知识讲解力与运动的两类问题基础

知识讲解力与运动的两类问题基础

力与运动的两类问题 【学习目标】 1.明确用牛顿运动定律解决的两类问题; 2.掌握应用牛顿运动定律解题的基本思路和方法． 【要点梳理】 要点一、根据运动情况来求力 运动学有五个参量 0v 、v、t、a、x，这五个参量只有三个是独立的。 运动学的解题方法就是“知三求二”。所用的主要公式： 0v v at  ①——此公式不涉及到位移，不涉及到位移的题目应该优先考虑此公式 2 0 1 2x v t at  ②——此公式不涉及到末速度，不涉及到末速度的题目应该优先考虑此公式 21 2x vt at  ③——此公式不涉及到初速度，不涉及到初速度的题目应该优先考虑此公式 0 2 v vx t ④——此公式不涉及到加速度，不涉及到加速度的题目应该优先考虑此公式 2 2 0 2 v vx a  ⑤——此公式不涉及到时间，不涉及到时间的题目应该优先考虑此公式 根据运动学的上述 5 个公式求出加速度，再依据牛顿第二定律 F ma合 ，可以求物体所受的合力或者 某一个力。 要点二、根据受力来确定运动情况 先对物体进行受力分析，求出合力，再利用牛顿第二定律 F ma合 ，求出物体的加速度，然后利用运 动学公式 0v v at  ① 2 0 1 2x v t at  ② 21 2x vt at  ③ 0 2 v vx t ④ 2 2 0 2 v vx a  ⑤ 求运动量（如位移、速度、时间等） 要点三、两类基本问题的解题步骤 1.根据物体的受力情况确定物体运动情况的解题步骤 ①确定研究对象，对研究对象进行受力分析和运动分析，画出物体的受力图． ②求出物体所受的合外力． ③根据牛顿第二定律，求出物体加速度． ④结合题目给出的条件，选择运动学公式，求出所需的物理量． 2.根据物体的运动情况确定物体受力情况的解题步骤 ①确定研究对象，对研究对象进行受力分析和运动分析，并画出受力图． ②选择合适的运动学公式，求出物体的加速度． ③根据牛顿第二定律列方程，求物体所受的合外力． ④根据力的合成与分解的方法，由合力求出所需的力． 要点四、应注意的问题 1.不管是根据运动情况确定受力还是根据受力分析物体的运动情况，都必须求出物体的加速度。 2.要注意运动学公式的适用条件，上述 5 个式子都适用于匀变速直线运动。 3.注意匀减速直线运动中刹车问题（应清楚刹车所用的时间）、加速度的正负问题（若规定初速度的方向 为正方向，减速运动中的加速度应带负值）。 4.牛顿第二定律中的 F 是指物体所受的合外力，要理解矢量性、瞬时性、同一性。 【典型例题】 类型一、根据受力求物体运动情况 例 1、一个滑雪人从静止开始沿山坡滑下，山坡的倾角θ＝30°，滑雪板与雪地的动摩擦因数 0.04，求 10s 内滑下来的路程和 10s 末的速度大小。（g 取 10m /s2） 【思路点拨】根据牛顿第二定律先求加速度，再根据运动学公式来求。 【答案】233m，46.5m／s 【解析】以滑雪人为研究对象，受力情况如图所示。 研究对象的运动状态为：垂直于山坡方向，处于平衡；沿山坡方向，做匀加速直线运动。 将重力 mg 分解为垂直于山坡方向和沿山坡方向，据牛顿第二定律列方程： FN－mgcosθ＝0 mgsinθ－Ff＝ma 又因为 Ff＝μFN 由①②③可得：a＝g（sinθ－μcosθ） 故 2 21 1 (sin cos )2 2x at g t     21 1 310 ( 0.04) 10 m 233m2 2 2        1 310 ( 0.04) 10m/s 46.5m/s2 2v at       【点评】加速度是解决力与运动问题的桥梁。 举一反三 【变式 1】如图所示，传送带与地面的倾角θ＝37°，AB 之间的长度为 L＝16m，传送带以速率 v＝10m／s 逆时针转动，在传送带上 A 端无初速地放一个质量为 m＝0.5kg 的物体，它与传送带之间的动摩擦因数μ ＝0.5，求物体从 A 运动到 B 需要多少时间？（g＝10m／s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8） 【答案】2s 【解析】开始时物体的速度小于传送带速度，相对传送带向上运动，受摩擦力方向沿斜面向下；当物体速 度加速到大于传送带速度时，相对传送带向下运动，摩擦力方向沿斜面向上。因此，物块在传送带上运动 时，分加速度不同的两个阶段进行研究。物体放到传送带上，开始相对于传送带向上运动，所受摩擦力方 向沿传送带向下， 物体由静止开始做初速为零的匀速直线运动，根据牛顿第二定律： mgsinθ＋μmgcosθ＝ma1 ① 物体速度由零增大到 10m／s 所用的时间：t1＝v／a1 ② 物体下滑的位移： 2 1 1 1 1 2x a t ③ 当物体速度等于 10m／s 时，相对于传送带，物体向下运动，摩擦力方向与原来相反，沿传送带向上 此时有：mgsinθ－μmgcosθ＝ma2 ④ 从速度增大到 10m／s 后滑到 B 所用时间为 t2，根据运动学知识： 2 1 2 2 2 1 2L x vt a t   ⑤ 联立方程组解得：t1＝1s t2＝1s 所以从 A 到 B 时间为 t＝t1＋t2＝2s 【高清课程：力和运动的两类问题 】 【变式 2】质量为 1kg 的物体静止在水平地面上，物体与地面的动摩擦因数为 0.2，作用在物体上的水平 拉力 F 与时间 t 的关系如图。请画出物体的速度随时间的变化图象，并求出物体在前 12s 内的位移 （g=10m/s2）。 【答案】100m 类型二、根据运动情况确定物体受力 例 2、质量为 200t 的机车从停车场出发，行驶 225m 后，速度达到 54km／h，此时，司机关闭发动机让机 车进站，机车又行驶了 125m 才停在站上。设运动过程中阻力不变，求机车关闭发动机前所受到的牵引力。 【思路点拨】关闭发动机前后，汽车的受力情况不同，加速度不同，可分阶段运用那牛顿运动定律和运动 学公式求解。 【答案】2.8×105N 【解析】关闭发动机，汽车做的是减速运动。机车关闭发动机前在牵引力和阻力共同作用下向前加速；关 闭发动机后，机车只在阻力作用下做减速运动。因加速阶段的初末速度及位移均已知，故可由运动学公式 求出加速阶段的加速度，由牛顿第二定律可求出合力；在减速阶段初末速度及位移已知，同理可以求出加 速度，由牛顿第二定律可求出阻力，则由两阶段的力可求出牵引力。 在加速阶段 初速度 v0＝0，末速度 1v 54km h 15m s＝ ／ ＝ ／ 位移 x1＝225m 由 2 2 0 2tv v ax  得： 加速度 2 2 2 21 1 1 15 m/s =0.5m/s2 2 225 va x    由牛顿第二定律得 5 5 1F F ma 2 10 0 5N 1 10 N.  引 阻－ ＝ ＝ ＝ ① 减速阶段：初速度 1v 15m s＝ ／ ，末速度 v2＝0，位移 2x 125m＝ 由 得＝－ axvv 22 1 2 2 加速度 2 2 2 21 2 2 15 m/s = 0.9m/s2 2 125 va x      ，负号表示 a2 方向与 v1 方向相反 由牛顿第二定律得 5 5 2F ma 2 10 0 9 N 1 8 10 N. .   阻 － ＝－ （－ ） ＝ ② 由①②得机车的牵引力为 5F 2 8 10 N. 引＝ 【点评】解题前应对问题先作定性和半定量的分析，弄清物理情景，找出解题的关键，以养成良好的思维 品质和解题习惯，在求解加速度过程中要注意加速度和速度方向关系，在求 a2 时也可不考虑方向，直接求 其大小，a2＝0.9m／s2，然后得出 F 阻＝ma2＝1.8×105N 的结果。 举一反三 【变式】如图所示， 一个滑雪的人，质量 m=75kg，以 v0=2m／s 的初速度沿山坡匀加速滑下，山坡的倾角 为θ=30º，在 t=5s 的时间内滑雪人滑下的路程 x=60m，求滑雪人受到的阻力(包括滑动摩擦力和空气阻力)。 【答案】67.5 N 【解析】根据运动学公式 2 0 1 2x v t at  ，代入数据整理得：a = 4 m/s2 物体受到重力、弹力、阻力，把重力沿斜面进行分解，依据牛顿第二定律， = sin =F mg F ma  阻合 ， = sin 67.5NF mg ma  阻 所以，滑雪人受到的阻力为 67.5 N 。 类型三、整体法、隔离法求解连接体问题 两个(或两个以上)物体组成的连接体，它们之间的连接纽带是加速度，高中阶段只求加速度相同的问 题． 在连接体内各物体具有相同的加速度，应先把连接体当成一个整体，分析受到的外力，利用牛顿第二 定律求出加速度，若要求连接体内各物体相互作用的力，则把物体隔离，对某个物体单独进行受力分析， 再利用牛顿第二定律对该物体列式求解． (1)求内力：先整体后隔离． (2)求外力：先隔离后整体． 例 3、如图所示，质量为 m 的物块放在倾角为θ的斜面上，斜面体的质量为 M，斜面与物块无摩擦，地面 光滑．现对斜面施一个水平推力 F，要使物体相对斜面静止，力 F 应为多大? 【思路点拨】M、m 相对斜面静止，具有相同的加速度，可先用整体法，再对 m 用隔离法，联立求解。 【答案】 F (m M)g tan ＝ 【解析】两物体无相对滑动，说明两物体加速度相同，方向水平．对于物块 m，受两个力作用，其合力方 向水平向左．先选取物块 m 为研究对象，求出它的加速度，它的加速度就是整体加速度，再根据 F (m M)a＝ ，求出推力 F． 选择物块为研究对象，受两个力，重力 mg、支持力 FN，且二力合力方向水平．如图所示，由图可得 ma mg tan＝ ． a g tan＝ ． 再选整体为研究对象，根据牛顿第二定律 F (m M)g tan ＝ 【点评】要使物块与斜面保持相对静止，即相对斜面不上滑也不下滑，加速度就应水平．这是一种临 界状态。 举一反三 【变式】如图所示，两个质量相同的物体 A 和 B 紧靠在一起，放在光滑的水平面上，如果它们分别受到水 平推力 F1 和 F2，而且 F1＞F2，则 A 施于 B 的作用力大小为( ) A． 1F B． 2F C． 1 2( ) / 2F F D． 1 2( ) / 2F F 【答案】C 【解析】物体 A 和 B 加速度相同，求它们之间的相互作用力，采取先整体后隔离的方法，先求出它们共同 加速度，然后再选取 A 或 B 为研究对象，求出它们之间的相互作用力． 选取 A 和 B 整体为研究对象，共同加速度 a 为 1 2 2 F Fa m  ． 再选取物体 B 为研究对象，受力分析如图所示，根据牛顿第二定律 2NF F ma  ， FN＝F2+ma＝ 1 2 1 2 2 2 2 F F F FF m m    ．故选 C． 【点评】此题也可以对物体 A 进行隔离． 利用 F1-FN＝ma 求解． 此题可以一开始就用隔离法： 对于 A： F1-FN＝ma， ① 对于 B： FN-F2＝ma． ② 联立①②两式解得 1 2 1 2 ,2 .2N F Fa m F FF     从原则上讲，求内力可任意隔离与之相邻的物体，均可求解．但应注意尽量使过程简洁． 类型四、程序法解决力和运动的问题 按时间的先后顺序对题目给出的物体运动过程(或不同的状态)进行分析(包括列式计算)的解题方法 称为程序法．解题的基本思路是：正确划分出题目中有多少个不同过程或多少个不同状态，然后对各个过 程或各个状态进行具体分析，得出正确的结果． 例 4、将质量为 m 的物体以初速度 v0 从地面向上抛出．设物体在整个过程中所受空气阻力的大小恒为 fF ， 求物体上升的最大高度和落回地面时的速度大小． 【思路点拨】物体在上升和下降过程中加速度不同，应分阶段求解；物体上升到最大高度时，速度为零。 【答案】 2 0 2( )f mvx mg F   ， 0   f t f mg Fv v mg F 【解析】本题中物体的运动包括上升过程和下降过程，现用程序法求解如下： 上升过程：物体受重力 mg 和向下的空气阻力 fF 作用，设加速度大小为 a上 ，根据牛顿第二定律，有 fmg F ma  上 ． 根据运动学公式得(物体做匀减速直线运动) 2 0 2 vx a  上 下降过程：物体受重力 mg 和向上的空气阻力 fF 作用，同理有： fmg F ma  下 ， 2 2 tvx a  下 联解上述四个方程，得 2 0 2( )f mvx mg F   ， 0 f t f mg Fv v mg F   ． x 和 tv 即为题目所求的上升的最大高度和落回地面时的速度大小． 【点评】程序法是解决物理问题的基本方法，我们在以后的学习中要注意培养应用程序法解题的能力． 举一反三 【高清课程：力和运动的两类问题 】 【变式】质量为 m=2kg 的物体静止在水平面上，它们之间的动摩擦因数为μ=0.5。现对物体施加如图所示 的力 F，F=10N，与水平方向成θ=37o 夹角经过 t=10s 后，撤去力 F，再经过一段时间，物体又变为静止， 求整个过程物体的总位移 S。 (g 取 10m/s2) 【答案】27.5m