内容正文:
第四章 运动和力的关系
5 牛顿运动定律的应用
1
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2
知识详解
知识点1 从受力情况确定运动情况
1 基本思路
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3
2 常用的与加速度有关的匀变速直线运动公式
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4
3 解题步骤
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5
特别提醒
从受力情况确定运动情况的注意点
1.方程的形式:牛顿第二定律<m></m>,体现了力是产生加速度的原因。加速度是物
体在力的作用下的结果。
2.正方向的选取:通常选取加速度方向为正方向,与正方向同向的力取正值,与正
方向反向的力取负值。
3.求解:<m></m>、<m></m>、<m></m>应采用国际单位制单位,解题时写出方程式和相应的文字说明,
必要时要对结果进行讨论。
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6
例1 质量的物体在 的水平拉力的作用下沿水平面做匀速直线运动,
撤去,经后物体停下来,求物体做匀速运动的速度大小和撤去 后的位移大小。
【答案】;
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7
[第1步:选取研究对象]
以水平面上的物体为研究对象
图4-5-1
[第2步:受力分析]
撤去前,受力示意图如图4-5-1甲所示;撤去 后,受力示意图如
图乙所示
[第3步:求出合力]
撤去前:物体做匀速直线运动,所受合力为零,则在水平方向有
撤去后:物体所受合力大小,方向与 方向相反,物体将做匀减速
直线运动
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8
[第4步:求出加速度]
根据牛顿第二定律得
解得加速度大小
[第5步:利用运动学公式得出结果]
由运动学公式有
( 末速度 为零。)
联立并代入数据可得物体做匀速运动的速度大小,撤去 后的位移大小
。
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9
知识点2 从运动情况确定受力情况
1 基本思路 加速度是连接力与运动的桥梁。
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10
2 解题的基本步骤
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11
特别提醒
从运动情况确定受力情况的注意点
1.由运动学公式求加速度,要特别注意加速度的方向,从而确定合外力的方向。
2.题目中所求的可能是合力,也可能是某一特定的力,一般要先求出合力的大小、
方向,再根据力的合成与分解求解待求的力。
3.已知运动情况确定受力情况,关键是进行正确的受力分析和运动情况分析,并灵
活运用公式。
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12
例2 一架喷气式飞机的质量为 ,起飞过程中,飞机沿水平直跑道从静
止开始滑跑,当位移时,速度达到起飞速度 。此过程中飞机受
到的平均阻力的大小与飞机重力的比值,取 。求该飞机在滑跑
过程中加速度的大小及飞机受到的牵引力 的大小。
【答案】;
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13
[第1步:选取研究对象]
选取飞机为研究对象
[第2步:分析运动]
飞机做初速度为0的匀加速直线运动,当位移时,速度
[第3步:求加速度]
根据速度与位移的关系有
解得飞机在滑跑过程中的加速度大小
[第4步:求合力]
对飞机受力分析,飞机水平方向上受牵引力、阻力 ,根据牛顿第二定律有
,其中,代入数据解得牵引力大小 。
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14
解题突破
题型1 动力学两类基本问题的分析与求解
解题通法
动力学两类基本问题的求解关键
1.解题思路
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15
2.应把握的关键点
(1)两类分析
①受力分析。对研究对象进行受力分析时,必要时应画出受力示意图,在图中标明
力的符号和方向。
②运动分析。对研究对象进行运动分析时,要明确题目中给定的物理现象和物理过
程,如果是比较复杂的问题,应明确整个物理现象是由哪几个物理过程组成的,找
出相邻过程的联系点,再分别研究每一个物理过程,必要时要画出运动示意图。
(2)一个桥梁:加速度始终是联系力和运动的桥梁,它也是解题的突破口。
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16
例3 将质量为的物体以大小为 的初速度从地面竖直向
上抛出,设在上升和下落过程中所受的空气阻力大小均为其重力的 ,取
,求:
(1)物体上升的最大高度;
【答案】
【解析】物体上升和下落过程所受空气阻力大小为其重力的,有
以竖直向上为正方向,在上升阶段,由牛顿第二定律有 ①
设物体上升的最大高度为,由运动学公式有 ②
联立①②并代入数据得 。
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17
(2)物体落回地面时的速度大小。
【答案】
【解析】以竖直向下为正方向,在下降阶段,由牛顿第二定律有 ③
设物体落回地面时的速度大小为,由运动学公式有 ④
联立③④,并代入数据得 。
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18
子题1 若物体从高处由静止开始下落,落至地面所用时间为 ,空气阻力大小
恒定,则空气阻力与重力的比值是多少?取
【答案】0.6
【解析】物体做初速度为0的匀加速直线运动,以运动的方向为正方向,位移
,所以,由牛顿第二定律得 ,所以
,即空气阻力与重力的比值是0.6。
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19
子题2 若物体从足够高处下落,空气阻力的大小与物体的速度大小成正比,即
、均取国际单位制单位,为常数,求物体下落的最大速度 重力加速度
为 。
【答案】
【解析】设物体下落的最大速度为 ,由题意可知,当物体以最大速度下落时,
,此后物体所受重力和空气阻力大小相同,以最大速度匀速下落,加速度为0,
由牛顿第二定律有,联立解得 。
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20
子题3 若物体质量,刚被竖直向上抛出时的速度大小 ,空气阻力
的大小与物体的速度大小成正比,即、均取国际单位制单位,为常数 ,
已知物体上升过程中最大加速度是最小加速度的7倍,则的值为多大?
取
【答案】
【解析】刚抛出时物体的速度大小 ,此时物体所受空气阻力最大,加速度
最大,最大加速度大小为;上升到最高点时 ,此时物体的加速度最
小,最小加速度大小为,则有,解得 。
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21
图4-5-2
练变式1 [学习探索情境]如图4-5-2所示,一只杯子固
定在水平桌面上,将一块薄纸板盖在杯口上并在纸板上
放一枚鸡蛋,现用水平向右的拉力将纸板快速抽出,鸡
蛋(水平移动距离很小,几乎看不到)落入杯中,这就
是惯性演示实验。已知鸡蛋(可视为质点)中心离纸板
左端的距离为,鸡蛋和纸板的质量分别为和 ,所
D
A. B. C. D.
有接触面间的动摩擦因数均为 ,重力加速度为,若鸡蛋移动的距离不超过 就能
保证实验成功,则所需拉力的最小值为( )
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22
【解析】当纸板相对鸡蛋运动时,设鸡蛋的加速度为,纸板的加速度为 。为确
保实验成功,即鸡蛋移动的距离不超过 ,则纸板抽出时鸡蛋运动的最大距离
,纸板运动距离为,联立解得 ,根据牛顿第二定
律,对鸡蛋有,解得, ,对纸板有
(【易错】忽略纸板同时受到鸡蛋和水杯的摩擦力而致错。),
解得拉力的最小值为 ,
故选D。
. .
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23
题型2 动力学图像问题求解
解题通法
动力学图像问题的求解思路
1.动力学中常见的图像有<m></m>图像、<m></m>图像、<m></m>图像、<m></m>图像、<m></m>图像
及<m></m>图像等,这些图像既可以描述物体受力或运动的全过程,又可以描述物体
在临界(速度大小、方向变化或加速度大小、方向变化)点的受力或运动情况。
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24
2.动力学图像问题的常见类型及解题思路
类型 解题思路
由运动图像分
析受力情况 (1)根据运动图像,求解加速度。
(2)应用牛顿第二定律,建立加速度与力的关系。
(3)确定物体受力情况及相关物理量。
由受力图像分
析运动情况 (1)根据受力图像,结合牛顿第二定律,确定加速度的变化。
(2)根据加速度和初速度的方向,判断是加速运动还是减速运动。
(3)由加速度结合初始运动状态,分析物体的运动情况。
由已知条件确
定物理量的变
化图像 (1)分析运动过程中物体的受力情况。
(2)根据牛顿第二定律推导出加速度表达式。
(3)根据加速度的变化确定物理量的变化图像。
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25
例4 [创新图像,多选]如图4-5-3甲所示,物块的质量 ,初速度
,在一水平向左的恒力作用下从 点沿粗糙的水平面向右运动,某时
刻恒力 突然反向,整个过程中物块速度的平方随位置坐标变化的关系图像如图乙所
示,取 。下列选项正确的是( )
CD
图4-5-3
A.末恒力反向 B.末到 末物块做匀减速运动
C.物块与水平面间的动摩擦因数为0.3 D.恒力大小为
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26
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27
[第1步:根据题意、图像求加速度]
以水平向右为正方向,由匀变速直线运动的位移—速度关系可知, 内有
,内有
其中,,,
代入数据,解得 ,负号表示方向向左
[第2步:求物块做减速运动的时间]
水平向左的恒力作用时间为
末恒力 反向,物块开始做匀加速运动,选项A、B错误。
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28
[第3步:对物块受力分析]
恒力反向前:
恒力反向后:
其中
联立解得 ,选项C、D正确。
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29
图4-5-4
练变式2 (2026·四川成都期末)如图4-5-4甲所示,
在倾角为 的足够长的光滑固定斜面上,有一
质量为 的物体,受到沿斜面方向的力
作用,力 按图乙所示规律变化(图中纵坐标
是与的比值,力 沿斜面向上为正)。则物
C
A. B. C. D.
体运动的速度随时间变化的规律是下列选项图中的 物体的初速度为零,速度沿斜
面向上为正方向,重力加速度取 ( )
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30
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31
微专题 模型建构
等时圆模型
1 模型分析
所谓等时圆模型( 应用等时圆模型的前提条件:①轨道光滑;②物体从
静止开始运动;③轨道一端为圆周的最低点或最高点,另一端在圆周上。),是指
物体沿着位于同一竖直圆环上的所有光滑细杆由静止下滑,到达圆周的最低点
(或从最高点到达同一圆周上各点)的时间相等,都
等于物体沿直径做自由落体运动所用的时间,即( 为竖直圆环的半径)。
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32
图4-5-5
推导证明
如图4-5-5甲所示,设竖直圆环的半径为<m></m>,光滑
细杆<m></m>与水平方向的夹角为<m></m> ,则物体从<m></m>点
沿杆由静止滑到<m></m>点的位移大小为<m></m> 。
物体下滑过程中,对物体受力分析,如图乙所示,
由牛顿第二定律可得,<m></m>,故物体沿
细杆下滑的加速度大小为<m></m> ,根据
<m></m>可知,<m></m>,<m></m>的
值只与圆环的半径<m></m>有关,与角度<m></m> 无关(角度<m></m>决定杆的长度,则<m></m>与杆的长度无
关。)。
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33
2 三个结论
结论1 物体从竖直圆环上沿不同的光滑弦从弦的上端由静止开始滑到环的最低点所
用时间相等,如图4-5-6甲所示;
结论2 物体从竖直圆环上最高点沿不同的光滑弦由静止开始滑到下端所用时间相等,
如图乙所示;
图4-5-6
结论3 若两个竖直圆环相切且两环的竖直直径
均过切点,则物体沿不同的光滑弦(过切点)
上端由静止开始滑到下端所用时间相等,如图
丙所示。
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34
3 解题思路
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35
类型1 多段轨迹在上端相交
图4-5-7
例5 如图4-5-7所示,倾角为 的斜面固定在水平地面上,在斜面
上方点处,伸出三根光滑轻质细杆至斜面上、、 三点,三根
细杆位于同一竖直平面内,其中 与斜面垂直,且
,现有三个质量均为 的小圆环
(看作质点)分别套在三根细杆上,依次从 点由静止滑下,滑到
斜面上、、三点所用时间分别为、、 ,下列说法正确的
是( )
B
A. B. C. D.
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36
题目信息 对应模型条件 物理模型分析
三根光滑细杆 轨道光滑 需要比较、、 的大
小关系,由此联想到建立
等时圆模型。
三个小圆环均从 点由静止滑下 从静止开始运动
细杆、、 在上端相交 点为“竖直圆环”
的最高点
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37
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38
图4-5-8
练 变式3 (2026·江苏省南通中学月考)如图4-5-8所示,、 、
是竖直面内三根固定的光滑细杆,、、、、 位于同一圆
周上,点为圆周的最高点,点为最低点, 为圆心。每根杆上
都套着一个小滑环(可看作质点,图中未画出)。三个滑环都从
点无初速度释放,用、、依次表示滑环到达、、 点所
用的时间,则( )
B
A. B. C. D.
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39
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40
类型2 多段轨迹在下端相交
图4-5-9
例6 如图4-5-9所示,在竖直墙面上有、 两点,水平地面上
有点,、连线与水平地面成 角,点在点上方,
点位于点正上方且与点等高。现在、和、 之间分别
架设光滑轨道,让三个小球、、 (均可看作质点)分别由
静止从、、三点沿轨道、 运动和自由下落,不计空
气阻力,则、、运动到点所需的时间、、 关系的大
小是( )
A
A. B. C. D.
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41
题目信息 对应模型条件 物理模型分析
在、和、之间分别架设光滑轨道,小球 从
点自由下落的过程可视为沿竖直光滑轨道下滑 轨道光滑 需要比较 、
、 的大小
关系,由此联
想到建立等时
圆模型。
三个小球、、分别由静止从、、 三点沿轨
道、 运动和自由下落 从静止开始运动
三个小球最终都到达 点 点为“竖直圆
环”的最低点
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42
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43
图4-5-10
练 变式4 (2026·湖北武汉期末)如图4-5-10所示,半球形容器
内有三块不同长度的光滑滑板、、 ,其下端都固
定于容器底部 点,上端水平靠在容器侧壁上,已知三块滑
板的长度,若三个滑块同时从、、 处开
始由静止下滑(忽略空气阻力,滑块均可视为质点),则
( )
D
A.处滑块最先到达点 B.处滑块最先到达 点
C.处滑块最先到达点 D.三个滑块同时到达 点
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44
【解析】设半球形容器的半径为,滑板与水平面的夹角为 ,对滑块进行受力分
析,根据牛顿第二定律有 ,根据位移—时间公式有
,解得,可知时间与滑板的倾角 和板的长度均无关,
故三个滑块同时到达 点,D正确。
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45
考向追踪
考向1 利用图像分析力和运动问题
例7 [多选](全国卷Ⅲ高考题)如图4-5-11(a),物块和木板叠放在实验台上,物
块用一不可伸长的细绳与固定在实验台上的力传感器相连,细绳水平。 时,木
板开始受到水平外力的作用,在时撤去外力。细绳对物块的拉力随时间 变
化的关系如图(b)所示,木板的速度与时间 的关系如图(c)所示。木板与实验
台之间的摩擦可以忽略。重力加速度取 。由题给数据可以得出( )
AB
图4-5-11
A.木板的质量为
B.内,力的大小为
C.内,力 的大小保持不变
D.物块与木板之间的动摩擦因数为0.2
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46
【解析】由图(c)可知木板在 内处于静止状态,再结合图(b)中细绳对物
块的拉力在 内逐渐增大,可知物块受到木板的摩擦力逐渐增大,故可以判断
木板受到的水平外力也逐渐增大,选项C错误;由图(c)可知木板在 内做
匀加速运动,其加速度大小为,在 内做匀减速运
动,其加速度大小为 ,另外由于物块静止不动,同时结
合图(b)可知物块与木板之间的滑动摩擦力大小 ,故对木板进行受力分
析,由牛顿第二定律可得、,解得木板的质量 ,水平
外力大小 ,选项A、B均正确;由于不知道物块的质量,所以不能求出物块
与木板之间的动摩擦因数,选项D错误。
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47
真题探源 图(b)中细绳上拉力的变化情况与木板的受力情况不易联系在一起,是
本题的易错点。要通过力传感器固定判断出物块相对于地面静止,从而判断木板的
受力情况;由图像求出木板在施加力时的加速度和撤掉力 时的加速度,根据
牛顿第二定律求解待求物理量。
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48
练 变式5 [多选] (2025· 黑吉辽蒙卷)如图4-5-12(a),倾角为 的足够长斜面
放置在粗糙水平地面上。质量相等的小物块甲、乙同时以初速度 沿斜面下滑,甲、
乙与斜面间的动摩擦因数分别为、 ,整个过程中斜面相对地面静止。甲和乙的
位置与时间的关系曲线如图(b)所示,两条曲线均为抛物线,在 时,乙的
图线切线的斜率为0,则( )
AD
图4-5-12
A.
B.时,甲的速度大小为
C. 之前,地面对斜面的摩擦力方向向左
D. 之后,地面对斜面的摩擦力方向向左
高考帮
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49
【解析】图线的斜率表示速度,甲、乙两个物块的 图线均为抛物线,结合
两抛物线的开口方向知,甲物块做匀加速运动,乙物块做匀减速运动,在 时间内
甲、乙的位移分别为,,可得 时刻甲物块的速
度大小为,B错误;甲物块的加速度大小为 ,方向沿斜面向下,
乙物块的加速度大小为 ,方向沿斜面向上,由牛顿第二定律,对甲物块有
,对乙物块有 ,联立可得
,A正确;取水平向左为正方向,对斜面及两物块组成的系统,由
牛顿第二定律可得,则 之前,地面和斜面之间的
摩擦力为零,C错误; 之后,乙物块保持静止,甲物块继续沿斜面向下加速,
对系统,由牛顿第二定律可得 (水平向左的分量),可知地面对斜面
的摩擦力方向向左,D正确。
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50
考向2 考查牛顿第二定律和运动学规律的综合运用
例8 (浙江高考题)物流公司通过滑轨把货物直接装运到卡车中,如图4-5-13所示,倾
斜滑轨与水平面成 角,长度 ,水平滑轨长度可调,两滑轨间平滑连接。
若货物从倾斜滑轨顶端由静止开始下滑,其与滑轨间的动摩擦因数均为 ,货物
可视为质点取,,取 。
图4-5-13
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51
(1)求货物在倾斜滑轨上滑行时加速度 的大小;
【答案】
【解析】对倾斜滑轨上的货物进行受力分析,如图4-5-14所示
图4-5-14
轴方向根据二力平衡有 ①
轴方向根据牛顿第二定律有 ②
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52
又滑动摩擦力 ③
联立①②③式,解得 。 ④
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(2)求货物在倾斜滑轨末端时速度 的大小;
【答案】
【解析】由匀变速直线运动公式有 ⑤
解得 。 ⑥
(3)若货物滑离水平滑轨末端时的速度不超过 ,求水平滑轨的最短长
度 。
【答案】
【解析】对水平滑轨上的货物进行受力分析
根据牛顿第二定律有 ⑦
根据匀变速直线运动公式有 ⑧
联立⑦⑧式,解得 。
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54
(1)理解能力
概念、规律 理解应用
滑动摩擦力 , 为接触面间的压力。
力的合成 直接用平行四边形定则求已知力的合力。
将物体所受的力先进行正交分解,分别求出沿两
坐标轴方向的合力,再求出所有力的合力。
牛顿第二定律 ,为物体的加速度, 为物体所受合力。
匀变速直线运动速度—位移公式
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55
(2)推理论证能力
(3)建模能力
建立斜面模型,对倾斜滑轨上的货物进行受力分析。
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56
练 变式6 [同源题]图4-5-15甲所示的彩虹滑道是年轻人喜爱的游乐项目,现将其
简化为图乙所示模型。长为的水平直道和倾斜直道 平滑连接,倾斜
直道与水平地面的夹角为 。游客可以乘坐滑垫从最高的 处向下滑动,
也可以从直道 出发由同伴推着滑行,其中滑垫与水平直道和倾斜直道间的动摩擦
因数均为 。周末小杨体验了该项目,小杨与滑垫(整体可视为质点,下文简
称小杨)的总质量为,时刻,小杨从 处由静止滑下,不计空气阻力,
重力加速度取。
图4-5-15
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57
(1)求小杨沿倾斜直道下滑过程中的加速度大小 ;
【答案】
【解析】 小杨沿倾斜直道 下滑过程中,根据牛顿第二定律可得
解得加速度大小为 。
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58
(2)现小杨静止在处,多位同伴以恒力推动他向处滑行,当推至距
为处松手,求小杨滑到处的速度大小 ;
【答案】
[第1步:分析受力]
松手前:小杨在水平方向上受恒力、滑动摩擦力
松手后:小杨在水平方向上仅受滑动摩擦力
[第2步:由牛顿第二定律求解加速度大小]
松手前:根据牛顿第二定律可得
解得松手前的加速度大小
松手后:根据牛顿第二定律可得
解得松手后的加速度大小为
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59
[第3步:根据运动学公式求解速度大小]
将小杨推至距为处松手,设松手前瞬间小杨的速度大小为 ,根据运动学
公式可得
,
联立解得小杨滑到处的速度大小为 。
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60
(3)在(2)的基础上,求小杨在倾斜直道(上滑过程未超过 点)上滑动的总
时间 。(结果可保留根号)
【答案】
【解析】 小杨在倾斜直道 上向上滑动的加速度大小为
上滑时间为
上滑距离为
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61
因 (【点拨】 ),小杨会在上滑至最高点后再沿倾
斜直道匀加速下滑,下滑的加速度大小为
根据
解得下滑时间为
则小杨在倾斜直道 上滑动的总时间为
。
. .
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62
新考法开放探究
连接体的临界问题
考法解读
新高考物理试题加强了对批判性思维和创新思维的考查,主要体现在:(1)寻找物
理过程中的临界条件,这是高考命题的一个重要方向,如极值问题;(2)多解问题,
如周期性运动中的多解问题,初始条件的不确定造成结果的多种可能性问题;(3)
发散思维,同一个问题从不同角度解决。
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63
例9 [多选](2023·湖南卷)如图4-5-16所示,光滑水平地面上有一质量为 的小车
在水平推力的作用下加速运动。车厢内有质量均为的、 两小球,两球用轻杆
相连,球靠在光滑左壁上, 球处在车厢水平底面上,且与底面间的动摩擦因数为
,杆与竖直方向的夹角为 ,杆与车厢始终保持相对静止。假设最大静摩擦力等于滑
动摩擦力。下列说法正确的是( )
CD
图4-5-16
A.若球受到的摩擦力为零,则
B.若推力向左,且 ,则 的最大值为
C.若推力向左,且 ,则 的最大值为
D.若推力向右,且 ,则 的范围为
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64
考法创新
本题以车厢与小球的连接体模型为素材,考查了连接体的临界问题和牛顿第二定律的
应用,由于摩擦力的有无和方向均不确定,加之推力有向左和向右两种情况,增强了
试题的开放程度和创新性,加强了对考生关键能力、思维品质和思维过程的考查。
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65
【解析】若 球受到的摩擦力为零
对 受力分析:
,A错误。
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66
若推力 向左,则系统加速度水平向左
对 受力分析:
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67
对 受力分析:
若 ,则,即 ,B错误。
若 ,则,即 ,C正确。
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68
若推力向右,则系统加速度水平向右,对分析可知杆对的作用力
对 受力分析:
正确。
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69
反思感悟
整体法与隔离法是解决动力学问题的重要分析方法,使用该方法有三个关键点:(1)
多物体处于平衡状态时优先考虑整体法,平衡状态包括静止和匀速直线运动;(2)
多物体共同加速时优先考虑整体法;(3)隔离物体分析时,优先考虑对受力较少的
物体分析。
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