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高中物理必修Ⅰ把牛顿第二定律的探究实验和公式表达分成两节内容,目的在于突出牛顿第二定律在力学中的重要地位.牛顿第二定律的首要价值应该是确立了力与运动之间的直接关系,即因果关系.知道了物体的受力情况,理论上物体的运动状态及变化就完全确定了.
一、知识梳理
1.牛顿第二定律:物体的加速度a跟物体所受的合外力 成正比,跟物体的质量m成反比.
2. 公式: F = ma
理解要点:
①因果性:力是产生加速度a的原因,它们同时产生,同时变化,同时存在,同时消失;
②方向性:a与F 都是矢量,方向严格相同;
③瞬时性和对应性:a为某时刻物体的加速度, 是该时刻作用在该物体上的合外力.
④牛顿第二定律适用于宏观, 低速运动的情况.
例1 对力、加速度和速度关系的理解]关于速度、加速度、合外力之间的关系,正确的是()
A.物体的速度越大,则加速度越大,所受的合外力也越大
B.物体的速度为零,则加速度为零,所受的合外力也为零
C.物体的速度为零,但加速度可能很大,所受的合外力也可能很大
D.物体的速度很大,但加速度可能为零,所受的合外力也可能为零
答案CD
解析物体的速度大小和加速度大小没有必然联系,一个很大,另一个可以很小,甚至为零.但物体所受合外力的大小决定加速度的大小,同一物体所受合外力很大,加速度一定很大,故选项C、D对.
二、 应用牛顿第二定律解题的步骤
1.选取研究对象:根据题意,研究对象可以是单一物体,也可以是几个物体组成的物体系统.
2.分析物体的受力情况
3、建立坐标
①若物体所受外力在一条直线上,可建立直线坐标.
②若物体所受外力不在一直线上,应建立直角坐标,通常以加速度的方向为一坐标轴,然后向两轴方向正交分解外力.
4、列出第二定律方程
5、解方程,得出结果
一、明确两种基本模型的特点
(1)轻绳不需要形变恢复时间、在瞬时问题中,其弹力可以突变,成为零或者别的值.
(2)轻弹簧(或橡皮绳)需要较长的形变恢复时间,在瞬时问题中,其弹力不能突变,大小方向均不变.
类型1:轻绳模型求瞬时加速度
例1 如图1甲所示,图中细线均不可伸长,小球均处于平衡状态且质量相同.如果突然把两水平线剪断,剪断瞬间小球A的加速度的大小为.
解析:球质量均为m,对A球受力分析,如图1 乙所示,剪断水平细线后,球A将沿圆弧摆下,故剪断水平细线瞬间,小球A的加速度a1方向沿圆周的切线方向向下,即垂直倾斜细线OA向下.则有FT1=mgcos θ,F1=mgsin θ=ma1,所以a1=gsin θ.
类型2:轻弹簧模型求瞬时加速度
例2 如图2所示,轻弹簧上端与一质量为m的木块1相连,下端与另一质量为M的木块2 相连,整个系统置于水平放置的光滑木板上,并处于静止状态.现将木
板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,木块1、2的加速度大小分
别为a1、a2.重力加速度大小为g.则有 ( )
(A) a1=0,a2=g (B) a1=g,a2=g
(C) a1=0,a2=m+M Mg (D) a1=g,a2=m+M Mg
解析:在木板抽出后的瞬间,弹簧未来得及发生形变,所以木块1所受重力和弹力均不变,合力为零,则a1=0.木块2受重力Mg和弹簧弹力F=mg,如图3所示,
由牛顿第二定律得Mg+mg=Ma2,则a2=M+m Mg,选项(C)正确.
二、解决两类动力学问题
以加速度a为“桥梁”,由运动学公式和牛顿第二定律列方程求解,具体逻辑关系如图4.
例3 如图5所示,物体A放在足够长的木板B上,木板B静止于
水平面上.已知A的质量mA和B的质量mB均为2.0 kg,A、B之
间的动摩擦因数μ1=0.2,B与水平面之间的动摩擦因数μ2=0.1,
最大静摩擦力与滑动摩擦力大小视为相等,重力加速度g取10 m/s2.若从t=0开始,木板B受F1=16 N的水平恒力作用,t=1 s时F1改为F2=4 N,方向不变,t=3 s时撤去F2.
(1)木板B受F1=16 N的水平恒力作用时,A、B的加速度aA、aB各为多少?
(2)从t=0开始,到A、B都静止,A在B上相对B滑行的时间为多少?
(3)请以纵坐标表示A受到B的摩擦力FfA,横坐标表示运动时间t(从t=0开始,到A、B都静止),取运动方向为正方向,在图6中画出FfA-t的关系图线(以图线评分,不必写出分析和计算过程).
解析:(1)根据牛顿第二定律得
μ1mAg=mAaA,
aA=μ1g=0.2×10 m/s2=2 m/s2
F1-μ2(mA+mB)g-μ1mAg=mBaB
代入数据得aB=4 m/s2
(2)t1=1 s时,A、B的速度分别为vA、vB
vA=aAt1=2×1 m/s=2 m/s,
vB=aBt1=4×1 m/s=4 m/s
F1改为F2=4 N后,在B速度大于A速度的过程,A的加速度不变,B的加速度设为aB′,根据牛顿第二定律得
F2-μ2(mA+mB)g-μ1mAg=mBaB′
代入数据得aB′=-2 m/s2
设经过时间t2,A、B速度相等,此后它们保持相对静止,则
vA+aAt2=vB+aB′t2.
代入数据得t2=0.5 s
A在B上相对B滑行的时间为t=t1+t2=1.5 s
(3)FfA-t的关系图线如图7所示.
以上就是对牛顿第二定律知识概念的整理重点解题方法,只要掌握基本解题方法,知道解题模型,相信牛顿第二定律不会成为我们高考的难点.
一、知识梳理
1.牛顿第二定律:物体的加速度a跟物体所受的合外力 成正比,跟物体的质量m成反比.
2. 公式: F = ma
理解要点:
①因果性:力是产生加速度a的原因,它们同时产生,同时变化,同时存在,同时消失;
②方向性:a与F 都是矢量,方向严格相同;
③瞬时性和对应性:a为某时刻物体的加速度, 是该时刻作用在该物体上的合外力.
④牛顿第二定律适用于宏观, 低速运动的情况.
例1 对力、加速度和速度关系的理解]关于速度、加速度、合外力之间的关系,正确的是()
A.物体的速度越大,则加速度越大,所受的合外力也越大
B.物体的速度为零,则加速度为零,所受的合外力也为零
C.物体的速度为零,但加速度可能很大,所受的合外力也可能很大
D.物体的速度很大,但加速度可能为零,所受的合外力也可能为零
答案CD
解析物体的速度大小和加速度大小没有必然联系,一个很大,另一个可以很小,甚至为零.但物体所受合外力的大小决定加速度的大小,同一物体所受合外力很大,加速度一定很大,故选项C、D对.
二、 应用牛顿第二定律解题的步骤
1.选取研究对象:根据题意,研究对象可以是单一物体,也可以是几个物体组成的物体系统.
2.分析物体的受力情况
3、建立坐标
①若物体所受外力在一条直线上,可建立直线坐标.
②若物体所受外力不在一直线上,应建立直角坐标,通常以加速度的方向为一坐标轴,然后向两轴方向正交分解外力.
4、列出第二定律方程
5、解方程,得出结果
一、明确两种基本模型的特点
(1)轻绳不需要形变恢复时间、在瞬时问题中,其弹力可以突变,成为零或者别的值.
(2)轻弹簧(或橡皮绳)需要较长的形变恢复时间,在瞬时问题中,其弹力不能突变,大小方向均不变.
类型1:轻绳模型求瞬时加速度
例1 如图1甲所示,图中细线均不可伸长,小球均处于平衡状态且质量相同.如果突然把两水平线剪断,剪断瞬间小球A的加速度的大小为.
解析:球质量均为m,对A球受力分析,如图1 乙所示,剪断水平细线后,球A将沿圆弧摆下,故剪断水平细线瞬间,小球A的加速度a1方向沿圆周的切线方向向下,即垂直倾斜细线OA向下.则有FT1=mgcos θ,F1=mgsin θ=ma1,所以a1=gsin θ.
类型2:轻弹簧模型求瞬时加速度
例2 如图2所示,轻弹簧上端与一质量为m的木块1相连,下端与另一质量为M的木块2 相连,整个系统置于水平放置的光滑木板上,并处于静止状态.现将木
板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,木块1、2的加速度大小分
别为a1、a2.重力加速度大小为g.则有 ( )
(A) a1=0,a2=g (B) a1=g,a2=g
(C) a1=0,a2=m+M Mg (D) a1=g,a2=m+M Mg
解析:在木板抽出后的瞬间,弹簧未来得及发生形变,所以木块1所受重力和弹力均不变,合力为零,则a1=0.木块2受重力Mg和弹簧弹力F=mg,如图3所示,
由牛顿第二定律得Mg+mg=Ma2,则a2=M+m Mg,选项(C)正确.
二、解决两类动力学问题
以加速度a为“桥梁”,由运动学公式和牛顿第二定律列方程求解,具体逻辑关系如图4.
例3 如图5所示,物体A放在足够长的木板B上,木板B静止于
水平面上.已知A的质量mA和B的质量mB均为2.0 kg,A、B之
间的动摩擦因数μ1=0.2,B与水平面之间的动摩擦因数μ2=0.1,
最大静摩擦力与滑动摩擦力大小视为相等,重力加速度g取10 m/s2.若从t=0开始,木板B受F1=16 N的水平恒力作用,t=1 s时F1改为F2=4 N,方向不变,t=3 s时撤去F2.
(1)木板B受F1=16 N的水平恒力作用时,A、B的加速度aA、aB各为多少?
(2)从t=0开始,到A、B都静止,A在B上相对B滑行的时间为多少?
(3)请以纵坐标表示A受到B的摩擦力FfA,横坐标表示运动时间t(从t=0开始,到A、B都静止),取运动方向为正方向,在图6中画出FfA-t的关系图线(以图线评分,不必写出分析和计算过程).
解析:(1)根据牛顿第二定律得
μ1mAg=mAaA,
aA=μ1g=0.2×10 m/s2=2 m/s2
F1-μ2(mA+mB)g-μ1mAg=mBaB
代入数据得aB=4 m/s2
(2)t1=1 s时,A、B的速度分别为vA、vB
vA=aAt1=2×1 m/s=2 m/s,
vB=aBt1=4×1 m/s=4 m/s
F1改为F2=4 N后,在B速度大于A速度的过程,A的加速度不变,B的加速度设为aB′,根据牛顿第二定律得
F2-μ2(mA+mB)g-μ1mAg=mBaB′
代入数据得aB′=-2 m/s2
设经过时间t2,A、B速度相等,此后它们保持相对静止,则
vA+aAt2=vB+aB′t2.
代入数据得t2=0.5 s
A在B上相对B滑行的时间为t=t1+t2=1.5 s
(3)FfA-t的关系图线如图7所示.
以上就是对牛顿第二定律知识概念的整理重点解题方法,只要掌握基本解题方法,知道解题模型,相信牛顿第二定律不会成为我们高考的难点.