例:如图所示,将四块质量分别为m和2m的木块放置在光滑的水平面上。 两块质量为 m 的木块用一根不可伸展的轻绳连接起来。 木块之间的最大静摩擦力为μmg。 现用水平拉力F拉动其中一根质量为2m的木块,使四块木块以相同的加速度运动,则轻绳对m的最大拉力为()
A. frac{3}{5}mu mg B. frac{3}{4}mu mg C. frac{3}{2}mu mg D. 3mu mg
同学们应该先尝试自己分析一下这道题,分析完后再继续往下看!
对于这个问题,很多同学肯定想到了直接使用整体隔离的方法,但是却惊讶地发现研究对象混乱了。 如果所有的对象都被视为一个整体,哪个对象是孤立的,F的值仍然是未知的。 我一下子就糊涂了。
这道题并不像上一篇文章只有两个对象那么简单。 因为有四个对象,所以一定要注意研究对象。 而问题是“光绳的最大拉力”,这显然是一个关键问题。 关键问题的关键在于“临界点”,所以对于这道题,首先不要用整体孤立的方法来制定公式,而要思考这道题的“临界点”在哪里。
所有关键问题都有一个要求或条件。 本题的条件是“使四个木块以相同的加速度运动”,这意味着“四个物体之间不存在相对运动”。
本题有两个接触面,即接触面A、B和接触面C、D。“四个物体之间没有相对运动”是指两个接触面之间的摩擦力为静摩擦力,静摩擦力的临界点始终是最大静摩擦力。 “哪个接触面先达到其最大静摩擦力”是本题的关键,也是本题的最大难点。
现在是权力分配原理发挥作用的时候了!
功率分配的原则是哪个力向哪个物体提供功率。 它使用的前提是所有物体的加速度相同。
物体A、B、C、D:F=left( m_{A}+m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a ——外力F为物体A、B、C, D 提供电源
物体 B、C、D:f_{AB}=left( m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a——物体 A 和 B 之间的摩擦力 f_{AB} 为物体 B ,C,D提供电源
物体C和D:T=left( m_{C}+m_{D} right)a——绳索张力T为物体C和D提供动力。
物体D:f_{CD}=m_{D}a——物体C和D之间的摩擦力f_{CD}为物体D提供动力
注:虽然外力F只作用在物体A上,但是如果没有外力F,就不会有f_{AB}、T和f_{CD},所以从某种意义上说,f_{AB}、T和f_{CD } 这三个力的作用与外力F的作用是分开的。以此类推!
从上面的分析可以看出,随着外力F变大,四个物体的加速度也会变大,三个力f_{AB}、T和f_{CD}也会变大。 力的大小与其所负责的物体的质量有关。 质量越大,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总结为:
通过这个例子的分析,我们自然知道,无论外力F如何变化高中物理第4章,只要四个物体不发生相对运动,四个动力学的大小关系总是满足:f_{AB} >T>f_{CD}">F>f_{AB}>T>f_{CD}.因为两个接触面A、B和C、D的最大静摩擦力相同,均为μ mg。因此,随着外力F的增大,A、B接触面首先达到临界点。
也就是说,当f_{AB}=μmg时,绳索的拉力T最大。
从功率分配原理第二点来看,“力的比等于质量的比”: frac{f_{AB}}{T}=frac{m_{B}+m_{C}+m_ {D}}{m_ {C}+m_{D}},即T=frac{3}{4}mu mg。 正确答案是B。
功率分配原理的应用条件:
(1) 如果地面光滑,则可以使用连接器。 比如下面四种情况就可以直接使用。
(2)地面不平整时,不能使用搭接体。 例如,不得使用图 4。
(3)地面不光滑但各物体与地面动摩擦系数相同时也可使用。 例如下面的图1和图2。
图1
图2
图3
图4
注意:像上面的例子,如果地面不光滑,则不能用于每个对象。 例如,C和D之间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}}为错误的. 但是,如果对象 A 和 B 可以看作一个整体,并且对象 C 和 D 可以看作一个整体,则列出的公式为frac{F}{T}=frac{m_{A}+m_ { B}+m_{C}+m_{D}}{m_{C}+m_{D}}。
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还是上面的例子,稍有变化:如图所示,将质量分别为m和2m的四块木块放置在光滑的水平面上。 两块质量为 m 的木块由一根不可伸展的轻绳连接起来。 物体 A 和 B 之间的最大静摩擦力为 mu mg ,物体 C 和 D 之间的最大静摩擦力为 frac{3}{4}mu mg 。 现用水平拉力F拉动其中一块质量为2m的木块,使四块木块以相同的加速度运动。 轻绳对米的最大拉力是多少?
如果你根据前面例题的分析方法来分析这道题,你会发现这道题的难度又增加了。 主要是因为根据功率分配原理,我们可以知道:f_{AB}>T>f_{CD}">F>f_{AB}>T>f_{CD},无论外力F如何变化,f_ {AB}总是大于f_{CD},但是物体A和B之间的最大静摩擦力也大于物体C和D之间的最大静摩擦力,因此无法分析哪个接触面达到了其最大静摩擦力。先有临界点,难度自然就加大了。
这个时候,很多同学不知道该怎么办。 当时的问题还是一样,只是改变了分析方法而已。
由于四个物体的加速度始终相同,因此我们可以分别计算两个接触面的临界加速度。
利用两个接触表面的最大静摩擦力,可以利用牛顿第二定律计算出它们相应的临界加速度。 哪个接触面的临界加速度较小,就会先到达临界点。
物体C和D的接触面:frac{3}{4}mu mg=m_{D}a_{CD},可得a_{CD}=frac{3}{8}mu g
物体 A 和 B 的接触面: mu mg=left( m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a_{AB} 得到 a_{AB}=frac{1}{4 } 马克杯
从整体方法F=left( m_{A}+m_{B}+m_{C}+m_{D} right)a可知,当外力F变大时,加速度也会变大。
∵ a_{AB}
∴物体A和B的接触面首先达到临界点。
所以当f_{AB}=mu mg时,绳子的拉力最大。
根据功率分配原理第二点,“力的比等于质量的比”: frac{f_{AB}}{T}=frac{m_{B}+m_{C}+ m_{D}}{m_ {C}+m_{D}},即T=frac{3}{4}mu mg。
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