在某些物理情境中,物体运动状态变化的过程中,由于条件的变化,会出现两种状态的衔接,两种现象的分界,同时使某个物理量在特定状态时,具有最大值或最小值。这类问题称为临界问题。在解决临界问题时,进行正确的受力分析和运动分析,找出临界状态是解题的关键。
[例9]一个质量为0.2 kg的小球用细线吊在倾角θ=53°的斜面顶端,如图,斜面静止时,球紧靠在斜面上,绳与斜面平行,不计摩擦,当斜面以10 m/s2的加速度向右做加速运动时,求绳的拉力及斜面对小球的弹力.
命题意图:考查对牛顿第二定律的理解应用能力、分析推理能力及临界条件的挖掘能力。
错解分析:对物理过程缺乏清醒认识,无法用极限分析法挖掘题目隐含的临界状态及条件,使问题难以切入.
解题方法与技巧:当加速度a较小时,小球与斜面体一起运动,此时小球受重力、绳拉力和斜面的支持力作用,绳平行于斜面,当加速度a足够大时,小球将“飞离”斜面,此时小球受重力和绳的拉力作用,绳与水平方向的夹角未知,题目中要求a=10 m/s2时绳的拉力及斜面的支持力,必须先求出小球离开斜面的临界加速度a0.(此时,小球所受斜面支持力恰好为零)
由mgcotθ=ma0
所以a0=gcotθ=7.5 m/s2
因为a=10 m/s2>a0
所以小球离开斜面N=0,小球受力情况如图,则
Tcosα=ma, Tsinα=mg
所以T==2.83 N,N=0.
4.应用例析
[例4]如图所示,A、B两木块的质量分别为mA、mB,在水平推力F作用下沿光滑水平面匀加速向右运动,求A、B间的弹力FN。
解析:这里有a、FN两个未知数,需要要建立两个方程,要取两次研究对象。比较后可知分别以B、(A+B)为对象较为简单(它们在水平方向上都只受到一个力作用)。可得
点评:这个结论还可以推广到水平面粗糙时(A、B与水平面间μ相同);也可以推广到沿斜面方向推A、B向上加速的问题,有趣的是,答案是完全一样的。
[例5]如图所示,质量为2m的物块A和质量为m的物块B与地面的摩擦均不计.在已知水平推力F的作用下,A、B做加速运动.A对B的作用力为多大?
解析:取A、B整体为研究对象,其水平方向只受一个力F的作用
根据牛顿第二定律知:F=(2m+m)a
a=F/3m
取B为研究对象,其水平方向只受A的作用力F1,根据牛顿第二定律知:
F1=ma
故F1=F/3
点评:对连结体(多个相互关联的物体)问题,通常先取整体为研究对象,然后再根据要求的问题取某一个物体为研究对象.
[例6] 如图,倾角为α的斜面与水平面间、斜面与质量为m的木块间的动摩擦因数均为μ,木块由静止开始沿斜面加速下滑时斜面始终保持静止。求水平面给斜面的摩擦力大小和方向。
解:以斜面和木块整体为研究对象,水平方向仅受静摩擦力作用,而整体中只有木块的加速度有水平方向的分量。可以先求出木块的加速度,再在水平方向对质点组用牛顿第二定律,很容易得到:
如果给出斜面的质量M,本题还可以求出这时水平面对斜面的支持力大小为:
FN=Mg+mg(cosα+μsinα)sinα,这个值小于静止时水平面对斜面的支持力。
[例7]如图所示,mA=1kg,mB=2kg,A、B间静摩擦力的最大值是5N,水平面光滑。用水平力F拉B,当拉力大小分别是F=10N和F=20N时,A、B的加速度各多大?
解析:先确定临界值,即刚好使A、B发生相对滑动的F值。当A、B间的静摩擦力达到5N时,既可以认为它们仍然保持相对静止,有共同的加速度,又可以认为它们间已经发生了相对滑动,A在滑动摩擦力作用下加速运动。这时以A为对象得到a =5m/s2;再以A、B系统为对象得到 F =(mA+mB)a =15N
(1)当F=10N<15N时, A、B一定仍相对静止,所以
(2)当F=20N>15N时,A、B间一定发生了相对滑动,用质点组牛顿第二定律列方程:,而a A =5m/s2,于是可以得到a B =7.5m/s2
[例8]如图所示,质量为M的木箱放在水平面上,木箱中的立杆上套着一个质量为m的小球,开始时小球在杆的顶端,由静止释放后,小球沿杆下滑的加速度为重力加速度的,即a=g,则小球在下滑的过程中,木箱对地面的压力为多少?
命题意图:考查对牛顿第二定律的理解运用能力及灵活选取研究对象的能力.B级要求.
错解分析:(1)部分考生习惯于具有相同加速度连接体问题演练,对于“一动一静”连续体问题难以对其隔离,列出正确方程.(2)思维缺乏创新,对整体法列出的方程感到疑惑.
解题方法与技巧:
解法一:(隔离法)
木箱与小球没有共同加速度,所以须用隔离法.
取小球m为研究对象,受重力mg、摩擦力Ff,如图2-4,据牛顿第二定律得:
mg-Ff=ma ①
取木箱M为研究对象,受重力Mg、地面支持力FN及小球给予的摩擦力Ff′如图.
据物体平衡条件得:
FN -Ff′-Mg=0 ②
且Ff=Ff′ ③
由①②③式得FN=g
由牛顿第三定律知,木箱对地面的压力大小为
FN′=FN =g.
解法二:(整体法)
对于“一动一静”连接体,也可选取整体为研究对象,依牛顿第二定律列式:
(mg+Mg)-FN = ma+M×0
故木箱所受支持力:FN=g,由牛顿第三定律知:
木箱对地面压力FN′=FN=g.
3.整体和局部是相对统一相辅相成的
隔离法与整体法,不是相互对立的,一般问题的求解中,随着研究对象的转化,往往两种方法交叉运用,相辅相成.所以,两种方法的取舍,并无绝对的界限,必须具体分析,灵活运用.无论哪种方法均以尽可能避免或减少非待求量(即中间未知量的出现,如非待求的力,非待求的中间状态或过程等)的出现为原则
2.隔离法:把所研究对象从整体中隔离出来进行研究,最终得出结论的方法称为隔离法。可以把整个物体隔离成几个部分来处理,也可以把整个过程隔离成几个阶段来处理,还可以对同一个物体,同一过程中不同物理量的变化进行分别处理。采用隔离物体法能排除与研究对象无关的因素,使事物的特征明显地显示出来,从而进行有效的处理。
运用隔离法解题的基本步骤:
(1)明确研究对象或过程、状态,选择隔离对象.选择原则是:一要包含待求量,二是所选隔离对象和所列方程数尽可能少。
(2)将研究对象从系统中隔离出来;或将研究的某状态、某过程从运动的全过程中隔离出来。
(3)对隔离出的研究对象、过程、状态分析研究,画出某状态下的受力图或某阶段的运动过程示意图。
(4)寻找未知量与已知量之间的关系,选择适当的物理规律列方程求解。
1.整体法:在研究物理问题时,把所研究的对象作为一个整体来处理的方法称为整体法。采用整体法时不仅可以把几个物体作为整体,也可以把几个物理过程作为一个整体,采用整体法可以避免对整体内部进行繁锁的分析,常常使问题解答更简便、明了。
运用整体法解题的基本步骤:
(1)明确研究的系统或运动的全过程.
(2)画出系统的受力图和运动全过程的示意图.
(3)寻找未知量与已知量之间的关系,选择适当的物理规律列方程求解
3.应用例析
[例1]一斜面AB长为10m,倾角为30°,一质量为2kg的小物体(大小不计)从斜面顶端A点由静止开始下滑,如图所示(g取10 m/s2)
(1)若斜面与物体间的动摩擦因数为0.5,求小物体下滑到斜面底端B点时的速度及所用时间.
(2)若给小物体一个沿斜面向下的初速度,恰能沿斜面匀速下滑,则小物体与斜面间的动摩擦因数μ是多少?
解析:题中第(1)问是知道物体受力情况求运动情况;第(2)问是知道物体运动情况求受力情况。
(1)以小物块为研究对象进行受力分析,如图所示。物块受重力mg、斜面支持力N、摩擦力f,
垂直斜面方向上受力平衡,由平衡条件得:mgcos30°-N=0
沿斜面方向上,由牛顿第二定律得:mgsin30°-f=ma
又f=μN
由以上三式解得a=0.67m/s2
小物体下滑到斜面底端B点时的速度:3.65m/s
运动时间:s
(2)小物体沿斜面匀速下滑,受力平衡,加速度a=0,有
垂直斜面方向:mgcos30°-N=0
沿斜面方向:mgsin30°-f=0
又f=μN
解得:μ=0.58
[例2]如图所示,一高度为h=0.8m粗糙的水平面在B点处与一倾角为θ=30°光滑的斜面BC连接,一小滑块从水平面上的A点以v0=3m/s的速度在粗糙的水平面上向右运动。运动到B点时小滑块恰能沿光滑斜面下滑。已知AB间的距离s=5m,求:
(1)小滑块与水平面间的动摩擦因数;
(2)小滑块从A点运动到地面所需的时间;
解析:(1)依题意得vB1=0,设小滑块在水平面上运动的加速度大小为a,则据牛顿第二定律可得f=μmg=ma,所以a=μg,由运动学公式可得得,t1=3.3s
(2)在斜面上运动的时间t2=,t=t1+t2=4.1s
[例3]静止在水平地面上的物体的质量为2 kg,在水平恒力F推动下开始运动,4 s末它的速度达到4m/s,此时将F撤去,又经6 s物体停下来,如果物体与地面的动摩擦因数不变,求F的大小。
解析:物体的整个运动过程分为两段,前4 s物体做匀加速运动,后6 s物体做匀减速运动。
前4 s内物体的加速度为
①
设摩擦力为,由牛顿第二定律得
②
后6 s内物体的加速度为
③
物体所受的摩擦力大小不变,由牛顿第二定律得
④
由②④可求得水平恒力F的大小为
点评:解决动力学问题时,受力分析是关键,对物体运动情况的分析同样重要,特别是像这类运动过程较复杂的问题,更应注意对运动过程的分析。
在分析物体的运动过程时,一定弄清整个运动过程中物体的加速度是否相同,若不同,必须分段处理,加速度改变时的瞬时速度即是前后过程的联系量。分析受力时要注意前后过程中哪些力发生了变化,哪些力没发生变化。四、连接体(质点组)
在应用牛顿第二定律解题时,有时为了方便,可以取一组物体(一组质点)为研究对象。这一组物体一般具有相同的速度和加速度,但也可以有不同的速度和加速度。以质点组为研究对象的好处是可以不考虑组内各物体间的相互作用,这往往给解题带来很大方便。使解题过程简单明了。
2.应用牛顿运动定律解题的一般步骤
(1)认真分析题意,明确已知条件和所求量,搞清所求问题的类型。
(2)选取研究对象.所选取的研究对象可以是一个物体,也可以是几个物体组成的整体.同一题目,根据题意和解题需要也可以先后选取不同的研究对象。
(3)分析研究对象的受力情况和运动情况。
(4)当研究对象所受的外力不在一条直线上时:如果物体只受两个力,可以用平行四边形定则求其合力;如果物体受力较多,一般把它们正交分解到两个方向上去分别求合力;如果物体做直线运动,一般把各个力分解到沿运动方向和垂直运动的方向上。
(5)根据牛顿第二定律和运动学公式列方程,物体所受外力、加速度、速度等都可根据规定的正方向按正、负值代入公式,按代数和进行运算。
(6)求解方程,检验结果,必要时对结果进行讨论。
1.运用牛顿运动定律解决的动力学问题常常可以分为两种类型(两类动力学基本问题):
(1)已知物体的受力情况,要求物体的运动情况.如物体运动的位移、速度及时间等.
(2)已知物体的运动情况,要求物体的受力情况(求力的大小和方向).
但不管哪种类型,一般总是先根据已知条件求出物体运动的加速度,然后再由此得出问题的答案.
两类动力学基本问题的解题思路图解如下:
可见,不论求解那一类问题,求解加速度是解题的桥梁和纽带,是顺利求解的关键。
点评:我们遇到的问题中,物体受力情况一般不变,即受恒力作用,物体做匀变速直线运动,故常用的运动学公式为匀变速直线运动公式,如
等.
38.在渔船上安装“风光互补发电”装置,利用太阳能电池板和风力发电机发电,以节省燃油,在舟山渔区成为现实。舟山市将在1000艘渔船上安装“风光互补发电”装置。“风光互补发电”装置由风力发电机、太阳能电池板、充电器、蓄电池等组成,太阳能电池板、风力发电机的设计寿命为20年,蓄电池约4年更换一次,项目价格如下表:
项目 |
风力发电机 |
太阳能电池板 |
充电器 |
蓄电池 |
安装费 |
价格(约) |
5000元 |
4000元 |
1000元 |
2000元 |
2000元 |
(1)“风光互补发电”装置中的风力发电机是根据 ▲ 的原理来工作的;
(2)渔船通讯、导航及照明用电原来是通过燃烧柴油发电提供的,如果柴油中碳元素的质量占柴油质量的84%,且完全燃烧时全部碳元素均转化为二氧化碳,则完全燃烧1千克柴油将释放 ▲ 千克二氧化碳;
(3)“风光互补发电”装置的发电功率为500瓦,正常工作1小时可产生多少电能?如图是不同发电方式的
CO2排放量,若在1000艘渔船上安装这套“风光互补发电”装置,则与燃油发电相比,一天(正常发电8小时)至少减少CO2排放多少千克?
(4)某同学想在自己家的屋顶上安装这套“风光互补发电”装置,若该装置平均每天正常工作8小时,目前 电费价格约为0.54元/千瓦时,请你帮他通过计算决定是否安装这套装置。
37.下表是国家对“饮酒驾车”和“醉酒驾车”的界定标准:
饮酒驾车 |
20毫克/100毫升≤血液中的酒精含量<80毫克/100毫升 |
醉酒驾车 |
血液中的酒精含量≥80毫克/100毫升 |
白酒、红酒和啤酒中均含有乙醇(俗称酒精,化学式为C2H5OH),饮酒后酒精可进入人体血液中。请回答下列问题:
(1)乙醇(C2H5OH)中碳、氢、氧元素的质量比是C﹕H﹕O= ▲ ;
(2)饮酒会使人的 ▲ 系统过度兴奋或麻痹抑制,容易引发交通事故。某人饮酒后驾车,被交警发现,经测定其每100毫升血液中酒精含量为93毫克,属于 ▲ 驾车;
(3)在治理酒后驾车中,酒精检测仪发挥了重要作用。如图甲是酒精检测仪,图乙是检测仪的简化电路图,R0为定值电阻,R为气敏电阻,该电阻阻值与酒精气体含量的关系如图丙,如果图乙中电流表示数越大,说明司机吹出的气体中酒精含量就 ▲ 。
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