例谈牛顿运动定律在高中物理中解决问题之方法

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  摘 要:牛顿运动定律的综合应用是高考考查的重要考点之一,合理、巧妙的运用牛顿运动定律对解决物理问题可以起到事半功倍的效果。
  关键词:牛顿运动定律;解决问题;方法
  1、瞬时加速度问题
  例:如图中小球质量为m,处于静止状态,弹簧与竖直方向的夹角为θ,问:
  (1)绳OB和弹簧的拉力各是多少?
  (2)若烧断绳OB瞬间,物体受几个力作用?这些力的大小是多少?
  (3)烧断绳OB瞬间,求小球m的加速度的大小和方向。
  (4)如果将OA间的弹簧也换成绳,在烧断绳OB的瞬间,求小球m的加速度的大小和方向。
  解:(1)对小球受力分析,受重力G、细线的拉力F?和弹簧的拉力F,
  根据共点力平衡条件,有:
  F?=mgtanθ
  F=mgcosθF=mgcosθ;
  (2)若烧断绳OB瞬间,绳子拉力可以突变,T瞬间变为0,但弹簧弹力不能突变,所以弹簧弹力大小和方向不变,故物体受2个力重力G和弹簧弹力F作用,则:
  G=mgF=mgcosθF=mgcosθ
  (3)烧断BO绳的瞬间,细线的拉力瞬间突变减为零,而弹簧弹力F、重力G不变,故合力与拉力F?等值、反向、共线,为:F合=F?=mgtanθ,方向水平向右。
  (4)如果將OA间的弹簧也换成绳,在烧断绳OB的瞬间,OA、OB的拉力都瞬间突变为0,此时小球只受到重力作用加速度a=g,方向竖直向下。
  方法总结:解决这类问题方法是(1)分析原状态下物体的受力情况,求出各力的大小。(2)分析状态变化时(烧断细绳、剪断弹簧、抽出木板等),哪些力变化,哪些力不变,哪些力消失等。(3)求物体在变化后所受的合外力,利用牛顿第二定律,求出瞬时加速度。
  2、连接体问题
  例:如图在光滑地面上,水平外力F拉动小车和木块一起作无相对滑动的加速运动.小车质量是M,木块质量是m,力大小是F,加速度大小是a,木块和小车之间动摩擦因数是μ,则在这个过程中,木块受到的摩擦力大小是( )
  A.μmg B. c.μ(m+M) D.ma
  解析:小车和木块在力F的作用下一起做无相对滑动的加速运动,取小车和木块整体作为研究对象,由牛顿第二定律:F=(M+m)a又Ff=ma则Ff=故BD正确。
  方法总结:解决这类问题方法是整体法和隔离法。(1)整体法的原则:若连接体内各物体具有相同的加速度,且不需求物体之间的作用力,可以把它们看成一个整体来分析整体收到的外力,应用牛顿第二定律求其加速度等。(2)隔离法的原则:若连接体内各物体的加速度不相同时,就需要把物体从系统中隔离出来,应用牛顿第二定律列方程求解。
  3、临界和极值问题
  例:如图所示,在倾角为θ的光滑斜面上端系有一劲度系数为k的轻质弹簧,弹簧下端连一个质量为m的小球,球被一垂直于斜面的挡板A挡住,此时弹簧没有形变.若挡板A以加速度a(a  (1)从挡板开始运动到小球与挡板分离所经历的时间;
  (2)从挡板开始运动到小球的速度达到最大,小球经过的最小路程。
  解析:(1)当小球与挡板分离时,挡板对小球的作用力恰好为零,对小球由牛顿第二定律:mgsinθ-kx=ma得由x=at2可得:
  (2)小球的速度达到最大时,其加速度为零,则kx?=mgsin可得
  方法总结:解决这类问题的关键是对物体运动情况的正确描述,对临界状态的判断和分析,找出处于临界状态时存在的独特的物理关系。(1)相互接触的两个物体将要分离的临界条件是相互作用的弹力为零。(2)绳子松弛的临界条件是绳子的拉力为零。(3)存在静摩擦的系统,相对滑动与相对静止的临界条件是静摩擦力达到最大值。
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