物體在斜面上滑動是高中物理中常見的問題之一。 常用于測試對運動學、牛頓定律、平衡問題、機械能等的掌握程度。解決這類斜面問題的關鍵是要做好斜面上物體的受力分析,尤其是受力分析斜面對物體施加的力(包括支撐力和摩擦力)。
1. 原標題
【例1】如圖1所示,在水平地面上固定一個質量為M、傾角為θ的斜面,另一個質量為m的物體沿斜面勻速下滑。 嘗試去找:
圖1
(1) 斜坡對 m 所施加的力的大小和方向。
(2) 斜坡對地面的壓力是多少? 斜坡上地面的摩擦力是多少?
(3)如果M和m之間的接觸面是光滑的,那么當物體從斜坡上滑下時,斜坡對地面的壓力和地面對斜坡的摩擦力分別是多少?
【分析與解決】采用孤立法或整體法解決問題。
(1)大小等于mg,方向垂直向上。
(2) (M+m)g斜面的重力做功,斜面上地面的摩擦力為0。
(3)Ff=mgcosθsinθ,FN=Mg+mgcos2θ。
2、話題轉變
通過改變出題條件或要求,從一題變為多題,對學生進行多題訓練,不僅可以加強對基礎知識的理解和記憶,而且可以拓寬和深化解題思路,探索解題規律。 培養創新能力和思維品質,增強應變能力,從而達到舉一反三、舉一反三的目的。
圖2
【變形一】如圖2所示,質量為m的物體(可以看成粒子)從A點以一定的速度沖上傾斜角θ=30°的固定斜坡。 其運動加速度為g。 這個物體在斜坡上上升的最大高度為h,那么在這個過程中物體()
A. 機械能損失mgh
B. 重力勢能增加mgh
C. 動能損失12mgh
D. 摩擦產生的內能增加2mgh
【分析與解答】根據題意,物體所受的摩擦力為12mg,向上滑動的位移為2h,故摩擦力所做的功為mgh,則物體所損失的機械能系統是mgh; 重力所做的功是-mgh,因此重力勢能增加。 嗯; 合外力為mg,做功為2 mgh,因此動能減少2 mgh,A、B正確。
【點評】我們應該記住以下常用的功與能量的對應關系:①重力勢能的變化等于重力所做的功的負值; ②摩擦產生的內能等于一對摩擦力所做的凈功的絕對值; ③ 機械能的變化量等于除重力(或彈簧力)以外的其他力所做的功; ④動能的變化量等于合外力所做的功。 它們的大小關系是一一對應的。
圖3
[變型2] 如圖3所示,如果斜坡足夠長,則其傾斜角為θ,質量為m的滑塊位于距離擋板P為S0處,沿著斜坡,初速度為v 0 滑動時,滑塊與斜面之間的動摩擦因數為μ。 滑塊上的摩擦力小于滑塊沿斜面的重力分力。 如果滑塊與擋板碰撞時沒有機械能損失,則找出滑塊在斜面上的位置。 總行駛距離是多少?
【分析與解決】滑動過程中,滑塊要克服摩擦力做功,其機械能不斷減小; 由于滑塊受到的摩擦力小于滑塊沿斜坡方向的重力分力,因此最終會停在斜坡底部。 。
整個過程中受到重力、摩擦力和斜面支撐力的影響,其中支撐力不做功。 設總行駛距離為L。對于整個過程,由動能定理可得:
mgS0sinα-μmgLcosα=0-12mv20
求得L=mgS0sinα+12mv02μmgcosα。
【點評】一個物體在某種運動過程中,包含了若干個具有不同運動屬性(如加速、減速的過程)的小過程。 這時候可以分段考慮,也可以考慮整個流程。 然而,如果整個過程都可以用動能定理的表述,就可以簡化問題。
3. 擴展
延伸階段是激發學生進一步提高思維的階段。 結合這個問題,可以添加另一個對象或彈簧。 這樣,不僅要關注物體與斜面之間的相互作用,還要關注物體之間的相互作用。
[示例2] 在示例1中,m以恒定速度沿著斜坡滑下。 那么如果將一個質量為 m' 的物體放在 m 上方,并且兩者可以一起沿著斜坡滑下,且沒有相對滑動,則 m 和 m' 一起做。 (填寫“加速運動”、“減速運動”、“勻速運動”)
圖4
【分析與解答】 開始時,m沿斜坡勻速滑動,故mgsinθ=μmgcosθ,即μ=tanθ。 以m和m′為整體,整體沿斜面向下的分力為(m+m′)gsinθ斜面的重力做功,摩擦力為μ(m+m′)gcosθ = (m+ m′) gsinθ。
所以它仍在以恒定的速度下降。
【點評】這道題的同學很容易誤認為添加一個物體“下壓”會導致整個身體加速向下。 事實上,一方面全身沿著斜面向下的分力變大,另一方面全身的摩擦力也同時增大。 增加。 是否滑下斜坡的運動狀態取決于μ與tanθ之間的關系。 當μ大于tanθ時,減速,當μ小于tanθ時,加速,當μ等于tanθ時,勻速運動。
(作者單位:河南省長葛市第二高級中學)