1、动量定理
(1)内容:物体所受合力的冲量等于物体的动量变化,这个结论叫做动量定理。
(2)表达式:Ft=mV′-mV=P′-P
(3) 推导
问题:一个质量为m的物体,初速度为V,在合力F的作用下,经过一段时间t,速度变为V′,求:
①物体的初动量P和末动量P′分别为多少?
②物体的加速度a=?
③据牛顿第二定律F=ma可推导得到一个什么表达式?
解析:①初动量为P=mV ,末动量为P′=mV′
②物体的加速度a=(V'-V)/t
③根据牛顿第二定律F=ma=(mV'-mV)/t可得
Ft=mV′-mV
即 Ft=P′-P
等号左边表示合力的冲量,等号右边是物体动量的变化量。
⑷说明:
①动量定理Ft=P′-P是矢量式,Ft指的是合外力的冲量,ΔP指的是动量的变化。
动量定理说明合外力的冲量与动量变化的数值相同,方向一致,单位等效,但不能认为合外力的冲量就是动量的增量。对方向变化的力,其冲量的方向与力的方向一般不同,但冲量的方向与动量变化的方向一定相同。
若公式中各量均在一条直线上,可规定某一方向为正,根据已知各量的方向确定它们的正负,从而把矢量运算简化为代数运算。公式中的“-”号是运算符号,与正方向的选取无关。
②动量定理揭示的因果关系。它表明物体所受合外力的冲量是物体动量变化的原因,物体动量的变化是由它受到的外力经过一段时间积累的结果。
③动量定理的分量形式:物体在某一方向上的动量变化只由这一方向上的外力冲量决定。
Fxt=mVx′-mVx
Fyt=mVy′-mVy
④动量定理既适用于恒力,也适用于变力。对于变力的情况,动量定理中的F应理解为变力在作用时间内的平均值。
⑤动量定理的研究对象。在中学阶段,动量定理的研究对象通常是指单个物体,合外力是指物体受到的一切外力的合力。实际上,动量定理对物体系统也是适用的。对物体系统来说,内力不会改变系统的动量,同样是系统合外力的冲量等于系统的动量变化。
⑥牛顿第二定律的动量表示,F=(P′-P)/t=ΔP/t。从该式可以得出:合外力等于物体的动量变化率。
(5)动量定理的特性
①矢量性:冲量、动量和动量变化均为矢量,动量定理为矢量关系;
②整体性:F和t,m和V不可分;运用动量定理可对整个过程建立方程,对过程的细节考虑较少,解题较动力学和运动学容易些。
③独立性:某方向的冲量只改变该方向的动量;
④对应性:Ft和ΔP应对应同一过程,F、V应对应同一惯性参考系;
⑤因果性:冲量是动量变化的原因,动量变化是力对时间累积的结果;
⑥变通性:在具体应用时,可用冲量代替匀变速曲线运动的动量变化,也可用动量变化代替变力的冲量。
动量定理应用举例
(1)解释现象
①在ΔP一定的情况下,要减小力F,可以延长力的作用时间;要增大力F,可缩短力的作用时间。
②在F一定的情况下,作用时间t短则ΔP小,作用时间t长则ΔP大;
③在t一定的情况下,作用力F小则ΔP小,作用力F大则ΔP大。
例题:鸡蛋从同一高度自由下落,第一次落在地板上,鸡蛋被打破;第二次落在泡沫塑料垫上,没有被打破。这是为什么?
解:两次碰地(或碰塑料垫)瞬间鸡蛋的初速度相同,而末速度都是零也相同,所以两次碰撞过程鸡蛋的动量变化相同。根据Ft=Δp,第一次与地板作用时的接触时间短,作用力大,
所以鸡蛋被打破;第二次与泡沫塑料垫作用的接触时间长,作用力小,所以鸡蛋没有被打破。(再说得准确一点应该指出:鸡蛋被打破是因为受到的压强大。鸡蛋和地板相互作用时的接触面积小而作用力大,所以压强大,鸡蛋被打破;鸡蛋和泡沫塑料垫相互作用时的接触面积大而作用力小,所以压强小,鸡蛋未被打破。)
例题: 某同学要把压在木块下的纸抽出来。第一次他将纸迅速抽出,木块几乎不动;第二次他将纸较慢地抽出,木块反而被拉动了。这是为什么?
解:物体动量的改变不是取决于合力的大小,而是取决于合力
冲量的大小。在水平方向上,第一次木块受到的是滑动摩擦力,一般来说大于第二次受到的静摩擦力;但第一次力的作用时间极短,摩擦力的冲量小,因此木块没有明显的动量变化,几乎不动。第二次摩擦力虽然较小,但它的作用时间长,摩擦力的冲量反而大,因此木块会有明显的动量变化。
(2)定量计算
应用动量定理解题的步骤:
①确定研究对象;
②对研究对象进行正确的受力分析,确定合外力及作用时间;
③找出物体的初末状态并确定相应的动量;
④如果初、末动量在同一直线上,则选定正方向,并给每个力的冲量和初、末动量带上正负号,以表示和正方向同向或反向;如果初、末动量不在同一直线上,则用平行四边形定则求解;
⑤根据动量定理列方程;
⑥解方程,讨论。
例题:一个质量为0.18kg的垒球,以25 m/s的水平速度飞向球棒,被球棒打击后,反向水平飞回,速度的大小为45 m/s,设球棒与垒球的作用时间为0.01 s,求球棒对垒球的平均作用力有多大?
解析:取垒球飞向球棒时的方向为正方向,垒球的初动量为P=mV=4.5kg·m/s,垒球的末动量为P'=mV'=-8.1kg·m/s,由动量定理可得
垒球所受的平均力为
垒球所受的平均力的大小为1260N,负号表示力的方向与所选的正方向相反,即力的方向与垒球飞回的方向相同。
⑶计算冲量的大小主要有下述的三种方法:
第一种方法是:根据冲量的概念求解。即将已知的力F和作用的时间t代入下式:
(矢量式 )
第二种方法是:根据“动量定理”求解。即用已知的和求出代入下式:
第三种方法是:求变力的冲量,不能直接用F·t求解,应该由动量定律根据动量的变化间接求解,也可以 F-t图像下的“面积”的计算方法求解。
例题:一个物体同时受到两个力F1、F2的作用,F1、F2与时间t的关系如图所示。若该物体从静止开始运动,则在0 – 10s的这段时间内,物体动量的最大值为___________。 解析:这是一个受两个线性变化力的问题,物体动量的情况应借助于图象去做,
如图所示,做任一时刻的“面积”,S1为F1的冲量、S2为F2的冲量;不过S1为正,S2为负;这样从静止开始到t内的冲量为
而
于是
所以,在5s时动量最大,最大值为25kg·m/s
警示!物理中的图象是多功能的,这里“面积”有正负,应该取代数和。
例题:从地面以速度竖直竖直向上抛出一气球,皮球落地时的速度为,若皮球运动中所受空气的阻力的大小与其速度的成正比,试求皮球在空气中的运动时间。
解析:如何突破这个问题?
阻力的变化引起加速度的变化,不过物体上升的位移与下降的位移等值、反向;作υ-t图,S1为上升的位移、S2为下降的位移大小;即
对全过程应用动量定理,得
这里,,如图所示
所以,
警示!应用图象、转化图象,可以突破难点。
例题:一质量为700g的足球从高处自由落下,落地后反跳到的高处。((g取10m/s2))
求:(1)球在与地面撞击的极短过程中动量变化如何?
(2)若球与地面的接触时间是0.02s,球对地面的平均作用力有多大?
解析:(1) 球刚落地时速度大小为 方向为竖直向下。
反跳时(即离开地面的一瞬间)足球的速度大小为
方向为竖直向上。
所以,动量的变化为
方向为竖直向上。
(2)取向上为正,根据动量定理,球的动量改变正是球受到的冲量所致,所以
其方向应该和动量增量的方向相同,即方向为竖直向上。 根据作用与反作用的关系,球对地面作用的平均冲力的大小为637N、方向为竖直向下。 警示!建议不论作用时间长、短,都不要忽略重力。
例题:如图所示,,在光滑的水平面上静止放着两个相互接触的木块A和B,质量分别为m1和m2,今有一颗子弹水平地穿过两个木块,设子弹穿过A、B木块的时间分别为t1和t2,木块对子弹的阻力大小恒为f,则子弹穿出两木块后,木块A的速度和木块B的速度分别为多少?
解析:子弹打入A时,A、B具有共同的速度,子弹离开A打入B时,A、B的共同的速度也就是A的最终速度,
对A、B这一过程根据动量定理,
①
第二阶段,对B根据动量定理,
② 由①得
将①代人②得
警示!虽然物体多,但是一一分析清楚,结合已知条件列出方程,就会解答。
例题: 质量为m的小球,从沙坑上方自由下落,经过时间t1到达沙坑表面,又经过时间t2停在沙坑里。求:⑴沙对小球的平均阻力F;⑵小球在沙坑里下落过程所受的总冲量I。
解:设刚开始下落的位置为A,刚好接触沙的位置为B,在沙中到达的最低点为C。⑴在下落的全过程对小球用动量定理:重力作用时间为t1+t2,而阻力作用时间仅为t2,以竖直向下为正方向,有:
mg(t1+t2)-Ft2=0, 解得:
⑵仍然在下落的全过程对小球用动量定理:在t1时间内只有重力的冲量,在t2时间内只有总冲量(已包括重力冲量在内),以竖直向下为正方向,有:
mgt1-I=0,∴I=mgt1
这种题本身并不难,也不复杂,但一定要认真审题。要根据题意所要求的冲量将各个外力灵活组合。若本题目给出小球自由下落的高度,可先把高度转换成时间后再用动量定理。当t1>> t2时,F>>mg。
例题:质量为M的汽车带着质量为m的拖车在平直公路上以加速度a匀加速前进,当速度为v0时拖车突然与汽车脱钩,到拖车停下瞬间司机才发现。若汽车的牵引力一直未变,车与路面的动摩擦因数为μ,那么拖车刚停下时,汽车的瞬时速度是多大?
解:以汽车和拖车系统为研究对象,全过程系统受的合外力始终为,该过程经历时间为v0/μg,末状态拖车的动量为零。全过程对系统用动量定理可得:
这种方法只能用在拖车停下之前。因为拖车停下后,系统受的合外力中少了拖车受到的摩擦力,因此合外力大小不再是。
例题:一小圆盘静止在桌布上,位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一边与桌的AB边重合,如图。已知盘与桌布的动摩擦因数为,盘与桌面间的动摩擦因数为。现突然以恒定加速度将桌布抽离桌面,加速度的方向是水平的且垂直于AB边。若圆盘最后末从桌面掉下,则加速度满足的条件是什么?(以表示重力加速度)
解析:设圆盘的质量为,桌长为,,这一阶段圆盘的末速度为
解法一:(动量法)
第一阶段,对圆盘(在桌布上运动)根据动量定理,
①
第二阶段,对圆盘(在桌面上运动,初速度,末速度临界值为0)根据动量定理,
②
在桌布从圆盘下抽出的过程中,盘的加速度为
③
这一阶段圆盘的位移为
④
第二阶段,盘的加速度为
⑤
这一阶段圆盘的位移为
⑥
桌布从盘下抽出所经历的时间为,在这段时间内桌布移动的距离为,有 ⑦
而 ⑧
盘没有从桌面上掉下的条件是
⑨
联立解得
解法二:(以牛顿定律为主)
在桌布从圆盘下抽出的过程中,
①
圆盘在桌面上运动的过程中,
②
第一阶段圆盘的末速度为
③
又 ④
盘没有从桌面上掉下的条件是
⑤
桌布从盘下抽出所经历的时间为,在这段时间内桌布移动的距离为,有
⑥
⑦ 而 ⑧
由以上各式得
解法三:(能量法)
或直接写出:
盘没有从桌面上掉下的条件是
桌布从盘下抽出所经历的时间为,在这段时间内桌布移动的距离为,有
而
由以上各式得
解法四:(图象法)
所以,
警示!物理中的规律是有内在联系的,多种方法、多个角度的解决问题是必须的,经常这样做一定会有长足的进步。
3、动量的变化
①动量变化的三种情况:动量大小变化、动量方向改变、动量的大小和方向都改变三种可能。
②定义:在某一过程中,末状态动量与初状态动量的矢量差值,叫该过程的动量变化。
③计算
a、如果v1和v2方向相同,计算动量的变化就可用算术减法求之。
b、如果v1和v2方向相反,计算动量的变化就需用代数减法求之,若以v2为正值,则v1就应为负值。
c、如果v1与v2的方向不在同一直线上,应当运用矢量的运算法则:
如图1所示,mV1为初动量,mV2为末动量,则动量的变化(矢量式)
即作mV1的等大、反向矢量-mV1,然后,将mV2与-mV1运用平行四边形定则作其对角线即为动量的变化,如图2所示。
或者将初动量与末动量的矢量箭头共点放置,自初动量的箭头指向末动量箭头的有向线段,即为矢量ΔP。
例题:一个质量是0.1kg的钢球,以6m/s的速度水平向右运动,碰到一块坚硬的障碍物后被弹回,沿着同一直线以6 m/s的速度水平向左运动,碰撞前后钢球的动量有没有变化?变化了多少?
解析:取水平向右的方向为正方向,碰撞前钢球的速度V=6m/s,碰撞前钢球的动量为
P=mV=0.1×6kg·m/s=0.6kg·m/s
碰撞后钢球的速度为V′=-6m/s,碰撞后钢球的动量为
P′=mV′=-0.1×6kg·m/s=-0.6kg·m/s
碰撞前后钢球动量的变化为
ΔP=Pˊ-P=-0.6kg·m/s-0.6 kg·m/s=-1.2 kg·m/s
且动量变化的方向向左。
[对例题的处理:①为熟悉动量变化的矢量运算,可先假定物体运动速度的方向没有变化,仅大小发生改变,要求学生算出动量的变化。②规定向右为正方向,求动量的变化量。③最后再要求学生用向左为正方向运算,求动量的变化量(练习一、第3题)。总结得出正方向的选择只是一种解题的处理手段,并不影响解题的结果。]
例题:一个质量是0.2kg的钢球,以2m/s的速度斜射到坚硬的大理石板上,入射的角度是45°,碰撞后被斜着弹出,弹出的角度也是45°,速度大小仍为2m/s,求出钢球动量变化的大小和方向?
解析:碰撞前后钢球不在同一直线上运动,据平行四边形定则, P′、P和ΔP的矢量关系如右图所示。
ΔP=
方向竖直向上。
总结:动量是矢量,求其变化量应用平行四边形定则;
在一维情况下可首先规定一个正方向,这时求动量变化就可简化为代数运算。
例题:质量m为3kg的小球,以2m/s的速率绕其圆心O做匀速圆周运动,小球从A转到B过程中动量的变化为多少?从A转到C的过程中,动量变化又为多少?
解析:小球从A转到B过程中,动量变化的大小为kg·m/s,方向为向下偏左45°,小球从A转到C,规定向左为正方向,则ΔP=12kg·m/s,方向水平向左。
例题:质量为m的小球由高为H的光滑斜面顶端无初速滑到底端过程中,重力、弹力、合力的冲量各是多大?
解析:力的作用时间都是,力的大小依次是mg、
mgcosα和mgsinα,所以它们的冲量依次是:
特别要注意,该过程中弹力虽然不做功,但对物体有冲量。
例题:以初速度v0平抛出一个质量为m的物体,抛出后t秒内物体的动量变化是多少?
解析:因为合外力就是重力,所以Δp=Ft=mgt
有了动量定理,不论是求合力的冲量还是求物体动量的变化,都有了两种可供选择的等价的方法。本题用冲量求解,比先求末动量,再求初、末动量的矢量差要方便得多。当合外力为恒力时往往用Ft来求较为简单;当合外力为变力时,在高中阶段只能用Δp来求。
2、动量
(1)定义:在物理学中,物体的质量m和速度V的乘积mV叫做动量,动量通常用符号P表示。
(2)大小:物体在某一状态动量的大小等于物体的质量和物体在该时刻瞬时速度的乘积,即
P=mV
计算动量时,要明确是哪个物体在哪个状态的动量,速度一定要是该状态的瞬时速度。
(3)方向:动量也是矢量,动量的方向与速度方向相同。
动量的运算服从矢量运算规则,要按照平行四边形定则进行。
(4)单位:在国际单位制中,动量的单位是千克·米/秒(kg·m/s)
1kg·m/s=1N·s
(5)说明
①动量是矢量。动量有大小和方向,动量的大小等于物体的质量和速度的乘积,方向与物体的运动方向相同。动量的运算符合矢量运算的平行四边形定则。在一维情况下可首先规定一个正方向,这时求动量变化就可简化为代数运算。
②动量是状态量。动量与物体的运动状态相对应。计算动量时,要明确是哪个物体在哪个状态的动量,速度一定要是该状态的瞬时速度。
③动量与参考系有关。物体的速度与参考系有关,所以物体的动量也与参考系有关。在中学物理中,如无特别说明,一般都以地面为参考系。
1、冲量
(1)定义
力F和力的作用时间t的乘积Ft叫做力的冲量,通常用I表示。
冲量表示力对时间的累积效果,冲量是过程量。
(2)大小:物体在恒力作用下,冲量的大小是力和作用时间的乘积,即
I=Ft
计算冲量时,要明确是哪个力在哪一段时间内的冲量。
(3)方向:冲量是矢量,它的方向是由力的方向决定的。
如果力的方向在作用时间内不变,冲量方向就跟力的方向相同。
(4)单位:在国际单位制中,冲量的单位是牛·秒(N·s)。
(5)说明
①冲量是矢量。恒力冲量的大小等于力和时间的乘积,方向与力的方向一致;冲量的运算符合矢量运算的平行四边形定则。
(怎样求合力的冲量,怎样求变力的冲量)
②冲量是过程量。冲量表示力对时间的累积效果,只要有力并且作用一段时间,那么该力对物体就有冲量作用。计算冲量时必须明确是哪个力在哪段时间内的冲量。
③冲量是绝对的。与物体的运动状态无关,与参考系的选择无关。
④冲量可以用F─t图象描述。
F─t图线下方与时间轴之间包围的“面积”值表示对应时间内力的冲量。
例题:①如图所示,一个质量为m的物块在与水平方向成θ角的恒力F作用下,经过时间t,获得的速度为V,求F在t时间内的冲量?
(大小:Ft;方向:与F的方向一致,与水平方向成θ角)
②一质量为mkg的物体,以初速度V0水平抛出,经时间t,求重力在时间t内的冲量?
(大小:mgt;方向:竖直向下)
例题:以初速度V0竖直向上抛出一物体,空气阻力不可忽略。关于物体受到的冲量,以下说法中正确的是
A.物体上升阶段和下落阶段受到重力的冲量方向相反
B.物体上升阶段和下落阶段受到空气阻力冲量的方向相反
C.物体在下落阶段受到重力的冲量大于上升阶段受到重力的冲量
D.物体从抛出到返回抛出点,所受各力冲量的总和方向向下
解析:物体在整个运动中所受重力方向都向下,重力对物体的冲量在上升、下落阶段方向都向下,选项A错。
物体向上运动时,空气阻力方向向下,阻力的冲量方向也向下。物体下落时阻力方向向上,阻力的冲量方向向上。选项B正确。
在有阻力的情况下,物体下落的时间t2比上升时所用时间t1大。物体下落阶段重力的冲量mgt2大于上升阶段重力的冲量mgt1,选项C正确。
在物体上抛的整个运动中,重力方向都向下。物体在上升阶段阻力的方向向下,在下落阶段虽然阻力的方向向上,但它比重力小。在物体从抛出到返回抛出点整个过程中,物体受到合力的冲量方向向下,选项D正确。
综上所述,正确选项是B、C、D。
6、物体平衡问题的一般解题步骤
(1)审清题意,选好研究对象。
(2)隔离研究对象,分析物体所受外力,画出物体受力图。
(3)建立坐标系或确定力的正方向.
(4)列出力的平衡方程并解方程.
(5)对所得结果进行检验和讨论.
例题: 一航天探测器完成对月球的探测任务后,在离开月球的过程中,由静止开始沿着与月球表面成一倾斜角的直线飞行,先加速运动,再匀速运动。探测器通过喷气而获得推动力。以下关于喷气方向的描述中正确的是
A.探测器加速运动时,沿直线向后喷气
B.探测器加速运动时,竖直向下喷气
C.探测器匀速运动时,竖直向下喷气
解析:探测器沿直线加速运动时,所受合力F合方向与运动方向相同,而重力方向竖直向下,由平行四边形定则知推力方向必须斜向上方,因此喷气方向斜向下方。匀速运动时,所受合力为零,因此推力方向必须竖直向上,喷气方向竖直向下。选C
例题:重G的均匀绳两端悬于水平天花板上的A、B两点。静止时绳两端的切线方向与天花板成α角。求绳的A端所受拉力F1和绳中点C处的张力F2。
解析:以AC段绳为研究对象,根据判定定理,虽然AC所受的三个力分别作用在不同的点(如图中的A、C、P点),但它们必为共点力。设它们延长线的交点为O,用平行四边形定则作图可得:
例题:用与竖直方向成α=30°斜向右上方,大小为F的推力把一个重量为G的木块压在粗糙竖直墙上保持静止。求墙对木块的正压力大小N和墙对木块的摩擦力大小f。
解析:从分析木块受力知,重力为G,竖直向下,推力F与竖直成30°斜向右上方,墙对木块的弹力大小跟F的水平分力平衡,所以N=F/2,墙对木块的摩擦力是静摩擦力,其大小和方向由F的竖直分力和重力大小的关系而决定:
当时,f=0;当时,,方向竖直向下;当时,,方向竖直向上。
例题:有一个直角支架AOB,AO水平放置,表面粗糙, OB竖直向下,表面光滑。AO上套有小环P,OB上套有小环Q,两环质量均为m,两环由一根质量可忽略、不可伸长的细绳相连,并在某一位置平衡(如图所示)。现将P环向左移一小段距离,两环再次达到平衡,那么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态比较,AO杆对P环的支持力FN和摩擦力f的变化情况是
A.FN不变,f变大 B.FN不变,f变小 C.FN变大,f变大 D.FN变大,f变小
解析:以两环和细绳整体为对象求FN,可知竖直方向上始终二力平衡,FN=2mg不变;以Q环为对象,在重力、细绳拉力F和OB压力N作用下平衡,设细绳和竖直方向的夹角为α,则P环向左移的过程中α将减小,N=mgtanα也将减小。再以整体为对象,水平方向只有OB对Q的压力N和OA 对P环的摩擦力f作用,因此f=N也减小。答案选B。
5、物体的受力分析
⑴明确研究对象
在进行受力分析时,研究对象可以是某一个物体,也可以是保持相对静止的若干个物体。在解决比较复杂的问题时,灵活地选取研究对象可以使问题简洁地得到解决。研究对象确定以后,只分析研究对象以外的物体施予研究对象的力(既研究对象所受的外力),而不分析研究对象施予外界的力。
⑵按顺序找力
必须是先场力(重力、电场力、磁场力),后接触力;接触力中必须先弹力,后摩擦力(只有在有弹力的接触面之间才可能有摩擦力)。
⑶只画性质力,不画效果力
画受力图时,只能按力的性质分类画力,不能按作用效果(拉力、压力、向心力等)画力,否则将出现重复。
⑷需要合成或分解时,必须画出相应的平行四边形(或三角形)
在解同一个问题时,分析了合力就不能再分析分力;分析了分力就不能再分析合力,千万不可重复。
例题: 如图所示,倾角为θ的斜面A固定在水平面上。木块B、C的质量分别为M、m,始终保持相对静止,共同沿斜面下滑。B的上表面保持水平,A、B间的动摩擦因数为μ。⑴当B、C共同匀速下滑;⑵当B、C共同加速下滑时,分别求B、C所受的各力。
解析:⑴先分析C受的力。这时以C为研究对象,重力G1=mg,B对C的弹力竖直向上,大小N1= mg,由于C在水平方向没有加速度,所以B、C间无摩擦力,即f1=0。
再分析B受的力,在分析 B与A间的弹力N2和摩擦力f2时,以BC整体为对象较好,A对该整体的弹力和摩擦力就是A对B的弹力N2和摩擦力f2,得到B受4个力作用:重力G2=Mg,C对B的压力竖直向下,大小N1= mg,A对B的弹力N2=(M+m)gcosθ,A对B的摩擦力f2=(M+m)gsinθ
⑵由于B、C 共同加速下滑,加速度相同,所以先以B、C整体为对象求A对B的弹力N2、摩擦力f2,并求出a ;再以C为对象求B、C间的弹力、摩擦力。
这里,f2是滑动摩擦力N2=(M+m)gcosθ, f2=μN2=μ(M+m)gcosθ
沿斜面方向用牛顿第二定律:(M+m)gsinθ-μ(M+m)gcosθ=(M+m)a
可得a=g(sinθ-μcosθ)。B、C间的弹力N1、摩擦力f1则应以C为对象求得。
由于C所受合力沿斜面向下,而所受的3个力的方向都在水平或竖直方向。这种情况下,比较简便的方法是以水平、竖直方向建立直角坐标系,分解加速度a。
分别沿水平、竖直方向用牛顿第二定律:
f1=macosθ,mg-N1= masinθ,
可得:f1=mg(sinθ-μcosθ) cosθ N1= mg(cosθ+μsinθ)cosθ
由本题可以知道:①灵活地选取研究对象可以使问题简化;②灵活选定坐标系的方向也可以使计算简化;③在物体的受力图的旁边标出物体的速度、加速度的方向,有助于确定摩擦力方向,也有助于用牛顿第二定律建立方程时保证使合力方向和加速度方向相同。
4、动态平衡问题:
动态平衡问题是指通过控制某一物理量,使物体的状态发生缓慢变化,而在这变化过程中,物体又始终处于一系列的平衡状态.
例题: 重G的光滑小球静止在固定斜面和竖直挡板之间。若挡板逆时针缓慢转到水平位置,在该过程中,斜面和挡板对小球的弹力的大小F1、F2各如何变化?
解析:由于挡板是缓慢转动的,可以认为每个时刻小球都处于静止状态,因此所受合力为零。应用三角形定则,G、F1、F2三个矢量应组成封闭三角形,其中G的大小、方向始终保持不变;F1的方向不变;F2的起点在G的终点处,而终点必须在F1所在的直线上,由作图可知,挡板逆时针转动90°过程,F2矢量也逆时针转动90°,因此F1逐渐变小,F2先变小后变大。(当F2⊥F1,即挡板与斜面垂直时,F2最小)
3、解答平衡问题的常用方法
(1)拉密原理:如果在共点的三个力作用下物体处于平衡状态,那么各力的大小分别与另外两个力夹角的正弦成正比,其表达式为
(2)相似三角形法.
(3)正交分解法:共点力作用下物体的平衡条件(∑F=0)是合外力为零,求合力需要应用平行四边形定则,比较麻烦,通常用正交分解法把矢量运算转化为标量运算。
2、三力汇交原理:物体在作用线共面的三个非平行力作用处于平衡状态时,这三个力的作用线必相交于一点.
1、平衡条件的推论
推论(1):若干力作用于物体使物体平衡,则其中任意一个力必与其他的力的合力等大、反向.
推论(2):三个力作用于物体使物体平衡,若三个力彼此不平行.则这三个力必共点(作用线交于同一点).
推论(3):三个力作用于物体使物体平衡,则这三个力的作用线必构成封闭的三角形.
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