从整体的视角“秒杀”系统问题

来源 :中学生数理化·学习研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alongalong2008
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  利用牛頓第二定律解决多个物体组成的系统时,当各个物体加速度的大小和方向不同,用常规的整体、隔离法去分析,很难避开烦琐的受力分析。而当我们从整体的视角去利用牛顿第二定律处理系统问题时可以使得问题简化,达到“秒杀”题目的效果。
  一、方法介绍
  若系统内有n个物体,这n个物体的质量分别m1、m2、m3…,加速度分别a1、a2、a3…,这个系统受到合外力为F合,则这个系统应用牛顿第二定律的表示式为F合=m1a1+m2a2+…+mnan,
  其正交表示式为Fx合=m1a1x+m2a2x+…+mnanx,
  Fy合=m1a1y+m2a2y+…+mnany。
  图1
  例1如图1所示,静止于粗糙的水平面上的斜劈A的斜面上,一物体B沿斜面向上做匀减速运动,那么斜劈受到的水平面给的静摩擦力的方向怎样?
  解析:把A和B看成一个系统,在竖直方向上受到向下的重力和竖直向上的支持力,在水平方向上受到的摩擦力Ff的方向未定。劈A的加速度a1=0,物体B的加速度a2沿斜面向下,将a2分解成水平分量a2x和竖直分量a2y,如图2所示,
  图2
  对由A、B组成的整体在水平方向上运用牛顿第二定律得Fx合=Ma1x+ma2x。所以Fx合=ma2x,Fx合与a2x同方向。而整体在水平方向的合外力只有受到的摩擦力Ff,故Ff的方向水平向左。
  二、实战演练
  图3
  例2一只小猫跳起来抓住悬挂在天花板上的竖直杆,如图3所示,在这一瞬间悬绳断了,设杆足够长,由于小猫继续上爬,所以小猫离地面高度不变,则木杆下降的加速度为多大?(设小猫质量为m,杆的质量为M)
  方法一:先对猫进行分析,由于猫相对地面高度不变,即猫处于平衡状态,而猫受重力G1=mg和杆对猫向上的摩擦力F的作用,故G1与F二力衡,即F=G1=mg①。再对杆进行受力分析,则杆受重力G2=Mg作用,由于杆对猫有向上的摩擦力F,由牛顿第三定律可知,猫对杆有向下的摩擦力F′,且F′=F②。由牛顿第二定律得杆的加速度a=F′+G2M③。由①②③式解得a=M+mMg,即杆下降的加速度为M+mMg,方向向下。
  方法二:对猫和杆组成的系统利用牛顿第二定律,猫相对地面高度不变,加速度为零。猫和杆竖直方向受力(M+m)g=Ma,解得a=M+mMg。
  显然用整体的视角去利用牛顿第二定律比较简单。
  做一做:某大型游乐场内的新型滑梯可以等效为如图4所示的物理模型,一个小朋友与斜面在AB段的动摩擦
  图4
  因数μ1tan θ,他从A点开始下滑,滑到C点恰好静止,整个过程中滑梯保持静止状态。该小朋友从斜面顶端A点滑到底端C点的过程中()。
  A.地面对滑梯的摩擦力方向先水平向左,后水平向右
  B.地面对滑梯始终无摩擦力作用
  C.地面对滑梯的支持力的大小始终等于小朋友和滑梯的总重力的大小
  D.地面对滑梯的支持力的大小先小于、后大于小朋友和滑梯的总重力的大小
  答案:AD。
  作者单位:河北省石家庄外国语学校(43中)高一3班
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