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第三章第三讲 牛顿运动定律的综合应用 高考成功方案第1步 高考成功方案第2步 每课一得 高考成功方案第3步 每课一测
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回扣一 超重和失重 1.游乐园中,乘客乘坐能加速或减速运动的升降机,可 以体会超重或失重的感觉,下列描述错误的是( ) A.当升降机加速上升时,游客是处在超重状态 B.当升降机减速下降时,游客是处在超重状态 C.当升降机减速上升时,游客是处在失重状态 D.当升降机加速下降时,游客是处在超重状态
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解析:加速上升、减速下降时,升降机具有向上的加速度,处于超重状态;减速上升、加速下降时,升降机具有向下的加速度,处于失重状态。
答案:D
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2.重2 kg的物体用弹簧测力计挂在可竖直升降的电梯里,
读数为26 N,由此可知,该物体处于________状态,电梯做______________________运动,其加速度大小等于________m/s2。(g取10 m/s2)
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解析:重力mg=20 N,知mg<F, 故物体处于超重状态,电梯做加速上升或减速下降运动。 由牛顿第二定律得F-mg=ma,解得a=3 m/s2。 答案:超重 加速上升或减速下降 3
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回扣二 整体法和隔离法 3.当连接体内(即系统内)各物体具有相同的________时, 可以把连接体内所有物体组成的系统作为________考虑,分析其受力和运动情况,运用牛顿第二定律对________列方程求解的方法,叫整体法。 答案:加速度 整体 整体
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4.当研究对象涉及由多个物体组成的系统时,若要求出
连接体内物体间的________力,则应把某个物体或某几个物体从系统中________出来,分析其受力情况及运动情况,再利用牛顿第二定律对隔离出来的物体列式求解的方法,叫隔离法。 答案:相互作用 隔离
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[知识必会] 1.超重、失重和完全失重的比较 超重 失重 完全失重 定义 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)等于零的状态
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超重 失重 完全失重 产生 条件 物体有向上的加速度 物体有向下的加速度 a=g,方向向下 视重 F=m(g+a) F=m(g-a) F=0
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2.对超重、失重的理解 (1)尽管物体的加速度不是竖直方向,但只要其加速度在竖 直方向上有分量即ay≠0,物体就会出现超重或失重状态。当ay方向竖直向上时,物体处于超重状态;当ay方向竖直向下时,物体处于失重状态。
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(2)尽管整体没有竖直方向的加速度,但只要物体的一部分具
有竖直方向的分加速度,整体也会出现超重或失重状态。 (3)超重并不是说重力增加了,失重并不是说重力减小了,完 全失重也不是说重力完全消失了。在发生这些现象时,物 体的重力依然存在,且不发生变化,只是物体对支持物的 压力(或对悬挂物的拉力)发生变化。
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(4)在完全失重的状态下,平常一切由重力产生的物理现象
都会完全消失,如天平失效、浸在水中的物体不再受浮 力、液体柱不再产生向下的压强等。 [名师点睛] (1)发生超、失重现象时,物体的重力不变,只是物体的视 重发生了变化。 (2)物体的超、失重多少由物体的质量和竖直方向的加速度 共同决定,其大小为ma。
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[典例必研] [例1] 升降机内,一个小球系于弹簧下端,如 图3-3-1所示,当静止时,弹簧伸长4 cm,升 降机运动中,弹簧伸长2 cm,则升降机运动情 况可能是 ( ) A.以1 m/s2的加速度加速下降 B.以1 m/s2的加速度加速上升 图3-3-1 C.以4.9 m/s2的加速度加速下降 D.以4.9 m/s2的加速度加速上升
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[思路点拨] 由弹簧的伸长量变化判断出合外力的方向,然后再由牛顿第二定律求解加速度的大小,最后由加速度的大小和方向判断电梯的运动情况。
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[解析] 当静止时,弹簧伸长4 cm,这时弹簧的弹力等于小球的重力,当升降机运动时,弹簧伸长2 cm,则这时弹簧的弹力只有小球重力的一半,小球处于失重状态,加速度向下,小球受到的合力为重力的一半,产生的加速度为4.9 m/s2,因此升降机可能以4.9 m/s2的加速度向下做加速运动,也可能以4.9 m/s2的加速度向上做减速运动,C项正确。 [答案] C
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[冲关必试] 1.在探究超重和失重规律时,某体重为G的同学站在一压 力传感器上完成一次下蹲动作。传感器和计算机相连,经计算机处理后得到压力F随时间t变化的图像,则下列图像3-3-2中可能正确的是 ( ) 图3-3-2
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解析:下蹲的过程是“0→vm→0”的过程,人先向下加速再向下减速,即先失重再超重,选项D正确。
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2.在升降电梯内的地板上放一体重计,电梯静止时,晓敏
同学站在体重计上,体重计示数为50 kg,电梯运动过程中,某一段时间内晓敏同学发现体重计示数如图3-3-3所示,在这段时间内下列说法中正确的是( ) 图3-3-3
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A.晓敏同学所受的重力变小了 B.晓敏对体重计的压力小于体重计对晓敏的支持力 C.电梯一定在竖直向下运动 D.电梯的加速度大小为g/5,方向一定竖直向下
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答案:D
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[知识必会] 1.隔离法的选取原则 若连接体或关联体内各物体的加速度不相同,或者要求出系统内两物体之间的作用力时,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。
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2.整体法的选取原则 若连接体内各物体具有相同的加速度,且不需要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受到的外力,应用牛顿第二定律求出加速度(或其他未知量)。 3.整体法、隔离法交替运用原则 若连接体内各物体具有相同的加速度,且要求物体之间的作用力时,可以先用整体法求出加速度,然后再用隔离法选取合适的研究对象,应用牛顿第二定律求作用力。即“先整体求加速度,后隔离求内力”。
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4.涉及隔离法与整体法的具体问题 (1)涉及滑轮的问题,若要求绳的拉力,一般都必须采用隔 离法。若绳跨过定滑轮,连接的两物体虽然加速度方向 不同,但大小相同。 (2)固定斜面上的连接体问题。这类问题一般多是连接体( 系统)各物体保持相对静止,即具有相同的加速度。解 题时,一般采用先整体、后隔离的方法。建立坐标系时 也要考虑矢量正交分解越少越好的原则,或者正交分解 力,或者正交分解加速度。
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(3)斜面体(或称为劈形物体、楔形物体)与在斜面体上物体组
成的连接体(系统)的问题。当物体具有加速度,而斜面体静止的情况,解题时一般采用隔离法分析。
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[典例必研] [例2] 如图3-3-4所示,质量为80 kg的物体放在安装在小车上的水平 磅秤上,小车在平行于斜面的拉力 F作用下沿斜面无摩擦地向上运动, 图3-3-4 现观察到物体在磅秤上读数为1000 N。已知斜面倾角θ=30°,小车与磅秤的总质量为20 kg。(g=10 m/s2) (1)拉力F为多少? (2)物体对磅秤的静摩擦力为多少?
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[思路点拨] 求解拉力F时要用整体、隔离相结合的方法,求解物体与磅秤之间的静摩擦力用隔离法。
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[解析] (1)选物体为研究对象,受力分析 如甲所示。 将加速度a沿水平和竖直方向分解,则有: 甲 FN1-mg=masinθ 解得a=5 m/s2
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[冲关必试] 3.有一根绳子下端系着两个质量不同的小球,上面小球比 下面小球质量大。当手提着绳端沿水平方向一起做匀加速直线运动时(空气阻力不计),图中3-3-5所描绘的四种情况中正确的是 ( ) 图3-3-5
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解析:手提着绳端沿水平方向一起做匀 加速直线运动,则整体的加速度应该由 上端绳子的张力与整体所受重力的合力 提供,据此立即可排除D;对下面小球 m,利用牛顿第二定律,则在水平方向有Tcosα=ma①,而在竖直方向则有Tsinα=mg②;对上面小球M,同理有Fcosβ-Tcosα=Ma③,Fsinβ=Tsinα+Mg④,由①③容易得到Fcosβ=(M+m)a,而由②④则得Fsinβ=(M+m)g,故有tanβ=g/a,而由①②得到tanα=g/a,因此α=β,选项C正确。 答案: C
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4.物体M、m紧靠着置于动摩擦因数为 μ、倾角为θ的斜面上,如图3-3-6 所示。现施加一个水平力F作用于M ,使M、m共同向上做加速运动,求 图3-3-6 它们间作用力的大小。
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解析:将两者视为一个整体,受力分析如图甲,建立坐标系如图所示,由牛顿第二定律得:
N1-(M+m)gcosθ-Fsinθ=0 Fcosθ-f1-(M+m)gsinθ=(M+m)a 又:f1=μN1 隔离m受力分析如图乙,可有:
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[知识必会] 1.临界问题 在一种运动形式(或某种物理过程和物理状态)变化的过程中,存在着分界的现象。这是从量变到质变的规律在物理学中的生动表现,这种界限通常以临界值和临界状态的形式出现在不同的物理情景中。利用临界值和临界状态作为求解问题的思维起点,是一个重要的解题方法。
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2.临界问题的处理方法 (1)极限法:在题目中如出现“最大”“最小”“刚好”等词语 时,一般隐含着临界问题,处理这类问题时,应把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,达到尽快求解的目的。
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(2)假设法:有些物理过程中没有明显出现临界问题的线
索,但在变化过程中可能出现临界问题,也可能不出现临界问题,解答这类题,一般用假设法。 (3)数学法:将物理过程转化为数学公式,根据数学表达 式求解得出临界条件。
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[名师点睛] (1)临界点的两侧,物体的受力情况、变化规律、运动状态 一般要发生变化。 (2)临界问题通常具有一定的隐蔽性,解题的灵活性较大, 审题时应尽量还原物理情景,抓住临界状态的特征,找 到正确的解题方向。
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[典例必研] [例3] (2012·青岛模拟)一弹簧一端固 定在倾角为37°的光滑斜面的底端, 另一端拴住质量为m1=4 kg的物块P, Q为一重物,已知Q的质量为m2=8 kg, 图3-3-7 弹簧的质量不计,劲度系数k=600 N/m,系统处于静止,如图3-3-7所示。现给Q施加一个方向沿斜面向上的力F,使它从静止开始沿斜面向上做匀加速运动,已知在前0.2 s时间内,F为变力,0.2 s以后,F为恒力,求:力F的最大值与最小值。(sin37°=0.6,g=10 m/s2)
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[思路点拨] 0.2 s内弹力是变化的,又合外力恒定,故F是变力,0.2 s后F为恒力,说明0.2 s时两者分离。
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[解析] 从受力角度看,两物体分离的条件是两物体间的正压力为0,从运动学角度看,一起运动的两物体恰好分离时,两物体在沿斜面方向上的加速度和速度仍相等。
设刚开始时弹簧压缩量为x0 则(m1+m2)gsinθ=kx ① 因为在前0.2 s时间内,F为变力,0.2 s以后,F为恒力,所以在0.2 s时,P对Q的作用力为0,由牛顿第二定律知kx1-m1gsinθ=m1a ② F-m2gsinθ=m2a ③
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[答案] 最大值72 N,最小值36 N
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[冲关必试] 5.如图3-3-8所示,有A、B两个楔 形木块,质量均为m,靠在一起放于 水平面上,它们的接触面的倾角为θ。 图3-3-8 现对木块A施一水平推力F,若不计一切摩擦,要使A、B一起运动而不发生相对滑动,求水平推力F不得超过的最大值。
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解析:A、B一起运动,则以A、B整体为研究对象,由牛顿第二定律得:F=2ma
滑动的临界条件是地面对A的支持力为N=0 竖直方向:FBAcosθ=mg 水平方向:F-FBAsinθ=ma 联立上式可得F=2mgtanθ,即水平推力F的最大值为2mgtanθ。 答案:2mgtanθ
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(1)绳BC刚好被拉直时,车的加速度是多大?
(2)为不拉断轻绳,车向左运动的最大加速度是多大?
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(2)小车向左加速度增大,AC、BC绳方向不变,所以AC绳拉力不变,BC绳拉力变大,BC绳拉力最大时,小车向左加速度最大,
由牛顿第二定律, 得FTB+mgtanθ=mam 因为FTB=2mg, 所以最大加速度为am=3g。 答案:(1)g (2)3g
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[每课一得] 1.模型特点 涉及两个物体,并且物体间存在相对滑动。 2.常见的两种位移关系 滑块由滑板的一端运动到另一端的过程中,若滑块和滑板同向运动,位移之差等于板长;反向运动时,位移之和等于板长。
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3.解题思路 (1)分析滑块和滑板的受力情况,根据牛顿第二定律分别 求出滑块和滑板的加速度。 (2)对滑块和滑板进行运动情况分析,找出滑块和滑板之 间的位移关系或速度关系,建立方程。特别注意滑块 和滑板的位移都是相对地的位移。
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[示例] 如图3-3-10所示,光滑水 平面上静止放着长L=4 m,质量为 M=3 kg的木板(厚度不计),一个质 图3-3-10 量为m=1 kg的小物体放在木板的最右端,m和M之间的动摩擦因数μ=0.1,今对木板施加一水平向右的拉力F,(g取10 m/s2) (1)为使两者保持相对静止,F不能超过多少? (2)如果F=10 N,求小物体离开木板时的速度?
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[模型构建] 本题属于动力学中的滑块—滑板类模型,侧重于牛顿第二定律和运动学公式的应用,注意分析两者分别的受力情况、运动情况和两者的位移关系等动力学特征。
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[解析] (1)要保持两者相对静止,两者之间的摩擦力不能超过最大静摩擦力,故最大加速度a=μg=1 m/s2
由牛顿第二定律对整体有Fm=(m+M)a=4 N (2)当F=10 N>4 N时,两者发生相对滑动 对小物体:a1=μg=1 m/s2 对木板:F合=F-μmg=Ma2
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[答案] (1)4 N (2)2 m/s
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