4.合成法与分解法

[例5]如图所示,沿水平方向做匀变速直线运动的车厢中,悬挂小球的悬线偏离竖直方向37°角,球和车厢相对静止,球的质量为1kg.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)

(1)求车厢运动的加速度并说明车厢的运动情况.

(2)求悬线对球的拉力.

         

解析:

(1)球和车厢相对静止,它们的运动情况相同,由于对球的受力情况知道的较多,故应以球为研究对象.球受两个力作用:重力mg和线的拉力FT,由球随车一起沿水平方向做匀变速直线运动,故其加速度沿水平方向,合外力沿水平方向.做出平行四边形如图所示.球所受的合外力为

F合=mgtan37°

由牛顿第二定律F合=ma可求得球的加速度为

7.5m/s2

加速度方向水平向右.

车厢可能水平向右做匀加速直线运动,也可能水平向左做匀减速直线运动.

(2)由图可得,线对球的拉力大小为

N=12.5 N

点评:本题解题的关键是根据小球的加速度方向,判断出物体所受合外力的方向,然后画出平行四边形,解其中的三角形就可求得结果.

[例6]如图所示, m =4kg的小球挂在小车后壁上,细线与竖直方向成37°角。求:

(1)小车以a=g向右加速;

(2)小车以a=g向右减速时,细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大?

  

解析:

(1)向右加速时小球对后壁必然有压力,球在三个共点力作用下向右加速。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边形定则求出:F1=50N,可见向右加速时F1的大小与a无关;F2可在水平方向上用牛顿第二定律列方程:F2-0.75G =ma计算得F2=70N。可以看出F2将随a的增大而增大。(这种情况下用平行四边形定则比用正交分解法简单。)

 (2)必须注意到:向右减速时,F2有可能减为零,这时小球将离开后壁而“飞”起来。这时细线跟竖直方向的夹角会改变,因此F1的方向会改变。所以必须先求出这个临界值。当时G和F1的合力刚好等于ma,所以a的临界值为。当a=g时小球必将离开后壁。不难看出,这时F1=mg=56N, F2=0

[例7]如图所示,在箱内倾角为α的固定光滑斜面上用平行于斜面的细线固定一质量为m的木块。求:(1)箱以加速度a匀加速上升,(2)箱以加速度a向左匀加速运动时,线对木块的拉力F1和斜面对箱的压力F2各多大?

解:(1)a向上时,由于箱受的合外力竖直向上,重力竖直向下,所以F1、F2的合力F必然竖直向上。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

显然这种方法比正交分解法简单。

   

(2)a向左时,箱受的三个力都不和加速度在一条直线上,必须用正交分解法。可选择沿斜面方向和垂直于斜面方向进行正交分解,(同时正交分解a),然后分别沿x、y轴列方程求F1、F2:

F1=m(gsinα-acosα),F2=m(gcosα+asinα)

经比较可知,这样正交分解比按照水平、竖直方向正交分解列方程和解方程都简单。

点评:还应该注意到F1的表达式F1=m(gsinα-acosα)显示其有可能得负值,这意味着绳对木块的力是推力,这是不可能的。这里又有一个临界值的问题:当向左的加速度a≤gtanα时F1=m(gsinα-acosα)沿绳向斜上方;当a>gtanα时木块和斜面不再保持相对静止,而是相对于斜面向上滑动,绳子松弛,拉力为零。

2.牛顿第二定律的瞬时性

[例3]如图(1)所示,一质量为m的物体系于长度分别为L1 、L2的两根细线上,L1的一端悬挂在天花板上,与竖直方向夹角为θ,L2水平拉直,物体处于平衡状态。现将L2线剪断,求剪断瞬时物体的加速度。

(1)下面是某同学对该题的某种解法:

解:设L1线上拉力为T1,L2线上拉力为T2,重力为mg,物体在三力作用下处于平衡。mg,,解得 =mgtanθ,剪断线的瞬间,T2突然消失,物体却在T2反方向获得加速度,因为mgtanθ=ma所以加速度a=gtanθ,方向在T2反方向。你认为这个结果正确吗?说明理由。

(2)若将图(1)中的细线L1改为长度相同,质量不计的轻弹簧,如图(2)所示,其它条件不变,求解的步骤和结果与(1)完全相同,即a=gtanθ,你认为这个结果正确吗?请说明理由。

解析:(1)这个结果是错误的。当L2被剪断的瞬间,因T2突然消失,而引起L1上的张力发生突变,使物体的受力情况改变,瞬时加速度沿垂直L1斜向下方,为a=gsinθ。

(2)这个结果是正确的。当L2被剪断时,T2突然消失,而弹簧还来不及形变(变化要有一个过程,不能突变),因而弹簧的弹力T1不变,它与重力的合力与T2是一对平衡力,等值反向,所以L2剪断时的瞬时加速度为a=gtanθ,方向在T2的反方向上。

点评:牛顿第二定律F合=ma反映了物体的加速度a跟它所受合外力的瞬时对应关系.物体受到外力作用,同时产生了相应的加速度,外力恒定不变,物体的加速度也恒定不变;外力随着时间改变时,加速度也随着时间改变;某一时刻,外力停止作用,其加速度也同时消失.

1.力与运动关系的定性分析

[例1] 如图所示,如图所示,轻弹簧下端固定在水平面上。一个小球从弹簧正上方某一高度处由静止开始自由下落,接触弹簧后把弹簧压缩到一定程度后停止下落。在小球下落的这一全过程中,下列说法中正确的是

A.小球刚接触弹簧瞬间速度最大

B.从小球接触弹簧起加速度变为竖直向上

C.从小球接触弹簧到到达最低点,小球的速度先增大后减小

D.从小球接触弹簧到到达最低点,小球的加速度先减小后增大

解析:小球的加速度大小决定于小球受到的合外力。从接触弹簧到到达最低点,弹力从零开始逐渐增大,所以合力先减小后增大,因此加速度先减小后增大。当合力与速度同向时小球速度增大,所以当小球所受弹力和重力大小相等时速度最大。选CD。

[例2]如图所示.弹簧左端固定,右端自由伸长到O点并系住物体m.现将弹簧压缩到A点,然后释放,物体一直可以运动到B点.如果物体受到的阻力恒定,则

A.物体从A到O先加速后减速

B.物体从A到O加速运动,从O到B减速运动

C.物体运动到O点时所受合力为零

D.物体从A到O的过程加速度逐渐减小

解析:物体从A到O的运动过程,弹力方向向右.初始阶段弹力大于阻力,合力方向向右.随着物体向右运动,弹力逐渐减小,合力逐渐减小,由牛顿第二定律可知,此阶段物体的加速度向右且逐渐减小,由于加速度与速度同向,物体的速度逐渐增大.所以初始阶段物体向右做加速度逐渐减小的加速运动.

当物体向右运动至AO间某点(设为O′)时,弹力减小到等于阻力,物体所受合力为零,加速度为零,速度达到最大.

此后,随着物体继续向右移动,弹力继续减小,阻力大于弹力,合力方向变为向左.至O点时弹力减为零,此后弹力向左且逐渐增大.所以物体从O′点后的合力方向均向左且合力逐渐增大,由牛顿第二定律可知,此阶段物体的加速度向左且逐渐增大.由于加速度与速度反向,物体做加速度逐渐增大的减速运动.

正确选项为A、C.

点评:

(1)解答此题容易犯的错误就是认为弹簧无形变时物体的速度最大,加速度为零.这显然是没对物理过程认真分析,靠定势思维得出的结论.要学会分析动态变化过程,分析时要先在脑子里建立起一幅较为清晰的动态图景,再运用概念和规律进行推理和判断.

(2)通过此题,可加深对牛顿第二定律中合外力与加速度间的瞬时关系的理解,加深对速度和加速度间关系的理解.譬如,本题中物体在初始阶段,尽管加速度在逐渐减小,但由于它与速度同向,所以速度仍继续增大.

 0  275822  275830  275836  275840  275846  275848  275852  275858  275860  275866  275872  275876  275878  275882  275888  275890  275896  275900  275902  275906  275908  275912  275914  275916  275917  275918  275920  275921  275922  275924  275926  275930  275932  275936  275938  275942  275948  275950  275956  275960  275962  275966  275972  275978  275980  275986  275990  275992  275998  276002  276008  276016  447090 

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