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運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律解題的基本方法

一. 解題的基本思路

1. 選取合適的研究對象:在物理過程中,一般會涉及兩個或兩個以上的物體,通常選取我們了解得相對較多的那個物體作為研究對象。

2. 分析受力情況和運(yùn)動情況:畫出示意圖,分析物體的受力情況與物體的運(yùn)動情況,分析物體的運(yùn)動情況是指確定加速度與速度的方向,判斷物體是做加速直線還是減速直線運(yùn)動,或是曲線運(yùn)動。

3. 建立直角坐標(biāo)系:一般選取加速度的方向為x軸的正方向,將各個力沿坐標(biāo)軸方向進(jìn)行正交分解。有時為了解題的方便,而選取互相垂直的兩個力的方向作為x軸和y軸,將加速度沿坐標(biāo)軸進(jìn)行正交分解??傊鴺?biāo)軸方向的選取要視具體問題靈活運(yùn)用。

4. 列F=ma方程求解:如果還無法求出未知量,則可運(yùn)用運(yùn)動學(xué)公式求加速度。求解加速度是解牛頓運(yùn)動定律題目的關(guān)鍵,因為加速度是聯(lián)系物體受力情況與運(yùn)動情況之間的橋梁;如果不求出加速度,則受力情況與運(yùn)動情況之間的對應(yīng)關(guān)系就無法建立起來,也就無法解題。

二. 題型舉例

1. 馬拉車問題

馬拉車沿平直道路加速前進(jìn),車之所以能加速前進(jìn)的原因是什么?是因為馬拉車的力大于車?yán)R的力?還是因為馬拉車的力大于車受到的阻力呢?類似的問題還有拔河比賽問題:甲乙兩隊拔河比賽,結(jié)果甲隊獲勝,是因為甲隊對乙隊的拉力大于乙隊對甲隊的拉力嗎?下面我們通過例題來回答這類問題。

例1. 汽車?yán)宪囋谒降缆飞涎刂本€加速行駛,根據(jù)牛頓運(yùn)動定律可知( )

A. 汽車?yán)宪嚨牧Υ笥谕宪嚴(yán)嚨牧Γ?/p>

B. 汽車?yán)宪嚨牧Φ扔谕宪嚴(yán)嚨牧Γ?/p>

C. 汽車?yán)宪嚨牧Υ笥谕宪囀艿降淖枇Γ?/p>

D. 汽車?yán)宪嚨牧Φ扔谕宪囀艿降淖枇Γ?/p>

分析:根據(jù)牛頓第三定律,汽車與拖車的相互拉力,應(yīng)總是大小相等、方向相反的。拖車之所以能加速前進(jìn)是因為受到了向前的合力的緣故,即:汽車對拖車的拉力大于拖車受到的阻力,所以正確的選項為B、C。

2. 合力、加速度與速度間的關(guān)系問題

由F=ma可知,加速度與合力一一對應(yīng),但因加速度與速度在大小上無對應(yīng)關(guān)系,所以合力與速度在大小上也無必然的聯(lián)系。

例2. 一物體在光滑水平面上,初速度為零,先對物體施加一向東的恒力,歷時1秒鐘;隨即把此力改為向西,大小不變,歷時1秒鐘;接著又把此力改為向東,大小不變,歷時1秒鐘;如此反復(fù),只改變力的方向,共歷時1分鐘,在此1分鐘內(nèi)( )

A. 物體時而向東運(yùn)動,時而向西運(yùn)動,在1分鐘末靜止于初始位置之東;

B. 物體時而向東運(yùn)動,時而向西運(yùn)動,在1分鐘末靜止于初始位置;

C. 物體時而向東運(yùn)動,時而向西運(yùn)動,在1分鐘末繼續(xù)向東運(yùn)動;

D. 物體一直向東運(yùn)動,從不向西運(yùn)動,在1分鐘末靜止于初始位置之東。

常見錯誤:很多同學(xué)認(rèn)為速度與合力間也有對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)合力的方向改變時,速度和加速度的方向都隨著改變,結(jié)果錯選了B選項。

正確解法:與合力相對應(yīng)的是加速度而不是速度。第1秒內(nèi)物體向東做勻加速直線運(yùn)動,1秒末合力的方向發(fā)生了變化,加速度的方向也隨著改變,但由于慣性,速度方向并未改變,在第2秒內(nèi)物體做勻減速直線運(yùn)動,2秒末速度減小到零,按此推理,奇數(shù)秒末物體向東的速度最大,偶數(shù)秒末物體的速度為零,因此1分鐘末,物體靜止于初始位置之東,D選項正確。

3. 受力情況與運(yùn)動情況間的對應(yīng)關(guān)系問題

牛頓運(yùn)動定律的核心是牛頓第二定律,它揭示了物體的運(yùn)動情況與其受力情況間的對應(yīng)關(guān)系,這種對應(yīng)關(guān)系就是整個力學(xué)的中心思想,即

受力情況

運(yùn)動情況

靜止或勻速(a=0)

變速運(yùn)動(

在思想中建立這種因果性的對應(yīng)關(guān)系,是學(xué)好牛頓運(yùn)動定律的基礎(chǔ)。

例3. 風(fēng)洞實驗中可產(chǎn)生水平方向的、大小可調(diào)節(jié)的風(fēng)力,現(xiàn)將一套有小球的細(xì)直桿放入風(fēng)洞實驗室,小球孔徑略大于細(xì)桿直徑,如圖1所示。

圖1

(1)當(dāng)桿在水平方向上固定時,調(diào)節(jié)風(fēng)力的大小,使小球在桿上做勻速運(yùn)動,這時小球所受的風(fēng)力為小球所受重力的0.5倍,求小球與桿間的滑動摩擦因數(shù)。

(2)保持小球所受風(fēng)力不變,使桿與水平方向間夾角為

并固定,則小球從靜止出發(fā)在細(xì)桿上滑下距離s所需時間為多少?(

解析:(1)設(shè)小球受的風(fēng)力為F,小球質(zhì)量為m,因小球做勻速運(yùn)動,則

(2)設(shè)桿對小球的支持力為

,摩擦力為
,選加速度的方向為x軸的正方向,建立直角坐標(biāo)系,將各個力正交分解。

沿桿方向有:

<1>

垂直于桿的方向有:

<2>

<3>

,代入以上各式可解得
,由
可得

4. 瞬間問題(略)

5. 兩物體間相對運(yùn)動的問題

此類問題難度較大,一般多出現(xiàn)在高考的壓軸題中,解此類題目不但要分析每個物體的受力情況與運(yùn)動情況,還要考慮兩物體間的相互聯(lián)系,例如:兩物體位移、速度、加速度間的關(guān)系等。

例4. 一小圓盤靜止在桌面上,位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一邊與桌的AB邊重合,如圖2。已知盤與桌布間的動摩擦因數(shù)為

,盤與桌面間的動摩擦因數(shù)為
,現(xiàn)突然以恒定的加速度a將桌布抽離桌后,加速度的方向是水平的且垂直于AB邊。若圓盤最后未從桌面掉下,則加速度a滿足的條件是什么?(以g表示重力加速度)

圖2

分析:當(dāng)桌布沿水平方向加速運(yùn)動時,圓盤會在桌布對它的摩擦力作用下,也沿水平方向做加速運(yùn)動,當(dāng)桌布抽離圓盤后,圓盤由于慣性,在桌面對它的摩擦力的作用下,繼續(xù)向前做勻減速運(yùn)動,直到靜止在桌面上。

解答:設(shè)桌長為L,圓盤的質(zhì)量為m,在桌布從圓盤下抽出的過程中,盤的加速度為a1,所經(jīng)歷的時間為t1,盤離開桌布時,盤和桌布的速度分別為v1和v2,桌布抽出后,盤在桌面上做勻減速運(yùn)動的加速度的大小為a2,所經(jīng)歷的時間為t2。

對盤運(yùn)用牛頓第二定律有

<1>

<2>

對盤和桌布運(yùn)用運(yùn)動學(xué)公式有

<3>

<4>

<5>

盤在整個運(yùn)動過程中的平均速度是

,盤沒有從桌面上掉下來的條件是:

<6>

桌布在抽出的過程中,桌布和盤運(yùn)動的距離分別為

,由距離關(guān)系有

<7>

由以上各式解得

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