牛顿运动定律的应用:
1、牛顿运动定律
牛顿第一定律:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第二定律:物体的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同,表达式F
合=ma。
牛顿第三定律:两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一直线上。
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;
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系统,同一题,根据题意和解题需要也可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,可以用平行四力形定则求其合力;如果物体受力较多,一般把它们正交分解到两个方向上,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、速度等都可以根据规定的正方向按正、负值代公式,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。
牛顿运动定律解决常见问题:
Ⅰ、动力学的两类基本问题:已知力求运动,已知运动求力
①根据物体的受力情况,可由牛顿第二定律求出物体的加速度,再通过运动学的规律确定物体的运动情况;根据物体的运动情况,可由运动学公式求出物体的加速度,再通过牛顿第二定律确定物体所受的外力。
②分析这两类问题的关键是抓住受力情况和运动情况的桥梁——加速度。
③求解这两类问题的思路,可由下面的框图来表示。
Ⅱ、超重和失重
物体有向上的加速度(向上加速运动时或向下减速运动)称物体处于超重,处于超重的物体对支持面的压力F
N(或对悬挂物的拉力)大于物体的重力mg,即F
N=mg+ma;物体有向下的加速度(向下加速运动或向上减速运动)称物体处于失重,处于失重的物体对支持面的压力F
N(或对悬挂物的拉力)小于物体的重力mg,即F
N=mg-ma。
Ⅲ、连接体问题
连接体:当两个或两个以上的物体通过绳、杆、弹簧相连,或多个物体直接叠放在一起的系统。处理方法——整体法与隔离法:
当两个或两个以上的物体相对同一参考系具有相同加速度时,有些题目也可采用整体与隔离相结合的方法,一般步骤用整体法或隔离法求出加速度,然后用隔离法或整体法求出未知力。
Ⅳ、瞬时加速度问题
①两种基本模型
刚性绳模型(细钢丝、细线等):认为是一种不发生明显形变即可产生弹力的物体,它的形变的发生和变化过程历时极短,在物体受力情况改变(如某个力消失)的瞬间,其形变可随之突变为受力情况改变后的状态所要求的数值。
轻弹簧模型(轻弹簧、橡皮绳、弹性绳等):此种形变明显,其形变发生改变需时间较长,在瞬时问题中,其弹力的大小可看成是不变。
②解决此类问题的基本方法
a、分析原状态(给定状态)下物体的受力情况,求出各力大小(若物体处于平衡状态,则利用平衡条件;若处于加速状态则利用牛顿运动定律);
b、分析当状态变化时(烧断细线、剪断弹簧、抽出木板、撤去某个力等),哪些力变化,哪些力不变,哪些力消失(被剪断的绳、弹簧中的弹力,发生在被撤去物接触面上的弹力都立即消失);
c、求物体在状态变化后所受的合外力,利用牛顿第二定律,求出瞬时加速度。
Ⅴ、传送带问题
分析物体在传送带上如何运动的方法
①分析物体在传送带上如何运动和其它情况下分析物体如何运动方法完全一样,但是传送带上的物体受力情况和运动情况也有它自己的特点。具体方法是:
a、分析物体的受力情况
在传送带上的物体主要是分析它是否受到摩擦力、它受到的摩擦力的大小和方向如何、是静摩擦力还是滑动摩擦力。在受力分析时,正确的理解物体相对于传送带的运动方向,也就是弄清楚站在传送带上看物体向哪个方向运动是至关重要的!因为是否存在物体与传送带的相对运动、相对运动的方向决定着物体是否受到摩擦力和摩擦力的方向。
b、明确物体运动的初速度
分析传送带上物体的初速度时,不但要分析物体对地的初速度的大小和方向,同时要重视分析物体相对于传送带的初速度的大小和方向,这样才能明确物体受到摩擦力的方向和它对地的运动情况。
c、弄清速度方向和物体所受合力方向之间的关系
物体对地的初速度和合外力的方向相同时,做加速运动,相反时做减速运动;同理,物体相对于传送带的初速度与合外力方向相同时,相对做加速运动,方向相反时做减速运动。
②常见的几种初始情况和运动情况分析
a、物体对地初速度为零,传送带匀速运动(也就是将物体由静止放在运动的传送带上)
物体的受力情况和运动情况如图1所示:其中V是传送带的速度,V
10是物体相对于传送带的初速度,f是物体受到的滑动摩擦力,V
20是物体对地运动初速度。(以下的说明中个字母的意义与此相同)
物体必定在滑动摩擦力的作用下相对于地做初速度为零的匀加速直线运动。其加速度由牛顿第二定律
,求得
;
在一段时间内物体的速度小于传送带的速度,物体则相对于传送带向后做减速运动,如果传送带的长度足够长的话,最终物体与传送带相对静止,以传送带的速度V共同匀速运动。
b、物体对地初速度不为零其大小是V
20,且与V的方向相同,传送带以速度V匀速运动(也就是物体冲到运动的传送带上)
若V
20的方向与V的方向相同且V
20小于V,则物体的受力情况如图1所示完全相同,物体相对于地做初速度是V
20的匀加速运动,直至与传送带达到共同速度匀速运动。
若V
20的方向与V的方向相同且V
20大于V,则物体相对于传送带向前运动,它受到的摩擦力方向向后,如图2所示,摩擦力f的方向与初速度V
20方向相反,物体相对于地做初速度是V
20的匀减速运动,一直减速至与传送带速度相同,之后以V匀速运动。
c、物体对地初速度V
20,与V的方向相反
如图3所示:物体先沿着V
20的方向做匀减速直线运动直至对地的速度为零。然后物体反方向(也就是沿着传送带运动的方向)做匀加速直线运动。
若V
20小于V,物体再次回到出发点时的速度变为-V
20,全过程物体受到的摩擦力大小和方向都没有改变。
若V
20大于V,物体在未回到出发点之前与传送带达到共同速度V匀速运动。
说明:上述分析都是认为传送带足够长,若传送带不是足够长的话,在图2和图3中物体完全可能以不同的速度从右侧离开传送带,应当对题目的条件引起重视。
物体在传送带上相对于传送带运动距离的计算
①弄清楚物体的运动情况,计算出在一段时间内的位移X
2。
②计算同一段时间内传送带匀速运动的位移X
1。
③两个位移的矢量之△X=X
2-X
1就是物体相对于传送带的位移。
说明:传送带匀速运动时,物体相对于地的加速度和相对于传送带的加速度是相同的。
传送带系统功能关系以及能量转化的计算
物体与传送带相对滑动时摩擦力的功
①滑动摩擦力对物体做的功
由动能定理
,其中X
2是物体对地的位移,滑动摩擦力对物体可能做正功,也可能做负功,物体的动能可能增加也可能减少。
②滑动摩擦力对传送带做的功
由功的概念得
,也就是说滑动摩擦力对传送带可能做正功也可能做负功。例如图2中物体的速度大于传送带的速度时物体对传送带做正功。
说明:当摩擦力对于传送带做负功时,我们通常说成是传送带克服摩擦力做功,这个功的数值等于外界向传送带系统输入能量。
③摩擦力对系统做的总功等于摩擦力对物体和传送带做的功的代数和。
即
结论:滑动摩擦力对系统总是做负功,这个功的数值等于摩擦力与相对位移的积。
④摩擦力对系统做的总功的物理意义是:物体与传送带相对运动过程中系统产生的热量,即
。
4、应用牛顿第二定律时常用的方法:整体法和隔离法、正交分解法、图像法、临界问题。
平衡状态:
物体保持静止或匀速直线运动的状态称为平衡状态。静止状态称为静平衡,匀速直线运动状态称为动平衡。
①对静止的理解静止与速度v=0不是一回事,物体保持静止状态,说明a=0,a=0,两者同时成立,若仅是v=0,a≠0,如上抛到最高点的物体,此时物体并不能保持静止,上抛到最高点的物体并非处于平衡状态。
②力学中,当物体缓慢移动时,往往认为物体处于平衡状态。
③“静止”与“匀速直线运动”看起来好像是两种不同的运动形式,但本质却相同,这是因为物体的初始运动状态不同,若初始状态物体是静止的,则物体会一直静止着;若初始状态是做匀速直线运动的,则物体必然会保持匀速直线运动的状态。
力的平衡:
作用在物体上的几个力的合力为零,这种情况叫做力的平衡。
平衡条件:
1.内容为了使物体保持平衡状态,作用在物体上的力必须满足的条件,即平衡条件。
2.共点力平衡条件物体在共点力作用下处于平衡状态的条件是所受合外力为零,即
。
相互作用力与一对平衡力的对比:
解决平衡问题的常用方法:
1.合成法与分解法这两种方法常用在物体在三个力作用下处于平衡状态的问题:
合成法:将三个力中的任意两个力合成为一个力,则其合力与第三个力平衡,把三力平衡问题转化为二力平衡问题。
分解法:当物体受到三个共点力的作用处于平衡状态时,利用平行四边形对任意一个力沿另外两个力的作用线方向分解,则这两个分力分别与另外两个力等大反向。
无论是利用合成法还是利用分解法,都需要在作出平行四边形后再利用图中几何关系来解三角形,从而求出力的大小或方向,常用到的数学知识有:
(1)三角函数定义当出现直角三角形时,可利用三角函数的定义来求解力的大小或方向:
(2)正弦定理对于任意三角形,都有对边与对角的正弦比值相等,如图:
(3)相似三角形当力的三角形与图中的几何三角形相似时,仍有对应边成比例的关系。如在图所示的装置中,各力之间满足下列关系:
(4)菱形的性质当有两个力大小相等时,求这两个力的合力或将第三个力分解,就会得到一个菱形。而菱形的对角线相互垂直平分,而且平分一组对角。如在处理涉及滑轮或光滑挂钩的平衡问题时,将滑轮或光滑挂钩两侧绳上的拉力合成,运算过程就相对简便。
(5)余弦定理有时还需用到余弦定理,如在图中,有
2.矢量三角形法物体在三个力作用下处于平衡状态时,这三个力必可构成一封闭三角形。通过受力分析,画出物体受力示意图,将力平移后组成三角形。然后直接利用上面所述的数学知识解三角形。
3.正交分解法当物体受到多个共点力的作用处于平衡状态时,可以利用正交分解法建立坐标系,则有=0。通常根据平衡条件,应用正交分解法解题,在解决多个力平衡的问题时尤为方便。但是使用时应注意根据具体情况选择合适的坐标系,一般应遵循的原则为:不在坐标轴上的力越少越好,各力与坐标轴之间的夹角是特殊角为好。
4.整体法和隔离法以上几种方法的着眼点是物体受力情况,而整体法和隔离法是针对研究对象而言的,是解决连接体问题时需考虑的方法。
(1)整体法:它是把两个或两个以上的物体组成的系统作为一个整体来研究的一种分析方法,当只研究系统而不涉及系统内部的相互作用时一般可采用整体法。
(2)隔离法:它是将研究对象从周围物体(连接体)中隔离出来进行分析的方法。一般在研究系统内物体间相互作用时采用隔离法。
动态平衡问题的解决方法:
动态问题包括动态平衡问题的分析和动态非平衡问题的分析。
所谓动态平衡问题是指通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态中。
解动态平衡问题通常有两种方法:
1.图解法
对研究对象在状态变化过程中的若干状态进行受力分析,依据某一参量的变化,在同一图中作出物体在若干状态下力的平衡图(力的三角形或平行四边形),再由动态力的平行四边形各边长度变化及角度变化确定力的大小及方向的变化情况。
图解法通常使用在三力作用下或可等效为三力作用下的动态平衡问题。
(1)三个力的方向都不变。如图所示,此种情况下任一力增大时,其余两力也增大,反之亦然。
(2)三个力中有一个力恒定,有一个力方向恒定。如图所示,此情况下可作出力的矢量三角形(或平行四边形),确定三角形中不变的边与方位不变的边,由线段长度及另一边的方位变化来确定力的大小、方向变化情况。
2.解析法
对物体进行受力分析后,利用平衡条件列出方程,解出所判断量的表达式,利用有关数学知识讨论表达式得出答案。从物体受力数量来说,解析法与图解法不同。解析法不仅可以用来解决三个力作用下的动态平衡问题,并且对多个力作用下的动态平衡问题用解析法更方便。从解析法需引入的变量来看,可以是某一角度(这通常需要在力的三角形巾有一个角是不变的),也可以是某一线段的长度(这种情况下通常题目中出现的几何三角形与力的三角形相似),这是在三力作用下物体处于动态平衡。若是多个力作用下的动态平衡,通常以某一角度为变量,利用正交分解来获得平衡方程,进而得到要分析的物理量的表达式。
3.动态平衡中的滑轮模型对于轻质光滑动滑轮及与之作用相当的光滑挂钩、光滑环等,具有如下特征:
(1)两侧绳中张力相同;
(2)两侧绳与竖直方向夹角相等;
(3)绳与竖直方向的夹角θ取决于绳的总长度l及两悬点问水平距离
平衡物体的临界与极值问题的解决方法:
1.临界与极值问题
(1)临界问题某种物理现象变化为另一种物理现象或物体从某种特性变化为另一种特性时,发生质的飞跃的转折状态为临界状态,临界状态也可理解为“恰好出现”或“恰好不出现”某种现象的状态。平衡物体的临界状态是指物体所处平衡状态将要变化的状态,是物体所处的平衡状态将要被破坏而尚未被破坏的状态。涉及临界状态的问题叫临界问题。解决这类问题一定要注意 “恰好出现”或“恰好不出现”的条件。
(2)极值问题极值是指研究平衡问题中某物理量变化时出现的最大值或最小值。中学物理的极值问题可分为简单极值问题和条件极值问题,区分的依据就是是否受附加条件限制,如受附加条件限制,则为条件极值。
2.解决方法
(1)临界问题的解决方法解决临界问题的基本思维方法是假设推理法,即先假定物体处于某一状态,然后根据平衡条件及相关知识列方程求解,再根据求得的结果反过来推断物体在给定条件下应处的状态。
(2)极值问题的解决方法对于简单极值问题,可先对物体进行受力分析,然后由平衡条件列出方程,再明确题目中的物理量在什么条件下取极值,或在出现极值时有何物理特征,根据这些条件或特征去寻找极值。对于条件极值问题,有如下两种解决方法:
①解析法:根据物体的平衡条件列方程,在解方程时采用数学知识求极值。通常用到的数学知识有二次函数求极值,均值定理求极值,讨论分式求极值,三角函数求极值以及几何法求极值等。
②图解法:根据物体的平衡条件作出力的矢量图,如只受三个力时,则这三个力必构成封闭矢量三角形,然后根据矢量图进行动态分析,确定最大值和最小值,此法简便、直观。