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在高中物理中常涉及到用牛顿第二定律来解有关动力学问题,但有时对单个物体利用牛顿第二定律解题很麻烦,这时,我们如适当选取质点系,用质点系牛顿第二定律来解题会收到事半功倍的效果。
一、 质点系牛顿第二定律
质点系牛顿第二定律内容为:如果一个质点系内各物体的加速度各不相同,这个质点系在任意的x方向受的合外力为Fx,组成质点系的n个物体的质量分别为m1,m2,m3,…,mn,在x方向的加速度分别为a1x,a2x,a3x,…,αnx,那么有:Fx=m1a1x+m2a2x+m3a3x+…+mnanx。
二、 质点系牛顿第二定律的应用
1.组成质点系的质点中,只有一个质点有加速度,其他质点无加速度。
例1 如图1所示,一个内部有固定竖直杆的箱子,其总质量为M,将其放在水平地面上,一个质量为m的环套在箱内的竖直杆上,环沿杆以加速度a加速下滑,求此时地面对箱子的支持力FN为多大?
解析 以箱子和环为系统,该质点系在竖直方向受到向下的重力(M+m)g和竖直向上的支持力FN作用,其加速度和整体受力如图2所示。
其中,箱子的加速度为零,以竖直向下的方向为正方向,由质点系牛顿第二定律得:
F合=(M+m)g-FN=M·0+ma,
解得FN=(M+m)g-ma。
2.组成质点系的质点中,至少有两个质点有加速度。
例2 如图3所示,在粗糙的水平面上有一个质量为m3的三角形木块始终相对地面静止,两底角分别为θ1,θ2,在两个斜面上分别有质量为m1,m2的物体,正以加速度a1,a2沿斜面加速下滑,试求地面对三角形木块的静摩擦力和支持力。
解析 以m1,m2和m3为系统,该质点系所受的外力有:重力(m3+m1+m2)g,地面的支持力FN,地面施加的摩擦力Ff。
将a1和a2分解为水平方向的a1x,a2x和竖直方向的a1y,a2y,如图4所示。
a1x=a1cosθ1,a1y=a1sinθ1, a2x=a2cosθ2,a2y=a2sinθ2。
对m1,m2,m3组成的质点系,运用质点系牛顿第二定律,水平方向上有(取向左为正方向):
=m1a1cosθ1-m2a2cosθ2
=Ff,
竖直方向上有(取向下为正方向):
=m1a1sinθ1+m2a2sinθ2
=(m1+m2+m3)g-FN,
解得FN=(m1+m2+m3)g-(m1a1sinθ1+m2a2sinθ2),方向竖直向上。
三、 应用质点系牛顿第二定律时应注意的问题
1.分清内力和外力,质点系中各质点间的相互作用力为内力,质点系以外的物体对质点系内任一点的作用力为外力。质点系内诸内力的总和为零。
2.定律中等号两边都是矢量和,而不是代数和。
3.定律中所涉及的力都是外力,不能用它求质点间的相互作用力。
通过例题,不难看出,用质点系牛顿第二定律处理此类问题时,省略了“中间量”的求解,简化了解题过程,对提高同学们的解题速度和解题能力都起到了很好的作用,同时也加深了对牛顿运动定律内涵的理解。
一、 质点系牛顿第二定律
质点系牛顿第二定律内容为:如果一个质点系内各物体的加速度各不相同,这个质点系在任意的x方向受的合外力为Fx,组成质点系的n个物体的质量分别为m1,m2,m3,…,mn,在x方向的加速度分别为a1x,a2x,a3x,…,αnx,那么有:Fx=m1a1x+m2a2x+m3a3x+…+mnanx。
二、 质点系牛顿第二定律的应用
1.组成质点系的质点中,只有一个质点有加速度,其他质点无加速度。
例1 如图1所示,一个内部有固定竖直杆的箱子,其总质量为M,将其放在水平地面上,一个质量为m的环套在箱内的竖直杆上,环沿杆以加速度a加速下滑,求此时地面对箱子的支持力FN为多大?
解析 以箱子和环为系统,该质点系在竖直方向受到向下的重力(M+m)g和竖直向上的支持力FN作用,其加速度和整体受力如图2所示。
其中,箱子的加速度为零,以竖直向下的方向为正方向,由质点系牛顿第二定律得:
F合=(M+m)g-FN=M·0+ma,
解得FN=(M+m)g-ma。
2.组成质点系的质点中,至少有两个质点有加速度。
例2 如图3所示,在粗糙的水平面上有一个质量为m3的三角形木块始终相对地面静止,两底角分别为θ1,θ2,在两个斜面上分别有质量为m1,m2的物体,正以加速度a1,a2沿斜面加速下滑,试求地面对三角形木块的静摩擦力和支持力。
解析 以m1,m2和m3为系统,该质点系所受的外力有:重力(m3+m1+m2)g,地面的支持力FN,地面施加的摩擦力Ff。
将a1和a2分解为水平方向的a1x,a2x和竖直方向的a1y,a2y,如图4所示。
a1x=a1cosθ1,a1y=a1sinθ1, a2x=a2cosθ2,a2y=a2sinθ2。
对m1,m2,m3组成的质点系,运用质点系牛顿第二定律,水平方向上有(取向左为正方向):
=m1a1cosθ1-m2a2cosθ2
=Ff,
竖直方向上有(取向下为正方向):
=m1a1sinθ1+m2a2sinθ2
=(m1+m2+m3)g-FN,
解得FN=(m1+m2+m3)g-(m1a1sinθ1+m2a2sinθ2),方向竖直向上。
三、 应用质点系牛顿第二定律时应注意的问题
1.分清内力和外力,质点系中各质点间的相互作用力为内力,质点系以外的物体对质点系内任一点的作用力为外力。质点系内诸内力的总和为零。
2.定律中等号两边都是矢量和,而不是代数和。
3.定律中所涉及的力都是外力,不能用它求质点间的相互作用力。
通过例题,不难看出,用质点系牛顿第二定律处理此类问题时,省略了“中间量”的求解,简化了解题过程,对提高同学们的解题速度和解题能力都起到了很好的作用,同时也加深了对牛顿运动定律内涵的理解。