牛顿第二定律中的瞬时加速度问题

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  【摘要】:牛顿第二定律是反映力的瞬时作用效果的规律,分析物体在某一时刻的瞬时加速度,关键是分析瞬时前后的受力情况及运动状态,再由牛顿第二定律求出瞬时加速度。
  【关键词】:牛顿第二定律 加速度 瞬时
  我们知道,牛顿第二定律反映了力的瞬时作用效果的规律,力是产生加速度的原因,故加速度与力同时存在、同时变化、同时消失,这就是所谓牛顿第二定律的瞬时性。
  分析物体在某一时刻的瞬时加速度,关键是分析瞬时前后的受力情况及运动状态,再由牛顿第二定律求出瞬时加速度。求解瞬时加速度问题,必须应注意两种不同的物理模型:
  1.刚性绳(不可伸長)或接触面:这是一种不发生明显形变就能产生弹力的物体,若剪断或脱离后,其中弹力立即消失或仍接触但可以突变,不需要恢复、改变形变的时间。
  2.弹簧或橡皮绳:这些物体的形变量大,形变改变、恢复需要较长时间,故在瞬时问题中,其弹力的大小往往可以看成是不变的。
  对于考查牛顿第二定律的瞬时加速度问题,这类题型的一般求法是: ①首先分析变化瞬间之前的状态(进行受力分析);②判别有哪些力在这一瞬间发生了变化,哪些力不发生变化;③再求出变化后物体受的合力,求得加速度。高考对于瞬时加速度问题的考查一般有如下三种形式,本文将分别举例进行讨论。
  一、弹簧模型问题
  如上所述,由于弹簧的形变量大,形变恢复需要较长时间,瞬间弹簧的弹力不能立即改变,问题的处理相对比较简单。
  二、绳模型问题
  【例2】如图所示,质量为m的物体系于长度分别为l1、l2的两根细线上,l 1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。下面是某同学对该题的一种解法:
  你认为这个结果正确吗?
  【解析】再次重申,弹簧和绳是两个物理模型,故绳与弹簧在断绳瞬间的性质完全、特点不同。绳子不计质量但无弹性,瞬间就可以没有,即断绳前后,因为状态不同,所以弹力发生突变。而弹簧因为有形变,不可瞬间发生变化,即形变不会瞬间改变,要有一段时间,即断绳瞬间,弹簧未来得及发生形变所以弹力大小、方向均不变。
  正是因为这个原因,所以开始的结果是错的.因为l2被剪断的瞬间,l1上的张力大小发生了变化.此瞬间物体m的速度为0,沿绳子方向合力为0,由正交分解法,则在沿着绳子方向,有 T1-mgcosθ=0,即T1=mgcosθ;而在垂直绳子方向,有,故得,此即绳剪断瞬时物体的加速度。
  三、与瞬时加速度有关的作用力问题
  【解析】该题考查竖直方向上的连接体问题,选A、B整体为研究对象,这个系统开始是平衡的,当突然将力施加在物块A上时,弹簧的弹力来不及变化,故整体相当于受到了竖直向下的力,故有F=2ma,解得a=2.5 m/s2;选A为研究对象有F-FN+mg=ma,解得FN=25 N,这就是B对A的支持力,故选项C正确.
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