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【步步高】2013年高考物理大一轮 第三章 专题4 牛顿运动定律的应用(二) 新人教版必修1


专题 4
应用方法.

牛顿运动定律的应用(二)

导学目标 1.掌握动力学中的图象问题的分析方法.2.掌握整体法与隔离法在连接问题中的

考点一 动力学中的图象问题 考点解读 在牛顿运动定律中有这样一类问题: 题目告诉的已知条件是物体在一过程中所受的某个力 随时间的变化图线,要求分析物体的运动情况;或者已知物体在一过程中速度、加速度随 时间的变化图线, 要求分析物体的受力情况, 我们把这两种问题称为牛顿运动定律中的图 象问题. 这类问题的实质仍然是力与运动的关系问题, 求解这类问题的关键是理解图象的 物理意义,理解图象的轴、点、线、截、斜、面六大功能. 典例剖析 例 1 如图 1 甲所示,水平地面上轻弹簧左端固定,右端通过滑块压缩 0.4 m 锁定.t=0 时解除锁定释放滑块.计算机通过滑块上的速度传感器描绘出滑块的速度图象如图乙所 示,其中 Oab 段为曲线,bc 段为直线,倾斜直线 Od 是 t=0 时的速度图线的切线,已知 滑块质量 m=2.0 kg,取 g=10 m/s .求:
2

图1 (1)滑块与地面间的动摩擦因数; (2)弹簧的劲度系数. 方法突破 数图结合解决物理问题 物理公式与物理图象的结合是中学物理的重要题型,也是近年高考的热点,特别是 v-t 图象在考题中出现率极高. 对于已知图象求解相关物理量的问题, 往往是结合物理过程从 分析图象的横、纵轴所对应的物理量的函数入手,分析图线的斜率、截距所代表的物理意 义得出所求结果. 解决这类问题的核心是分析图象, 我们应特别关注 v-t 图中的斜率(加 速度)和力的图线与运动的对应关系. 跟踪训练 1 固定光滑细杆与地面成一定倾角,在杆上套有一个光滑小环,小环在沿杆方向 的推力 F 作用下向上运动, 推力 F 与小环速度 v 随时间变化规律如图 2 所示, 取重力加速 度 g=10 m/s .求:
2

图2

1

(1)小环的质量 m; (2)细杆与地面间的倾角 α . 考点二 多过程问题 考点解读 很多动力学问题中涉及物体两个或多个连续的运动过程, 在物体不同的运动阶段, 物体的 运动情况和受力情况都发生了变化, 我们把这类动力学问题称为牛顿运动定律中的多过程 问题. 有些题目中这些过程是彼此独立的, 也有的题目中相邻的过程之间也可能存在一些 联系,解决这类问题时,既要将每个子过程独立分析清楚,又要关注它们之间的联系.多 过程问题可根据涉及物体的多少分为单体多过程问题和多体多过程问题. 典例剖析 例2 中央电视台近期推出了一个游戏节目——推矿泉 水瓶.选手们从起点开始用力推瓶一段时间后,放手 让瓶向前滑动,若瓶最后停在桌上有效区域内,视为 成功;若瓶最后不停在有效区域内或在滑行过程中倒下均视为 失败.其简化模型如图 3 所示,AC 是长度为 L1=5 m 的水平桌面,选手们可将瓶子放在 A 点,从 A 点开始用一恒定不变的水平推力推瓶,BC 为有效区域.已知 BC 长度为 L2=1 m, 瓶子质量为 m=0.5 kg, 瓶子与桌面间的动摩擦因数 μ =0.4.某选手作用在瓶子上的水平 推力 F=20 N,瓶子沿 AC 做直线运动,(g 取 10 m/s )假设瓶子可视为质点,那么该选手 要想游戏获得成功,试问: (1)推力作用在瓶子上的时间最长不得超过多少? (2)推力作用在瓶子上的距离最小为多少? 方法突破 求解多过程问题,要能够将多过程分解为多个子过程,在每一个子过程中,对物 体进行正确的受力分析,正确求解加速度和找到连接各阶段运动的物理量(速度)是关键, 做出物体整个运动过程的运动示意图,可使问题的分析与求解较为直观. 跟踪训练 2 有一种大型游戏机叫“跳楼机”,参加游戏的游客被安全带固定在座椅上,由 电动机将座椅沿光滑的竖直轨道提升到离地面 40 m 高处,然后由静止释放.可以认为座 椅沿轨道做自由落体运动,2 s 后,开始受到恒定阻力而立即做匀减速运动,且下落到离 地面 4 m 高处时速度刚好减小到零.然后再让座椅以相当缓慢的速度稳稳下落,将游客送 回地面.(取 g=10 m/s )问: (1)座椅在自由下落结束时刻的速度是多大? (2)座椅在匀减速阶段的时间是多少? (3)在匀减速阶段,座椅对游客的作用力大小是游客体重的多少倍? 考点三 滑块-木板模型 考点解读 滑块-木板模型作为力学的基本模型经常出现, 是对直线运动和牛顿运动定律有关知识的 综合应用.着重考查学生分析问题、运用知识的能力,这类问题的分析有利于培养学生对 物理情景的想象能力,为后面牛顿运动定律与能量知识的综合应用打下良好的基础. 典例剖析
2 2

图3

2

例 3 某电视台娱乐节目在游乐园举行家庭搬运砖块比赛活动.比赛规则是:如图 4 甲所示 向滑动行驶的小车上搬放砖块, 且每次只能将一块砖无初速度(相对地面)地放到车上, 车 停止时立即停止搬放,以车上砖块多少决定胜负.已知每块砖的质量 m=0.8 kg,小车的 上表面光滑且足够长,比赛过程中车始终受到恒定牵引力 F=20 N 的作用,未放砖块时车 以 v0=3 m/s 的速度匀速前进.获得冠军的家庭上场比赛时每隔 T=0.8 s 搬放一块砖, 从放上第一块砖开始计时,图中仅画出了 0~0.8 s 内车运动的 v-t 图象,如图乙所示,

g 取 10 m/s2.求:

图4 (1)小车的质量及车与地面间的动摩擦因数; (2)车停止时,车上放有多少块砖. 方法突破 求解时应先仔细审题,清楚题目的含义,分析清楚每一个物体的受力情况、运动 情况.因题目所给的情境中至少涉及两个物体、多个运动过程,并且物体间还存在相对运 动,所以应准确求出各物体在各运动过程中的加速度(注意两过程的连接处加速度可能突 变),找出物体之间的位移(路程)关系或速度关系是解题的突破口.求解中更应注意联系 两个过程的纽带,每一个过程的末速度是下一个过程的初速度. 跟踪训练 3 如图 5 所示,在光滑的水平面上停放着小车 B,车上左 端有一小物体 A,A 和 B 之间的接触面前一段光滑,后一段粗糙, 且后一段的动摩擦因数 μ =0.4,小车长 L=2 m,A 的质量 mA=1 kg,B 的质量 mB=4 kg.现用 12 N 的水平力 F 向左拉动小车,当 A 到达 B 的
2

图5

最右端时,两者速度恰好相等,求 A 和 B 间光滑部分的长度.(g 取 10 m/s ) ` 8.整体法与隔离法在动力学中 的应用 例 4 如图 6 所示,一辆汽车 A 拉着装有集装箱的拖车 B, 以速度 v1=30 m/s 进入向下倾斜的直车道.车道每 100 下降 2 m.为了使汽车速度在 x=200 m 的距离内减到 =10 m/s,驾驶员必须刹车.假定刹车时地面的摩擦阻 力是恒力,且该力的 70%作用于 拖车 B,30%作用于汽车 A.已知 A 的质量 m1=2 000 kg,B 的质量 m2=6 000 kg.求汽车与 拖车的连接处沿运动方向的相互作用力.(重力加速度 g 取 10 m/s ) 方法提炼 在物理问题中, 当所研究的问题涉及连接体时, 若不要求知道各个运动物体之间 的相互作用力,并且各个物体具有大小和方向都相同的加速度,就可把它们看成一个整 体,分析外力和运动情况,应用牛顿第二定律求出加速度(或其他未知量);若需要知道 物体间的相互作用力,就需要把物体从系统中隔离出来,分析物体的受力情况和运动情
3
2

m

v2
图6

况,并分别应用牛顿第二定律列出方程,隔离法和整体法配合交替使用,常能更有效地 解决有关连接体问题. 跟踪训练 4 一根不可伸缩的轻绳跨过轻质的定滑轮,一端挂一吊椅,另 一端被坐在吊椅上的运动员拉住,如图 7 所示.设运动员的质量为 65 kg,吊椅的质量为 15 kg,不计定滑轮与绳子间的摩擦,重力加速度取 =10m/s .当运动员与吊椅一起正以加速度 a=1 m/s 上升时,试求: (1)运动员竖直向下拉绳的力; (2)运动员对吊椅的压力. 图7
2 2

g

A 组 图象问题 1.如图 8 甲所示,倾角为 30°的足够长的光滑斜面上,有一质量 m=0.8 kg 的物体受到平 行斜面向上的力 F 作用,其大小 F 随时间 t 变化的规律如图乙所示,t=0 时刻物体的速 度为零,重力加速度 g=10 m/s .下列说法中正确的是 ( )
2

图8 A.0~1 s 时间内物体的加速度最大 B.第 2 s 末物体的速度不为零 C.2~3 s 时间内物体向下做匀加速直线运动 D.第 3 s 末物体回到了原来的出发点 B 组 多过程问题 2.如图 9 所示为一足够长斜面,其倾角为 θ =37°,一质量 m=10 kg 物体,在斜面底部受到一个沿斜面向上的 F=100 N 的力作用由 静止开始运动,物体在 2 s 内位移为 4 m,2 s 末撤去力 F,(sin 37° =0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s )求: (1)物体与斜面间的动摩擦因数 μ ; (2)从撤掉力 F 开始 1.5 s 末物体的速度 v; (3)从静止开始 3.5 s 内物体的位移和路程. C 组 滑块-木板模型
2

图9

4

3.如图 10 所示,车厢 B 底面放一个物体 A,已知它们的质量 mA=20 kg,mB=30 kg,在水平力 F=120 N 作用下,B 由静止开始运动,2 s 内移动 5 m,假设车厢足够长,不计地面与 B 间的摩擦,求在这 段 时间内 A 在 B 内移动的距离. D 组 连接体问题 4. 如图 11 所示,质量为 mA、mB 的两个物体 A 和 B,用跨过定滑 轮的细绳相连.用力把 B 压在水平桌面上,使 A 离地面的高度 为 H,且桌面上方细绳与桌面平行.现撤去压 B 的外力,使 A、 从静止开始运动,A 着地后不反弹,在运动过程中 B 始终碰不 计空气阻力及细绳 图 11 到滑轮.B 与水平桌面间的动摩擦因数为 μ ,不计滑轮与轴间、绳子的摩擦,不 图 10

B

5

课时规范训练 (限时:60 分钟) 一、选择题 1.物体 A、B 都静止在同一水平面上,它们的质量分别为 MA、MB,与 水平面间的动摩擦因数分别为 μ A、μ B,平行于水平面的拉力 F 分别拉物体 A、B,测得加速度 a 与拉力 F 的关系图象如图 1 中 A、 所示,则 A.μ A>μ C.MA>MB
B

B
图1

( D.MA<MB

)
B

B.μ A<μ

2.一光滑斜劈,在力 F 推动下向左做匀加速直线运动,且斜劈上有 一木块恰好与斜面保持相对静止,如图 2 所示,则木块所受合外 力的方向为 A.水平向左 C.沿斜面向下 ( B.水平向右 D.沿斜面向上 ) 图2

3.如图 3 所示,某小球所受的合外力与时间的关系,各段的合外 力大小相同,作用时间相同,设小球从静止开始运动,由此可 判定 A.小球向前运动,再返回停止 B.小球向前运动再返回不会停止 C.小球始终向前运动 D.小球向前运动一段时间后停止 4.一有固定斜面的小车在水平面上做直线运动,小球通过细绳与 车顶相连.小球某时刻正处于如图 4 所示状态.设斜面对小球 的支持力为 FN,细绳对小球的拉力为 FT,关于此时刻小球的 受力情况,下列说法正确的是 A.若小车向左运动,FN 可能为零 B.若小车向左运动,FT 可能为零 C.若小车向右运动,FN 不可能为零 D.若小车向右运动,FT 不可能为零 5.如图 5 所示,TPS681.TIF;Z*2,Y]图 5 竖直放置在水平面上的轻弹簧上放着质量为 2 kg 的物体 A,处于静止状态.若将一个质 量为 3 kg 的物体 B 轻放在 A 上的一瞬间,则 B 对 A 的压力大小为(g 取 10 m/s ) A.30 N C.15 N 为 B.0 D.12 N
2

(

)

图3

图4 ( )

(

)

6.如图 6 所示,一固定光滑杆与水平方向夹角为 θ ,将一质量

m1 的小环套在杆上,通过轻绳悬挂一个质量为 m2 的小球.静
止释放后, 小环与小球保持相对静止以相同的加速度 a 一起下 图6
6

滑,此时绳子与竖直方向的夹角为 β ,则下列说法正确的是 ( A.杆对小环的作用力大于 m1g+m2g B.m1 不变,则 m2 越大,β 越小 C.θ =β ,与 m1、m2 无关 D.若杆不光滑,β 可能大于 θ 7.如图 7 所示,两块粘连在一起的物块 a 和 b,质量分别为 和 mb,放在光滑的水平桌面上,现同时给它们施加方向如 图所示的推力 Fa 和拉力 Fb,已知 Fa>Fb, 则 a 对 b 的作用力 A.必为推力 B.必为拉力 C.可能为推力,也可能为拉力 D.不可能为零 8.如图 8 所示,质量为 m 的物体用细绳拴住放在水平粗糙传送带 上,物体到传送带左端的距离为 L,稳定时绳与水平方向的夹角 为 θ ,当传送带分别以 v1、v2 的速度做逆时针转动时(v1<v2),绳 中的拉力分别为 F1、F2;若剪断细绳时,物体到达左端的时间 分别为 t1、t2,则下列说法正确的是 A.F1<F2 C.t1 一定大于 t2 B.F1=F2 D.t1 可能等于 t2 ( ) 图8 图7 ( ) )

ma

9. 如图 9 所示, 质量为 m 的球置于斜面上, 被一竖直挡板挡住. 现 用一个力 F 拉斜面, 使斜面在水平面上做加速度为 a 的匀加速 直线运动,忽略一切摩擦,以下说法正确的是 A.若加速度足够小,竖直挡板对球的弹力可能为零 B.若加速度足够大,斜面对球的弹力可能为零 C.斜面和挡板对球的弹力的合力等于 ma D.若 F 增大,斜面对球的弹力仍然保持不变 二、非选择题 10.如图 10 所示,有一长度 x=1 m,质量 M=10 kg 的平板小车, 静止在光滑的水平面上,在小车一端放置一质量 m=4 kg 的小 物块,物块与小车间的动摩擦因数 μ =0.25,要使物块在 2 s 末 运动到小车的另一端,那么作用在物块上的水平力 F 是多少? 11.如图 11 甲所示,表演“顶杆”杂技时,一人站在地上(称为“底人”),肩上竖直扛着 一个质量为 m=5 kg 的竹竿,一个质量为 M=40 kg 的演员(可视为质点)在竿顶端从静 止开始先匀加速再匀减速下滑, 滑到竿底端时速度正好为零. 为了研究该杂技的力学性 质, 研究人员在竿底部和“底人”肩膀之间安装一个力传感器, 演员从竿顶端下滑的整 图 10 ( ) 图9

7

个过程中, 竿对传感器竖直向下压力大小随时间变化的关系如图乙所示. 根据题中所给 条件和图象中有关信息,重力加速度大小为 g=10 m/s .求:
2

图 11 (1)演员在竿上匀加速下滑和匀减速下滑的过程中,竿受到的摩擦力大小; (2)竿的长度. 滑轮的质量.求: (1)A 下落过程的加速度; (2)B 在桌面上运动的位移.

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复习讲义 课堂探究 例 1 (1)0.5 (2)175 N/m 跟踪训练 1 (1)1 kg (2)30° 1 例 2 (1) s (2)0.4 m 6 跟踪训练 2 (1)20 m/s (2)1.6 s (3)2.25 例 3 (1)8 kg 0.25 (2)5 块 跟踪训练 3 0.8 m 例 4 880 N 跟踪训练 4 (1)440 N,方向竖直向下 (2)275 N,方向竖直向下 分组训练 1.C 2.(1)0.25 (2)4 m/s (3)3 m,方向向上 3.0.5 m 4.(1) 7 m

mAg-μ mBg HmA(1+μ ) (2) mA+mB μ (mA+mB)
课时规范训练

1.AD 2.A 3.C 4.AB 5.D 6.C 7.C 8.BD 9.D 10.16 N 11.(1)240 N 480 N (2)6 m

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