动力学中涉及的几类问题

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  动力学在高中物理中占有大量章节,也是每年高考考查的主要部分,动力学的学习很大程度上决定了学生能否学好高中物理,是养成分析、处理物理问题能力的关键.本文将从动力学的解题思路出发, 列举几类常见问题及解题方法.
  1瞬时性问题:关键是先分析瞬时前后物体的受力情况和运动状态,再由牛顿第二定律求出瞬时加速度.
  两种基本模型:(1)刚性绳(或接触面):是一种不发生明显形变就能产生弹力的物体.
  若剪断绳或脱离接触面后,弹力立即发生变化,形变恢复不需时间.
  一般题目中所给细线或接触面不加特殊说明时,均属此类模型.
  (2)弹簧(或橡皮绳):此种物体特点是形变量大,形变恢复需较长时间,在瞬时问题中,弹力大小往往可看成不变.
  例1如图1,原来系统静止,突然剪断上面细线的瞬间,A,B加速度各多大 ?
  例2如图2,轻弹簧上端链接木块m,下端链接木块M,整个系统置于光滑木板上,静止,撤掉板瞬间,1和2的加速度.
  2连接体问题:解答连接体问题通常是整体法和隔离法并用.
  例1①光滑整体:a=Fm1 m2
  隔离:T=m1a=m1m1 m2F
  ②粗糙整体:F-μ(m1 m2)g=(m1 m2)a
  隔离m1:T-μm1g=m1a
  T=m1m1 m2F
  例2①光滑整体:F-(m1 m2)gsinθ=(m1 m2)a
  隔离m1:T-m1gsinθ=m1a
  T=m1m1 m2F
  ②粗糙整体:F-(m1 m2)gsinθ-μ(m1 m2)gcosθ
  =(m1 m2)a
  隔离m1:T-m1gsinθ-μm1gcosθ=m1a
  T=m1m1 m2F
  结论不论平面或斜面光滑与否,只要力F拉着m1、m2一起加速,总有F内=m1m1 m2F,即动力的效果按与质量成反比的规律分配——动力分配原理.
  3叠放类问题
  若某时刻两物块具有相同的速度,千万不要认为二者一定有相同加速度运动,一定要验证是否有相同加速度.
  方法假设具有相同a0,即两者保持相对静止,求出a0(整体),然后判断两个物块保持相对静止时哪个物体具有最大am,若a0≤am假设成立;a=a0;若a0>am,相对滑动,a不同.
  例1(图5)
  整体法:a0=FM m,若a0≤am,一起加速
  隔离m:am=μg,若a0>am,相对滑动
  例2(图6)
  整体法:a0=FM m,若a0≤am,一起加速
  隔离M:am=μmgM,若a0>am,相对滑动
  例3A、B两物块叠放光滑水平面上,质量分别为m,2m.A、B间fm=μmg,现用水平力拉B,使A、B一同加速,则拉力的最大值为3μmg.(图7)
  A:fm=ma=μmg→am=μg
  整体:F=3ma=3μmg
  例4在光滑水平面上有一质量为m1的足够长的木板,其上叠放一质量为m2的木块(图8),假设fm=f动.现给木块施加一随t增大的水平力F=kt,木板和木块的加速度大小分别为a1和a2,下列反映a1、a2变化图线(图9)中正确的是
  相对滑动前:F=kt=(m1 m2)a→a=ktm1 m2
  相对滑动后:a1=μg2gm1
  对m2:F-μm2g=m2a2→a2=ktm2-μg>a.
  例5质量为M的木板上放一质量为m的木块,木块和木板间摩擦因数为μ1,木板M与水平面间摩擦因数为μ2,试求加在木板上的水平力F多大时,才可能把木板M从木块m的下方抽出来?(图10)
  解设当二者以am共同加速时,对m有
  μ1mg=mam→am=μ1g
  设此时作用在M上有水平力为F0,则
  F0-μ2(M m)g=(M m)am,
  若抽出来,则
  F>(M m)(μ1 μ2)g→F0=(M m)(μ1 μ2)g.
  4传送带问题:物块无初速度(轻放)放在传送带上
  4.1水平匀速
  传送带较短,物块可能一直加速,a=μg.
  传送带足够长,物块可能先加速后匀速.
  例1如图11所示,水平传送带的两个转动轴轴心相距20 m,传送带正在以v=4.0 m/s的速度匀速运转,某物块(可视为质点)与传送带之间的动摩擦因数为0.1,将该物块从传送带左端无初速度地轻放在传送带上,则经过多长时间物块将到达传送带的右端?(g=10 m/s2)
  解析物块放到传送带上后先做匀加速运动,若传送带足够长,匀加速运动到与传送带同速后再与传送带一同向前匀速运动.
  物块匀加速运动的时间
  t1=va=vμg=4 s,
  物块匀加速运动的位移
  s1=12at2=12μgt2=8 m.
  由于20 m>8 m,所以之后物块做匀速运动.
  物块匀速运动的时间t2=s-s1v=20-84 s=3 s,
  故物块到达传送带右端的时间为t1 t2=7 s.
  4.2倾斜匀速
  (1)向下运行:先加速:a1=gsinθ μgcosθ
  达共速后μ≥tanθ:一起匀速
  μ  例2如图12所示,倾斜传送带与水平方向的夹角为θ=37°,将一小物块轻轻地放在正在以速度v=10 m/s匀速逆时针转动的传送带的上端,物块和传送带之间的动摩擦因数为μ=0.5(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力的大小),传送带两皮带轮轴心间的距离为L=29 m,求:(1)将物块从顶部传送到传送带底部所需的时间为多少?(2)若μ=0.8,物块从顶部传送到传送带底部所需的时间又为多少?(g=10 m/s2,sin37°=0.6,cosθ=0.8)   解析(1)物块放到传送带上后,沿斜面向下做加速直线运动,开始时相对于传动带向后运动,受到的摩擦力向前(物块受力如图13所示),则
  a1=gsinθ μgcosθ=10 m/s2.
  当物块加速到与传送带同速时,所用时间为
  t1=va1=1 s,
  位移为s1=v22a1=1022×10=5 m.
  物块加速到与传送带同速后,由于mgsinθ>μmgcosθ,所以物块相对于传送带向下运动,摩擦力变为沿斜面向上(受力分析如图14所示),所以此时的加速度为
  a2=gsinθ-μgcosθ=2 m/s2,
  由s2=L-s1=vt2 12a2t22,
  解得t2=2 s.
  因此物块运动的总时间为t=t1 t2=3 s.
  (2)若μ=0.8,开始时(即物块与传送带同速前)物块加速度为a′=g(sinθ μcosθ)=10×(0.6 0.8×0.8) m/s2=12.4 m/s2,物块加速到与传送带同速时所用的时间.
  t1′=va′=10 m/s12.4 m/s2=0.8 s,
  位移s1′=v22a′=4 m.
  当物块与传送带同速后,由于mgsinθ<μmgcosθ,故物块与传送带同速后将与传送带一起做匀速运动,则
  t2′=L-s1′v=2.5 s,
  因此所需时间为t′=t1′ t2′=3.3 s.
  (2)向上运行
  ①mgsinθ<μmgcosθ向上加速
  ②mgsinθ=μmgcosθ静止
  ③mgsinθ>μmgcosθ向下加速
  5临界问题
  如何挖掘临界问题的隐含条件是解这类题的关键,审题时应建立正确的物理模型,抓住临界的特点,正确运用力学规律解题.常用方法:①极限法;②假设法;③数学方法.
  5.1脱离不脱离的临界条件
  相互间弹力FN=0,先求临界
  a0 (FN=0)a1>0FN=0
  a2  例1已知:球质量为m,光滑,斜面体置光滑水平面上.
  θ=30°,求:
  ①系统以a1=g3  解得:T1=3 36mg
  ②当a2=?时,FN=0 (临界条件).
  临界加速度a0=a2=3g向左
  ③a3=2g>a0向左加速时,绳的拉力.
  解:球飞离斜面,绳与斜面不平行,FN=0,F3=5mg
  5.2绳恰好绷直(松弛)临界条件:绳的拉力T=0
  例2已知如图16,m=2 kg,两绳一条水平,另一条与水平方向成θ=60°在物体上施加另一个与水平θ=60°的拉力F,若要两绳都能伸直,求F的范围?
  解四个共点力平衡
  F1cosθ F2=Fcosθ
  F1sinθ Fsinθ=mg
  F1=mgsinθ-F≥0
  F2=2Fcosθ-mgcosθsinθ≥0
  所以2033 N≤F≤433 N.
  5.3恰好相对静止(滑动)临界条件:f静=fm
  例3跨过定滑轮的轻绳两端,分别系物体A和物体B,A放在倾角为θ的斜面上,已知A质量为m,物体A与斜面的摩擦因数为μ(μ  解上滑时,f=fm方向向下
  FN-mgcosθ=0
  FT-fm-mgsinθ=0→mB=m(sinθ μcosθ)
  fm=μFN
  下滑时,f=fm方向向上
  FN-mgcosθ=0
  FT fm-mgsinθ=0→mB=m(sinθ-μcosθ)
  fm=μFN
  所以m(sinθ-μcosθ)≤mB≤m(sinθ μcosθ).
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