例:如圖所示,將四塊質量分別為m和2m的木塊放置在光滑的水平面上。 兩塊質量為 m 的木塊用一根不可伸展的輕繩連接起來。 木塊之間的最大靜摩擦力為μmg。 現用水平拉力F拉動其中一根質量為2m的木塊,使四塊木塊以相同的加速度運動,則輕繩對m的最大拉力為()
A. frac{3}{5}mu mg B. frac{3}{4}mu mg C. frac{3}{2}mu mg D. 3mu mg
同學們應該先嘗試自己分析一下這道題,分析完后再繼續往下看!
對于這個問題,很多同學肯定想到了直接使用整體隔離的方法,但是卻驚訝地發現研究對象混亂了。 如果所有的對象都被視為一個整體,哪個對象是孤立的,F的值仍然是未知的。 我一下子就糊涂了。
這道題并不像上一篇文章只有兩個對象那么簡單。 因為有四個對象,所以一定要注意研究對象。 而問題是“光繩的最大拉力”,這顯然是一個關鍵問題。 關鍵問題的關鍵在于“臨界點”,所以對于這道題,首先不要用整體孤立的方法來制定公式,而要思考這道題的“臨界點”在哪里。
所有關鍵問題都有一個要求或條件。 本題的條件是“使四個木塊以相同的加速度運動”,這意味著“四個物體之間不存在相對運動”。
本題有兩個接觸面,即接觸面A、B和接觸面C、D。“四個物體之間沒有相對運動”是指兩個接觸面之間的摩擦力為靜摩擦力,靜摩擦力的臨界點始終是最大靜摩擦力。 “哪個接觸面先達到其最大靜摩擦力”是本題的關鍵,也是本題的最大難點。
現在是權力分配原理發揮作用的時候了!
功率分配的原則是哪個力向哪個物體提供功率。 它使用的前提是所有物體的加速度相同。
物體A、B、C、D:F=left( m_{A}+m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a ——外力F為物體A、B、C, D 提供電源
物體 B、C、D:f_{AB}=left( m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a——物體 A 和 B 之間的摩擦力 f_{AB} 為物體 B ,C,D提供電源
物體C和D:T=left( m_{C}+m_{D} right)a——繩索張力T為物體C和D提供動力。
物體D:f_{CD}=m_{D}a——物體C和D之間的摩擦力f_{CD}為物體D提供動力
注:雖然外力F只作用在物體A上,但是如果沒有外力F,就不會有f_{AB}、T和f_{CD},所以從某種意義上說,f_{AB}、T和f_{CD } 這三個力的作用與外力F的作用是分開的。以此類推!
從上面的分析可以看出,隨著外力F變大,四個物體的加速度也會變大,三個力f_{AB}、T和f_{CD}也會變大。 力的大小與其所負責的物體的質量有關。 質量越大,力越大,所以f_{AB}>T>f_{CD}">F>f_{AB}>T>f_{CD},所以功率分配原理可以總結為:
通過這個例子的分析,我們自然知道,無論外力F如何變化高中物理第4章,只要四個物體不發生相對運動,四個動力學的??大小關系總是滿足:f_{AB} >T>f_{CD}">F>f_{AB}>T>f_{CD}.因為兩個接觸面A、B和C、D的最大靜摩擦力相同,均為μ mg。因此,隨著外力F的增大,A、B接觸面首先達到臨界點。
也就是說,當f_{AB}=μmg時,繩索的拉力T最大。
從功率分配原理第二點來看,“力的比等于質量的比”: frac{f_{AB}}{T}=frac{m_{B}+m_{C}+m_ {D}}{m_ {C}+m_{D}},即T=frac{3}{4}mu mg。 正確答案是B。
功率分配原理的應用條件:
(1) 如果地面光滑,則可以使用連接器。 比如下面四種情況就可以直接使用。
(2)地面不平整時,不能使用搭接體。 例如,不得使用圖 4。
(3)地面不光滑但各物體與地面動摩擦系數相同時也可使用。 例如下面的圖1和圖2。
圖1
圖2
圖3
圖4
注意:像上面的例子,如果地面不光滑,則不能用于每個對象。 例如,C和D之間不能使用功率分配原理,因此公式frac{T}{f_{CD}}=frac{m_{C}+m_{D}}{m_{D}}為錯誤的. 但是,如果對象 A 和 B 可以看作一個整體,并且對象 C 和 D 可以看作一個整體,則列出的公式為frac{F}{T}=frac{m_{A}+m_ { B}+m_{C}+m_{D}}{m_{C}+m_{D}}。
我創建了一條Q裙:,專門用于高中物理學習和交流。 每天晚上9點到11點我都會在裙子里回答問題。 歡迎大家加入裙子。 交流學習!
還是上面的例子,稍有變化:如圖所示,將質量分別為m和2m的四塊木塊放置在光滑的水平面上。 兩塊質量為 m 的木塊由一根不可伸展的輕繩連接起來。 物體 A 和 B 之間的最大靜摩擦力為 mu mg ,物體 C 和 D 之間的最大靜摩擦力為 frac{3}{4}mu mg 。 現用水平拉力F拉動其中一塊質量為2m的木塊,使四塊木塊以相同的加速度運動。 輕繩對米的最大拉力是多少?
如果你根據前面例題的分析方法來分析這道題,你會發現這道題的難度又增加了。 主要是因為根據功率分配原理,我們可以知道:f_{AB}>T>f_{CD}">F>f_{AB}>T>f_{CD},無論外力F如何變化,f_ {AB}總是大于f_{CD},但是物體A和B之間的最大靜摩擦力也大于物體C和D之間的最大靜摩擦力,因此無法分析哪個接觸面達到了其最大靜摩擦力。先有臨界點,難度自然就加大了。
這個時候,很多同學不知道該怎么辦。 當時的問題還是一樣,只是改變了分析方法而已。
由于四個物體的加速度始終相同,因此我們可以分別計算兩個接觸面的臨界加速度。
利用兩個接觸表面的最大靜摩擦力,可以利用牛頓第二定律計算出它們相應的臨界加速度。 哪個接觸面的臨界加速度較小,就會先到達臨界點。
物體C和D的接觸面:frac{3}{4}mu mg=m_{D}a_{CD},可得a_{CD}=frac{3}{8}mu g
物體 A 和 B 的接觸面: mu mg=left( m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a_{AB} 得到 a_{AB}=frac{1}{4 } 馬克杯
從整體方法F=left( m_{A}+m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a可知,當外力F變大時,加速度也會變大。
∵ a_{AB}
∴物體A和B的接觸面首先達到臨界點。
所以當f_{AB}=mu mg時,繩子的拉力最大。
根據功率分配原理第二點,“力的比等于質量的比”: frac{f_{AB}}{T}=frac{m_{B}+m_{C}+ m_{D}}{m_ {C}+m_{D}},即T=frac{3}{4}mu mg。
我寫的《高中物理知識模型探索與實踐》這本書專門針對力分析、牛頓第二定律、傳送帶和滑動木板、平拋運動、圓周運動、天體運動、動能定理的函數關系和動量的基礎知識。 采用解釋性敘述手法高中物理第4章,對知識點和基本模型進行全面詳細的講解。 讀這本書的時候,感覺就像有一個虛擬的物理老師帶領大家學習。 你不用擔心閱讀困難、看不懂知識點。
下面的百度網盤鏈接里有這份物理材料的電子文件。 有需要的同學可以下載學習!
鏈接:/s/P6A?pwd=bzax