻开始计时,测得雪橇运动的v-t图像如图中的曲线所示,图中AB是曲线在A点的切线,切线上一点B的坐标为(4 s,15 m/s),曲线最后保持v=10 m/s。g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,求比例系数k和雪橇与斜坡间的动摩擦因数μ。
解答:如图所示,先把实物图画出,再对其受力进行正交分解。从题图中AB的斜率可知,在开始运动时,雪橇的速度v=5 m/s,
加速度大小a= m/s2=2.5 m/s2,
根据牛顿第二定律,有
mg sin 37°-kv-μmg cos 37°=ma。
由图线可知,10 m/s为其运动的收尾速度(即匀速运动时的速度),根据平衡条件,有
mg sin 37°=μmg cos 37°+kvm。
其中的v=5 m/s,vm=10 m/s,
代入数据解得k=37.5 (N·s)/m,μ=0.125。
命题点2:由a-v图像提取信息去解力与其他量的关系问题
(教材改编)如图甲所示,质量m=1 kg的物体沿倾角θ=37°的固定粗糙斜面由静止开始向下运动,风对物体的作用力沿水平方向向右,其大小与风速v成正比,比例系数用k表示,物体加速度a与风速v的关系如图乙所示。g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求:
甲 乙
(1)物体与斜面间的动摩擦因数μ。
(2)比例系数k。(结果保留两位小数)
解答:(1)对初始时刻,由牛顿第二定律,有
mg sin θ-μmg cos θ=ma0, ①
由图乙读出a0 =4 m/s2,代入①式
解得μ==0.25。
(2)对末时刻加速度为零,有
mg sin θ-μFN-kv cos θ=0, ②
又FN=mg cos θ+kv sin θ,
由图乙得出此时v=5 m/s,
代入②式解得k=≈0.84 kg/s。
命题点3:由F-t图像提取信息去解力与运动的关系问题
(教材改编)如图甲所示,杂技演员在进行“顶竿”表演 时,用的是一根长直竹竿(假设不计其质量)。演员自竿顶由静止开始下滑,滑到竿底时速度正好为零。已知竹竿底部与顶竿人肩部之间有一力传感器,传感器显示人的肩部受到竹竿底部施加的压力变化情况如图乙所示,g取10 m/s2。求:
(1)竿上演员先向下做什么运动,后做什么运动?
(2)竿上演员下滑过程中的最大速度为多大?
(3)竹竿的总长度为多大?
解答:(1)竿上演员向下先由静止做匀加速运动,后做匀减速运动到静止。
(2)设匀加速运动的加速度大小为a1,匀减速运动的加速度大小为a2,中间的最大速度为vm。
根据运动学公式,有vm=a1t1=a2t2。
由图乙可知:t1=1 s,t2=2 s,
代入上式得a1=2a2。①
竿上演员在前1 s内受到重力和竿向上的作用力F1=180 N。
根据牛顿第二定律,有mg-F1=ma1, ②
竿上演员在后2 s内受到重力和竿向上的作用力F2=360 N。
根据牛顿第二定律,有F2-mg=ma2, ③
联立①②③式,并代入数据可得m=30 kg,a1=4 m/s2,a2=2 m/s2。
所以最大速度vm=a1t1=4 m/s。
(3)由运动学公式得竹竿的总长度L=t1+t2=6 m。
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