一、两类动力学问题
牛顿第二定理确定了运动和力的关系,使我们才能把物体的受力情况与运动情况联系上去。
借助牛顿第二定理解决动力学问题的关键是借助加速度的“桥梁”作用,将运动学规律和牛顿第二定理相结合,找寻加速度和未知量的关系,是解决这类问题的思索方向。
1、已知受力情况求运动情况
已知物体的受力情况,依据牛顿第二定理,可以求出物体的运动情况;已知物体的初始条件(初位置和初速率),按照运动学公式高中物理受力分析口诀,就可以求出物体在任一时刻的速率和位移,也就可以求解物体的运动情况。
可用程序图表示如下:
2、已知物体的运动情况求物体的受力情况
依据物体的运动情况,由运动学公式可以求出加速度,再依据牛顿第二定理可确定物体的受力情况,进而求出未知的力,或与力相关的个别数学量。如动磨擦质数、劲度系数、力的方向等。
可用程序图表示如下:
二、解答两类动力学问题的基本技巧及步骤
1.基本技巧
⑴明确题目中给出的化学现象和化学过程的特性,倘若是比较复杂的问题,应当明晰整个化学现象是由几个化学过程组成的,找出相邻过程的联系点,再分别研究每一个化学过程.
⑵根据问题的要求和估算方式,确定研究对象,进行剖析,并画出示意图.图中应标明力、速度、加速度的符号和方向.对每一个力都应明晰施力物体和受力物体,以免剖析力时有所遗漏或无中生有.
⑶应用牛顿运动定理和运动学公式求解,一般先用表示数学量的符号运算,解出所求数学量的表达式来,之后将已知化学量的数值及单位代入,通过运算求结果.应事先将已知化学量的单位都统一采用国际单位制中的单位.
⑷分析流程图
两类基本问题中,受力剖析是关键,求解加速度是桥梁和枢纽,思维过程如下:
2、应用牛顿第二定理的解题步骤
(1)明晰研究对象。依照问题的须要和解题的便捷,选出被研究的物体。
(2)剖析物体的受力情况和运动情况高中物理受力分析口诀,画好受力剖析图,明晰物体的运动性质和运动过程。
(3)选定正方向或完善座标系,一般以加速度的方向为正方向或以加速度方向为某一座标轴的正方向。
(4)求合外力F合。
(5)依据牛顿第二定理F合=ma列多项式求解,必要时还要对结果进行讨论。
非常提醒:
①物体的运动情况是由所受的力及物体运动的初始状态共同决定的。
②无论是哪种情况,联系力和运动的“桥梁”是加速度。
三、动力学基本问题剖析
例1、风洞实验中可形成水平方向的、大小可以调节的风力,先将一套有小球的细杆装入风洞实验室,小球孔径略小于细杆半径,
如图所示。
(1)当杆在水平方向上固定时,调节风力的大小,使小球在杆上匀速运动,这时所受风力为小球所受重力的0.5倍,求小球与杆的动磨擦质数;
(2)保持小球所受风力不变,使杆与水平方向间倾角为37°并固定,则小球从静止出发在细杆上滑下距离x的时间为多少。(sin37°=0.6,cos37°=0.8)
四、多过程问题剖析
复杂过程的处理方式——程序法
按时间的先后次序对题目给出的物体运动过程(或不同的状态)进行剖析(包括列式估算)的解题方式可称为程序法。用程序法解题的基本思路是:
1、划分出题目中有多少个不同的过程或多少个不同的状态。
2、对各个过程或各个状态进行具体剖析,得出正确的结果。
3、前一个过程的结束就是后一个过程的开始,两个过程的分界点是关键。
例2、质量m=30kg的电动单车,在F=180N的水平向左的牵引力的作用下,沿水平面从静止开始运动.单车运动中遭到的磨擦力F′=150N.在开始运动后的第5s末撤销牵引力F.求从开始运动到最后停止电动单车总共通过的路程.
五、“等时圆”模型的基本规律及应用
1、等时圆模型(如图所示)
2、等时圆规律:
⑴小球从圆的顶端沿光滑弦轨道静止滑下,滑到弦轨道与圆的交点的时间相等。(如图a)
⑵小球从圆上的各个位置沿光滑弦轨道静止滑下,滑到圆的底端的时间相等。(如图b)
⑶沿不同的弦轨道运动的时间相等,都等于小球沿竖直半径(d)自由落体的时间,即
3、等时性的证明
设某一条弦与水平方向的倾角为α,圆的半径为d(如右图)。
依据物体沿光滑弦作初速率为零的匀加速直线运动,加速度为a=gsinα,位移为s=dsinα,所以运动时间为
即沿各条弦运动具有等时性,运动时间与弦的夹角、长短无关。
六、动力学图象问题的处理方式
类型:
1、已知物体受力变化情况的图线,要求剖析物体的运动情况;
2、已知物体运动学量变化情况的图线,要求剖析物体的受力情况;
3、由已知条件确定某化学量的变化图象。
方式:
1、分清图象的类型:分清横、纵座标所代表的化学量,明晰其数学意义,并要做物体的运动过程剖析及受力剖析;
2、挖掘图象信息所表示的数学意义:一轴、二线、三斜率、四面积、五截距、六交点等。
3、建立关系:要借助数学规律构建两个变量或两幅图之间的函数关系。
例3、以不同初速率将两个物体同时竖直向下抛出并开始计时,一个物体所受空气阻力可忽视,另一物体所受空气阻力大小与物体速度成反比,下述用实线和虚线描述两物体运动的v‒t图象可能正确的是
例4、如图所示,两滑块A、B用细线越过定滑轮相连,B距地面一定高度,A可在细线牵引下沿足够长的粗糙斜面向下滑动。已知mA=2kg,mB=4kg,斜面夹角θ=37°。某时刻由静止释放A,测得A沿斜面向下运动的v‒t图象如图所示。已知g=10m/s2,sin37°=0.6。求A与斜面间的动磨擦质数。
例5、一物体由静止开始沿直线运动,其加速度随时间变化的规律如图所示。取物体开始运动的方向为正方向,则下述关于物体运动的v‒t图像正确的是
解析:由加速度图象可知,在0~1s内,物体做匀加速运动,由v=at得1s末速率为1m/s;在1~2s内,物体加速度反向,做匀减速运动,由图象面积可知,2s末速率降低到0;在2~3s内,物体加速度改为正向,仍做加速运动,这么重复,做单方向的直线运动。故选C。
例6、如图所示,一轻质弹簧沿竖直方向放置在水平地面上,其上端固定,当弹簧的宽度为原长时,其下端坐落O点。现有一小球从O点由静止释放,将弹簧压缩至最高点(弹簧仍然处于弹性限度内)。在此过程中,关于小球的加速度a随增长位移x的变化关系,右图中正确的是
解析:当小球和弹簧接触时,依据牛顿第二定理得:mg‒kx=ma,所以:a=g‒kx/m,依照物理知识可知,C、D错误;当压缩到最高点时,加速度等于g,故A正确,故B错误。故本题选A。