借牛顿定律之“矛”,破力与运动之“盾”

来源 :中学生数理化·学习研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rudy_luo
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  作为经典物理学的核心内容,牛顿运动定律是考察的重点,而力与运动相结合容易让学生感到困惑,通过牛顿定律清楚的认识两者之间的关系可以突破这一难点。熟练掌握牛顿定律是解此类问题的关键所在。此类试题中既有对于基本物理概念的单一考察还有对力与运动整体的综合检验,学生要全面掌握相关知识。本文分三点分别举例介绍牛顿定律动力学中的应用,顺应高考的出题方向,启发学生思考,提高解题能力。
  一、图像
  图像问题一直是高考的重点考察题型,力与运动结合的这类题中既有物理学的求解过程又有数学中的基本图形形状,实现了跨学科综合这一高考理念,是对学生综合能力的有效检验。
  例1如图1所示,物体沿斜面由静止滑下,在水平面上滑行一段距离后停止,物体与斜面和水平面间的动摩擦因数相同,斜面与水平面平滑连接,则正确的图像有(f表示摩擦力大小,s表示路程的大小,v表示速率,a表示加速度大小)()。
  解析:根据物体的受力情况,可以判断出物体先是在斜面上做匀加速直线运动,到达水平面上之后,做匀减速运动,在整个运动的过程中,物体受到的都是滑动摩擦力,所以摩擦力的大小是不变,所以物体在每一个运动的过程中加速度的大小是不变的,并且由于在斜面上时的压力比在水平面上时的压力小,所以滑动摩擦力也比在水平面上的小。故A中物体运动的速度时间的图像应该是倾斜的直线;B中图像应该是两段水平的直线;物体的位移为x=12at2,所以D中图像应为抛物线。综上可知,C正确。
  点拨:本题较为全面的考察了运动学中的各种图像问题,这类题常不给数值不需要列式计算,这就需要学生有严谨的逻辑思维能力,在解题时正确分析整个物体的运动过程再结合数学知识得出结论。
  二、加速度
  此类相关问题一般都要用到牛顿第二定律以及受力分析,借此将力与运动相结合,得出一个关于力与加速度的关系式判断物体的运动状态。
  例2如图2所示,竖直光滑杆上套有一个小球和两根弹簧,两弹簧的一端各与小球相连,另一端分别用销钉M、N固定于杆上,小球处于静止状态。设拔去销钉M瞬间,小球加速度的大小为12m/s2。若不拔去销钉M而拔去销钉N瞬间,小球的加速度可能是(取g=10m/s2)。
  解析:拔出M的瞬间,小球的加速度方向可能向上,也可能向下,因此本例有两解。设小球的质量为m,向上为正方向,刚开始受力平衡,则有:FN+FM-G=0。拔去销钉M瞬间有:FN-G=±12m所以FN=-2m或22m则FM=12m或-12m。去销钉N瞬间,小球受M弹簧和重力G的作用,加速度为:a=FM-Gm=2m/s2或-22m/s2。
  点拨:如果直接理论分析小球受力时,需要判断两个弹簧分别提供拉力的方向及大小,这给解题带来很大困难,本题中巧妙的运用符号代表了加速度、力等物理量的方向,通过列式求解,简单易行的得出两种结果。
  三、位移
  位移问题其中必然包含速度与加速度等的相关知识,是对牛顿定律以及运动学知识的综合考察,此类题中常出现变化的力,存在多种运动状态,这就需要同學逐一分析,求出每段对应的物理量,最终求出整个运动过程所走的位移。
  例3一个质量为2kg的物体静止在足够大的水平地面上,物体与地面间的动摩擦因数μ=0.2,从t=0开始,物体受到一个大小和方向呈周期性变化的水平力F的作用,力F随时间的变化规律如图所示。
  重力加速度g=10m/s2求0~6s时间内物块运动的位移的大小和方向。
  解析:本题中拉力方向的不同造成了多种情况,需要逐一分析。选取向右为正方向,0~2s,物体向右做匀加速直线运动;2~4s由于受力反向,经计算物块先向右匀减速运动至速度为零再向左匀加速运动,此时间段内出现一个运动方向分界点;4~6s力方向又向右,物块先向左匀减速运动到静止再向右匀加速运动,此时与2~4s时呈现镜像对称的运动,也有一个运动方向的分界点。故共有5段位移,设每段位移分别为x1~x5。以0~2s为例,由牛顿第二定律求出a1=F-μmgm=8-0.2×2×102=2m/s2,x1=12a1t21=4m;综上所述,可求得位移分别为x2=1.6mx3=-0.72mx4=-0.12mx5=3.24m,故总位移为x=x1+x2+x3+x4+x5=8m。
  点拨:本题通过加速度这一物理量将力与运动紧密相连,每个不同的运动过程都要重新计算加速度,对于运动学公式的考察很全面,此题对于位移的求解还有不同的方法,在考察学生能力的同时可以激发学生的探索兴趣,有利于学习品质的培养。
  文中指出了力与运动的联系核心,即加速度。通过牛顿第二定律中力与加速度的关系以及运动学中的相关公式得出正确的解题思路,让力与运动很清晰的展现在学生面前,刺穿了学生学习过程中对此处知识不理解的困惑之盾。
  作者单位:江苏省如皋市第二中学
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