牛顿运动定律是力学的核心,整个力学的知识体系都是建立在牛顿运动定律的基础上的,熟练掌握牛顿运动定律是学好力学的关键。
一. 解题的基本思路
1. 选取合适的研究对象:在物理过程中,一般会涉及两个或两个以上的物体,通常选取我们了解得相对较多的那个物体作为研究对象。
2. 分析受力情况和运动情况:画出示意图,分析物体的受力情况与物体的运动情况,分析物体的运动情况是指确定加速度与速度的方向,判断物体是做加速直线还是减速直线运动,或是曲线运动。
3. 建立直角坐标系:一般选取加速度的方向为x轴的正方向,将各个力沿坐标轴方向进行正交分解。有时为了解题的方便,而选取互相垂直的两个力的方向作为x轴和y轴,将加速度沿坐标轴进行正交分解。总之,坐标轴方向的选取要视具体问题灵活运用。
4. 列F=ma方程求解:如果还无法求出未知量,则可运用运动学公式求加速度。求解加速度是解牛顿运动定律题目的关键,因为加速度是联系物体受力情况与运动情况之间的桥梁;如果不求出加速度,则受力情况与运动情况之间的对应关系就无法建立起来,也就无法解题。
二. 题型举例
1. 马拉车问题
马拉车沿平直道路加速前进,车之所以能加速前进的原因是什么?是因为马拉车的力大于车拉马的力?还是因为马拉车的力大于车受到的阻力呢?类似的问题还有拔河比赛问题:甲乙两队拔河比赛,结果甲队获胜,是因为甲队对乙队的拉力大于乙队对甲队的拉力吗?下面我们通过例题来回答这类问题。
例1. 汽车拉着拖车在水平道路上沿直线加速行驶,根据牛顿运动定律可知()
A. 汽车拉拖车的力大于拖车拉汽车的力;
B. 汽车拉拖车的力等于拖车拉汽车的力;
C. 汽车拉拖车的力大于拖车受到的阻力;
D. 汽车拉拖车的力等于拖车受到的阻力;
分析:根据牛顿第三定律,汽车与拖车的相互拉力,应总是大小相等、方向相反的。拖车之所以能加速前进是因为受到了向前的合力的缘故,即:汽车对拖车的拉力大于拖车受到的阻力,所以正确的选项为B、C。
2. 合力、加速度与速度间的关系问题
由F=ma可知,加速度与合力一一对应,但因加速度与速度在大小上无对应关系,所以合力与速度在大小上也无必然的联系。
例2. 一物体在光滑水平面上,初速度为零,先对物体施加一向东的恒力,历时1秒钟;随即把此力改为向西,大小不变,历时1秒钟;接着又把此力改为向东,大小不变,历时1秒钟;如此反复,只改变力的方向,共历时1分钟,在此1分钟内()
A. 物体时而向东运动,时而向西运动,在1分钟末静止于初始位置之东;
B. 物体时而向东运动,时而向西运动,在1分钟末静止于初始位置;
C. 物体时而向东运动,时而向西运动,在1分钟末继续向东运动;
D. 物体一直向东运动,从不向西运动,在1分钟末静止于初始位置之东。
常见错误:很多同学认为速度与合力间也有对应关系,当合力的方向改变时,速度和加速度的方向都随着改变,结果错选了B选项。
正确解法:与合力相对应的是加速度而不是速度。第1秒内物体向东做匀加速直线运动,1秒末合力的方向发生了变化,加速度的方向也随着改变,但由于惯性,速度方向并未改变,在第2秒内物体做匀减速直线运动,2秒末速度减小到零,按此推理,奇数秒末物体向东的速度最大,偶数秒末物体的速度为零,因此1分钟末,物体静止于初始位置之东,D选项正确。
3. 受力情况与运动情况间的对应关系问题
牛顿运动定律的核心是牛顿第二定律,它揭示了物体的运动情况与其受力情况间的对应关系,这种对应关系就是整个力学的中心思想,即
受力情况 运动情况
静止或匀速(a=0)
变速运动( )
在思想中建立这种因果性的对应关系,是学好牛顿运动定律的基础。
例3. 风洞实验中可产生水平方向的、大小可调节的风力,现将一套有小球的细直杆放入风洞实验室,小球孔径略大于细杆直径,如图1所示。
图1
(1)当杆在水平方向上固定时,调节风力的大小,使小球在杆上做匀速运动,这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍,求小球与杆间的滑动摩擦因数。
(2)保持小球所受风力不变,使杆与水平方向间夹角为 并固定,则小球从静止出发在细杆上滑下距离s所需时间为多少?( )
解析:(1)设小球受的风力为F,小球质量为m,因小球做匀速运动,则
又
即
(2)设杆对小球的支持力为 ,摩擦力为 ,选加速度的方向为x轴的正方向,建立直角坐标系,将各个力正交分解。
沿杆方向有:
<1>
垂直于杆的方向有:
<2>
<3>
将 ,代入以上各式可解得 ,由 可得
4. 瞬间问题(略)
5. 两物体间相对运动的问题
此类问题难度较大,一般多出现在高考的压轴题中,解此类题目不但要分析每个物体的受力情况与运动情况,还要考虑两物体间的相互联系,例如:两物体位移、速度、加速度间的关系等。
例4. 一小圆盘静止在桌面上,位于一方桌的水平桌面的中央。桌布的一边与桌的AB边重合,如图2。已知盘与桌布间的动摩擦因数为 ,盘与桌面间的动摩擦因数为 ,现突然以恒定的加速度a将桌布抽离桌后,加速度的方向是水平的且垂直于AB边。若圆盘最后未从桌面掉下,则加速度a满足的条件是什么?(以g表示重力加速度)
图2
分析:当桌布沿水平方向加速运动时,圆盘会在桌布对它的摩擦力作用下,也沿水平方向做加速运动,当桌布抽离圆盘后,圆盘由于惯性,在桌面对它的摩擦力的作用下,继续向前做匀减速运动,直到静止在桌面上。
解答:设桌长为L,圆盘的质量为m,在桌布从圆盘下抽出的过程中,盘的加速度为a1,所经历的时间为t1,盘离开桌布时,盘和桌布的速度分别为v1和v2,桌布抽出后,盘在桌面上做匀减速运动的加速度的大小为a2,所经历的时间为t2。
对盘运用牛顿第二定律有
<1>
<2>
对盘和桌布运用运动学公式有
<3>
<4>
<5>
盘在整个运动过程中的平均速度是 ,盘没有从桌面上掉下来的条件是:
<6>
桌布在抽出的过程中,桌布和盘运动的距离分别为 , ,由距离关系有
<7>
由以上各式解得
参考资料:http://www.vsedu.com/educa/unvisity/zxxzt/gz/xf/wl/24.htm