一、兩類動力學問題
牛頓第二定理確定了運動和力的關系,使我們才能把物體的受力情況與運動情況聯系上去。
借助牛頓第二定理解決動力學問題的關鍵是借助加速度的“橋梁”作用,將運動學規律和牛頓第二定理相結合,找尋加速度和未知量的關系,是解決這類問題的思索方向。
1、已知受力情況求運動情況
已知物體的受力情況,依據牛頓第二定理,可以求出物體的運動情況;已知物體的初始條件(初位置和初速率),按照運動學公式高中物理受力分析口訣,就可以求出物體在任一時刻的速率和位移,也就可以求解物體的運動情況。
可用程序圖表示如下:
2、已知物體的運動情況求物體的受力情況
依據物體的運動情況,由運動學公式可以求出加速度,再依據牛頓第二定理可確定物體的受力情況,進而求出未知的力,或與力相關的個別數學量。如動磨擦質數、勁度系數、力的方向等。
可用程序圖表示如下:
二、解答兩類動力學問題的基本技巧及步驟
1.基本技巧
⑴明確題目中給出的化學現象和化學過程的特性,倘若是比較復雜的問題,應當明晰整個化學現象是由幾個化學過程組成的,找出相鄰過程的聯系點,再分別研究每一個化學過程.
⑵根據問題的要求和估算方式,確定研究對象,進行剖析,并畫出示意圖.圖中應標明力、速度、加速度的符號和方向.對每一個力都應明晰施力物體和受力物體,以免剖析力時有所遺漏或無中生有.
⑶應用牛頓運動定理和運動學公式求解,一般先用表示數學量的符號運算,解出所求數學量的表達式來,之后將已知化學量的數值及單位代入,通過運算求結果.應事先將已知化學量的單位都統一采用國際單位制中的單位.
⑷分析流程圖
兩類基本問題中,受力剖析是關鍵,求解加速度是橋梁和樞紐,思維過程如下:
2、應用牛頓第二定理的解題步驟
(1)明晰研究對象。依照問題的須要和解題的便捷,選出被研究的物體。
(2)剖析物體的受力情況和運動情況高中物理受力分析口訣,畫好受力剖析圖,明晰物體的運動性質和運動過程。
(3)選定正方向或完善座標系,一般以加速度的方向為正方向或以加速度方向為某一座標軸的正方向。
(4)求合外力F合。
(5)依據牛頓第二定理F合=ma列多項式求解,必要時還要對結果進行討論。
非常提醒:
①物體的運動情況是由所受的力及物體運動的初始狀態共同決定的。
②無論是哪種情況,聯系力和運動的“橋梁”是加速度。
三、動力學基本問題剖析
例1、風洞實驗中可形成水平方向的、大小可以調節的風力,先將一套有小球的細桿裝入風洞實驗室,小球孔徑略小于細桿半徑,
如圖所示。
(1)當桿在水平方向上固定時,調節風力的大小,使小球在桿上勻速運動,這時所受風力為小球所受重力的0.5倍,求小球與桿的動磨擦質數;
(2)保持小球所受風力不變,使桿與水平方向間傾角為37°并固定,則小球從靜止出發在細桿上滑下距離x的時間為多少。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
四、多過程問題剖析
復雜過程的處理方式——程序法
按時間的先后次序對題目給出的物體運動過程(或不同的狀態)進行剖析(包括列式估算)的解題方式可稱為程序法。用程序法解題的基本思路是:
1、劃分出題目中有多少個不同的過程或多少個不同的狀態。
2、對各個過程或各個狀態進行具體剖析,得出正確的結果。
3、前一個過程的結束就是后一個過程的開始,兩個過程的分界點是關鍵。
例2、質量m=30kg的電動單車,在F=180N的水平向左的牽引力的作用下,沿水平面從靜止開始運動.單車運動中遭到的磨擦力F′=150N.在開始運動后的第5s末撤銷牽引力F.求從開始運動到最后停止電動單車總共通過的路程.
五、“等時圓”模型的基本規律及應用
1、等時圓模型(如圖所示)
2、等時圓規律:
⑴小球從圓的頂端沿光滑弦軌道靜止滑下,滑到弦軌道與圓的交點的時間相等。(如圖a)
⑵小球從圓上的各個位置沿光滑弦軌道靜止滑下,滑到圓的底端的時間相等。(如圖b)
⑶沿不同的弦軌道運動的時間相等,都等于小球沿豎直半徑(d)自由落體的時間,即
3、等時性的證明
設某一條弦與水平方向的傾角為α,圓的半徑為d(如右圖)。
依據物體沿光滑弦作初速率為零的勻加速直線運動,加速度為a=gsinα,位移為s=dsinα,所以運動時間為
即沿各條弦運動具有等時性,運動時間與弦的夾角、長短無關。
六、動力學圖象問題的處理方式
類型:
1、已知物體受力變化情況的圖線,要求剖析物體的運動情況;
2、已知物體運動學量變化情況的圖線,要求剖析物體的受力情況;
3、由已知條件確定某化學量的變化圖象。
方式:
1、分清圖象的類型:分清橫、縱座標所代表的化學量,明晰其數學意義,并要做物體的運動過程剖析及受力剖析;
2、挖掘圖象信息所表示的數學意義:一軸、二線、三斜率、四面積、五截距、六交點等。
3、建立關系:要借助數學規律構建兩個變量或兩幅圖之間的函數關系。
例3、以不同初速率將兩個物體同時豎直向下拋出并開始計時,一個物體所受空氣阻力可忽視,另一物體所受空氣阻力大小與物體速度成反比,下述用實線和虛線描述兩物體運動的v?t圖象可能正確的是
例4、如圖所示,兩滑塊A、B用細線越過定滑輪相連,B距地面一定高度,A可在細線牽引下沿足夠長的粗糙斜面向下滑動。已知mA=2kg,mB=4kg,斜面夾角θ=37°。某時刻由靜止釋放A,測得A沿斜面向下運動的v?t圖象如圖所示。已知g=10m/s2,sin37°=0.6。求A與斜面間的動磨擦質數。
例5、一物體由靜止開始沿直線運動,其加速度隨時間變化的規律如圖所示。取物體開始運動的方向為正方向,則下述關于物體運動的v?t圖像正確的是
解析:由加速度圖象可知,在0~1s內,物體做勻加速運動,由v=at得1s末速率為1m/s;在1~2s內,物體加速度反向,做勻減速運動,由圖象面積可知,2s末速率降低到0;在2~3s內,物體加速度改為正向,仍做加速運動,這么重復,做單方向的直線運動。故選C。
例6、如圖所示,一輕質彈簧沿豎直方向放置在水平地面上,其上端固定,當彈簧的寬度為原長時,其下端坐落O點。現有一小球從O點由靜止釋放,將彈簧壓縮至最高點(彈簧仍然處于彈性限度內)。在此過程中,關于小球的加速度a隨增長位移x的變化關系,右圖中正確的是
解析:當小球和彈簧接觸時,依據牛頓第二定理得:mg?kx=ma,所以:a=g?kx/m,依照物理知識可知,C、D錯誤;當壓縮到最高點時,加速度等于g,故A正確,故B錯誤。故本題選A。