牛頓第二定律 | 牛頓定律怎麼考?看看這五大基本考察題型!

2021-02-18 高中物理

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牛頓第二定律的考察方式主要分為這樣的5個,今天為大家仔細地將五大考點分類匯總,並為大家找到相應的經典習題。請大家好好地做哦!

【例1】如圖所示,如圖所示,輕彈簧下端固定在水平面上。一個小球從彈簧正上方某一高度處由靜止開始自由下落,接觸彈簧後把彈簧壓縮到一定程度後停止下落。在小球下落的這一全過程中,下列說法中正確的是

A.小球剛接觸彈簧瞬間速度最大

B.從小球接觸彈簧起加速度變為豎直向上

C.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的速度先增大後減小

D.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的加速度先減小後增大

解析:小球的加速度大小決定於小球受到的合外力。從接觸彈簧到到達最低點,彈力從零開始逐漸增大,所以合力先減小後增大,因此加速度先減小後增大。當合力與速度同向時小球速度增大,所以當小球所受彈力和重力大小相等時速度最大。選CD。

【例2】如圖所示.彈簧左端固定,右端自由伸長到O點並系住物體m.現將彈簧壓縮到A點,然後釋放,物體一直可以運動到B點.如果物體受到的阻力恆定,則

A.物體從A到O先加速後減速

B.物體從A到O加速運動,從O到B減速運動

C.物體運動到O點時所受合力為零

D.物體從A到O的過程加速度逐漸減小

解析:物體從A到O的運動過程,彈力方向向右.初始階段彈力大於阻力,合力方向向右.隨著物體向右運動,彈力逐漸減小,合力逐漸減小,由牛頓第二定律可知,此階段物體的加速度向右且逐漸減小,由於加速度與速度同向,物體的速度逐漸增大.所以初始階段物體向右做加速度逐漸減小的加速運動.

當物體向右運動至AO間某點(設為O′)時,彈力減小到等於阻力,物體所受合力為零,加速度為零,速度達到最大.

此後,隨著物體繼續向右移動,彈力繼續減小,阻力大於彈力,合力方向變為向左.至O點時彈力減為零,此後彈力向左且逐漸增大.所以物體從O′點後的合力方向均向左且合力逐漸增大,由牛頓第二定律可知,此階段物體的加速度向左且逐漸增大.由於加速度與速度反向,物體做加速度逐漸增大的減速運動.

正確選項為A、C.

點評:

(1)解答此題容易犯的錯誤就是認為彈簧無形變時物體的速度最大,加速度為零.這顯然是沒對物理過程認真分析,靠定勢思維得出的結論.要學會分析動態變化過程,分析時要先在腦子裡建立起一幅較為清晰的動態圖景,再運用概念和規律進行推理和判斷.

(2)通過此題,可加深對牛頓第二定律中合外力與加速度間的瞬時關係的理解,加深對速度和加速度間關係的理解.譬如,本題中物體在初始階段,儘管加速度在逐漸減小,但由於它與速度同向,所以速度仍繼續增大.

【例3】(2001年上海高考題)如圖(1)所示,一質量為m的物體系於長度分別為L1、L2的兩根細線上,L1的一端懸掛在天花板上,與豎直方向夾角為θ,L2水平拉直,物體處於平衡狀態。現將L2線剪斷,求剪斷瞬時物體的加速度。

(1)下面是某同學對該題的某種解法:

解:設L1線上拉力為T1,L2線上拉力為T2,重力為mg,物體在三力作用下處於平衡。mg,,解得=mgtanθ,剪斷線的瞬間,T2突然消失,物體卻在T2反方向獲得加速度,因為mgtanθ=ma所以加速度a=gtanθ,方向在T2反方向。你認為這個結果正確嗎?說明理由。

(2)若將圖(1)中的細線L1改為長度相同,質量不計的輕彈簧,如圖(2)所示,其它條件不變,求解的步驟和結果與(1)完全相同,即a=gtanθ,你認為這個結果正確嗎?請說明理由。

解析:(1)這個結果是錯誤的。當L2被剪斷的瞬間,因T2突然消失,而引起L1上的張力發生突變,使物體的受力情況改變,瞬時加速度沿垂直L1斜向下方,為a=gsinθ。

(2)這個結果是正確的。當L2被剪斷時,T2突然消失,而彈簧還來不及形變(變化要有一個過程,不能突變),因而彈簧的彈力T1不變,它與重力的合力與T2是一對平衡力,等值反向,所以L2剪斷時的瞬時加速度為a=gtanθ,方向在T2的反方向上。

點評:牛頓第二定律F合=ma反映了物體的加速度a跟它所受合外力的瞬時對應關係.物體受到外力作用,同時產生了相應的加速度,外力恆定不變,物體的加速度也恆定不變;外力隨著時間改變時,加速度也隨著時間改變;某一時刻,外力停止作用,其加速度也同時消失.

【例4】如圖所示,質量為4kg的物體靜止於水平面上,物體與水平面間的動摩擦因數為0.5,物體受到大小為20N,與水平方向成30°角斜向上的拉力F作用時沿水平面做勻加速運動,求物體的加速度是多大?(g取10m/s2)

                  

解析:以物體為研究對象,其受力情況如圖所示,建立平面直角坐標系把F沿兩坐標軸方向分解,則兩坐標軸上的合力分別為

物體沿水平方向加速運動,設加速度為a,則x軸方向上的加速度ax=a,y軸方向上物體沒有運動,故ay=0,由牛頓第二定律得

所以

又有滑動摩擦力

以上三式代入數據可解得物體的加速度a=0.58m/s2

點評:當物體的受力情況較複雜時,根據物體所受力的具體情況和運動情況建立合適的直角坐標系,利用正交分解法來解.

【例5】如圖所示,沿水平方向做勻變速直線運動的車廂中,懸掛小球的懸線偏離豎直方向37°角,球和車廂相對靜止,球的質量為1kg.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)

(1)求車廂運動的加速度並說明車廂的運動情況.

(2)求懸線對球的拉力.

                 

解析:

(1)球和車廂相對靜止,它們的運動情況相同,由於對球的受力情況知道的較多,故應以球為研究對象.球受兩個力作用:重力mg和線的拉力FT,由球隨車一起沿水平方向做勻變速直線運動,故其加速度沿水平方向,合外力沿水平方向.做出平行四邊形如圖所示.球所受的合外力為

F合=mgtan37°

由牛頓第二定律F合=ma可求得球的加速度為

7.5m/s2

加速度方向水平向右.

車廂可能水平向右做勻加速直線運動,也可能水平向左做勻減速直線運動.

(2)由圖可得,線對球的拉力大小為

N=12.5N

點評:本題解題的關鍵是根據小球的加速度方向,判斷出物體所受合外力的方向,然後畫出平行四邊形,解其中的三角形就可求得結果.

【例6】如圖所示,m =4kg的小球掛在小車後壁上,細線與豎直方向成37°角。求:

(1)小車以a=g向右加速;

(2)小車以a=g向右減速時,細線對小球的拉力F1和後壁對小球的壓力F2各多大?

    

解析:

(1)向右加速時小球對後壁必然有壓力,球在三個共點力作用下向右加速。合外力向右,F2向右,因此G和F1的合力一定水平向左,所以F1的大小可以用平行四邊形定則求出:F1=50N,可見向右加速時F1的大小與a無關;F2可在水平方向上用牛頓第二定律列方程:F2-0.75G=ma計算得F2=70N。可以看出F2將隨a的增大而增大。(這種情況下用平行四邊形定則比用正交分解法簡單。)

(2)必須注意到:向右減速時,F2有可能減為零,這時小球將離開後壁而「飛」起來。這時細線跟豎直方向的夾角會改變,因此F1的方向會改變。所以必須先求出這個臨界值。當時G和F1的合力剛好等於ma,所以a的臨界值為。當a=g時小球必將離開後壁。不難看出,這時F1=mg=56N,F2=0

【例7】如圖所示,在箱內傾角為α的固定光滑斜面上用平行於斜面的細線固定一質量為m的木塊。求:(1)箱以加速度a勻加速上升,(2)箱以加速度a向左勻加速運動時,線對木塊的拉力F1和斜面對箱的壓力F2各多大?

解:(1)a向上時,由於箱受的合外力豎直向上,重力豎直向下,所以F1、F2的合力F必然豎直向上。可先求F,再由F1=Fsinα和F2=Fcosα求解,得到:F1=m(g+a)sinα,F2=m(g+a)cosα

顯然這種方法比正交分解法簡單。

     

(2)a向左時,箱受的三個力都不和加速度在一條直線上,必須用正交分解法。可選擇沿斜面方向和垂直於斜面方向進行正交分解,(同時正交分解a),然後分別沿x、y軸列方程求F1、F2:

F1=m(gsinα-acosα),F2=m(gcosα+asinα)

經比較可知,這樣正交分解比按照水平、豎直方向正交分解列方程和解方程都簡單。

點評:還應該注意到F1的表達式F1=m(gsinα-acosα)顯示其有可能得負值,這意味著繩對木塊的力是推力,這是不可能的。這裡又有一個臨界值的問題:當向左的加速度a≤gtanα時F1=m(gsinα-acosα)沿繩向斜上方;當a>gtanα時木塊和斜面不再保持相對靜止,而是相對於斜面向上滑動,繩子鬆弛,拉力為零。

【例7】如圖所示,質量m=4kg的物體與地面間的動摩擦因數為μ=0.5,在與水平成θ=37°角的恆力F作用下,從靜止起向右前進t1=2.0s後撤去F,又經過t2=4.0s物體剛好停下。求:F的大小、最大速度vm、總位移s。

解析:由運動學知識可知:前後兩段勻變速直線運動的加速度a與時間t成反比,而第二段中μmg=ma2,加速度a2=μg=5m/s2,所以第一段中的加速度一定是a1=10m/s2。再由方程可求得:F=54.5N

第一段的末速度和第二段的初速度相等都是最大速度,可以按第二段求得:vm=a2t2=20m/s 又由於兩段的平均速度和全過程的平均速度相等,所以有m

點評:需要引起注意的是:在撤去拉力F前後,物體受的摩擦力發生了改變。

可見,在動力學問題中應用牛頓第二定律,正確的受力分析和運動分析是解題的關鍵,求解加速度是解決問題的紐帶,要牢牢地把握住這一解題的基本方法和基本思路。我本在下一專題將詳細研究這一問題。

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