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- 2021-05-13 发布
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08高考专题复习-整体法和隔离法在连接体问题中的
“连接体运动”是在生活和生产中常见的现象,也是运用牛顿运动定律解答的一种重要题型。
在“连接体运动”的解题中,常常要用到两种解题方法──“整体法”和“隔离法”。
例题1、如图1-15所示:把质量为M的的物体放在光滑的水平高台上,用一条可以忽略质量而且不变形的细绳绕过定滑轮把它与质量为m的物体连接起来,求:物体M和物体m的运动加速度各是多大?
⒈ “整体法”解题
采用此法解题时,把物体M和m看作一个整体,它们的总质量为(M+m)。把通过细绳连接着的M与m之间的相互作用力看作是内力,既然水平高台是光滑无阻力的,那么这个整体所受的外力就只有mg了。又因细绳不发生形变,所以M与m应具有共同的加速度a。
现将牛顿第二定律用于本题,则可写出下列关系式:
mg=(M+m)a
所以物体M和物体m所共有的加速度为:
⒉ “隔离法”解题
采用此法解题时,要把物体M和m作为两个物体隔离开分别进行受力分析,因此通过细绳连接着的M与m之间的相互作用力T必须标出,而且对M和m单独来看都是外力(如图1-16所示)。
根据牛顿第二定律对物体M可列出下式:
T=Ma ①
根据牛顿第二定律对物体m可列出下式:
mg-T=ma ②
将①式代入②式:
mg-Ma=ma
mg=(M+m)a
所以物体M和物体m所共有的加速度为:
练习:如图1-17所示,用细绳连接绕过定滑轮的物体M和m,已知M>m,可忽略阻力,求物体M和m的共同加速度a。
解:
例题2、如图,质量为M的木板,放在倾角为θ的光滑斜面上,木板上一质量为m的人应以多大的加速度沿斜面跑下,才能使木板静止在斜面上?
a m
M
解一:隔离法。
M静止,其受合外力为0。
M受到重力Mg、支持力N、人的摩擦力f而平衡。
故: f=Mgsinθ
人受到重力mg、支持力N′、木板的摩擦力f
F合= mgsinθ+f
= mgsinθ+ Mgsinθ
∴ a= (m+M)gsinθ/m
解二.整体法。
M和m作整体,受合外力
(M+m)gsinθ
∴ F合=(M+m)gsinθ=ma
a= (m+M)gsinθ/m
N
m1 m2
θ1 θ2
f
G
例题3、如图,在粗糙的水平面上有一个质量为M的三角形木块。两底角分别为θ1、θ2。在两个粗糙斜面上有两个质量分别为m1、m2的物体,分别以a1、a2的加速度沿斜面下滑,木块始终相对于地面静止求地面对三角形木块的摩擦力和支持力。
解:以M、m1、m2整体为研究对。
此整体受三个力,如图所示。
建立坐标系。
在X轴上:
f=Max-m1a1x+m2a2x
其中: ax=0,a1x=a1cosθ1,a2x=a2cosθ2
∴ f= m2a2cosθ2-m1a1cosθ1
f的方向由f的正负来决定,f为正,表三沿x轴正向。
在Y轴方向:
N-(M+m1+m2)g=-(May+m1a1y+m2a2y)
其中: ax=0,a1y=a1sinθ1,a2y=a2sinθ2
∴ N=(M+m1+m2)g-m1a1sinθ1-m2a2sinθ2
可见,对于系统内各物体的运动状态不同的力学问题,在不需要求物体间的相互作用力,也可以将各物体看作一个整体,用整体法求解很简炼。上题中,若用隔离法,则方程数较多,较繁琐。
练习:如图19-18所示,质量M=10千克的木楔ABC静置于粗糙水平地面上,滑动摩擦系数μ=0.02.在木楔的倾角θ为30°的斜面上,有一质量m=1.0千克的物块由静止开始沿斜面下滑.当滑行路程s=1.4米时,其速度v=1.4米/秒.在这过程中木楔没有动.求地面对木楔的摩擦力的大小和方向.(重力加速度取g=10米/秒2)(94·全国)
解:由匀加速运动的公式v2=v02+2as,得物块沿斜面下滑的加速度为
将M和m看着一个整体,此整体有斜向下的加速度,必受到向右的摩擦力。
f=macosθ=1.0×0.7×cos300=0.61N
【指点迷津】
⒈ 既然采用“整体法”求连接体运动的加速度比较简便?为什么还要学习“隔离法”解题呢?
这有两方面的原因:
①采用“整体法”解题只能求加速度a,而不能直接求出物体M与m之间的相互作用力T。采用“隔离法”解联立方程,可以同时解出a与T。因此在解答比较复杂的连接体运动问题时,还是采用“隔离法”比较全面。
②通过“隔离法”的受力分析,可以复习巩固作用力和反作用力的性质,能够使学生加深对“牛顿第三定律”的理解。
⒉ 在“连接体运动”的问题中,比较常见的连接方式有哪几种?
比较常见的连接方式有三种:
①用细绳将两个物体连接,物体间的相互作用是通过细绳的“张力”体现的。在“抛砖引玉”中所举的两个例题就属于这种连接方式。
②两个物体通过“摩擦力”连接在一起。
③两个物体通互相接触推压连接在一起,它们间的相互作用力是“弹力”。
⒊ “连接体运动”问题是否只限于两个物体的连接?
不是。可以是三个或更多物体的连接。在生活中我所见的一个火车牵引着十几节车厢就是实际的例子。但是在中学物理解题中,我们比较常见的例题、习题和试题大多是两个物体构成的连接体。只要学会解答两个物体构成的连接体运动问题,那么解答多个物体的连接体运动问题也不会感到困难,只不过列出的联立方程多一些,解题的过程麻烦一些。
例题4、《金版教程》P95 例1、P96 例
练习:1、将某种材料的长方体锯成A、B、C三个物体,然后再对在一起,放在光滑的水平面上,如图3—11所示。A、B二物体的质量都是1kg,C物体的质量是2kg,用8N的力F从正面推C,使得A、B、C组成的长方体保持矩形的整体沿力作用的方向平动。求
(1)运动中C物体对A物体的作用力的大小和方向?
(2)运动中B物体对C物体的静摩擦力的大小和方向?
启发提问:若A、B、C保持矩形整体做匀加速直线运动,哪么A、B所受合外力的方向各应该是什么方向?B物体这时都受哪些力作用?
分析:A、B、C组成了连接体,先用整体法求出它们的共同加速度,然后分别取A、B为隔离体,求C对A的作用力和B对C的静摩擦力。
解:A、B、C共同的加速度
以A为研究对象,C对A的作用力
FCA=mAa
=1×2N
=2N
B对C的静摩擦力根据牛顿第三定律应等于C对B的静摩擦力
2、一质量为M,倾角为θ的楔形木块,静置在水平桌面上,与桌面间的动摩擦因数为μ,一物块质量为m,置于楔形木块的斜面上,物块与斜面的接触是光滑的。为了保持物块相对斜面静止,可用一水平力
F推楔形木块,如图3—16所示。此水平力的大小等于 。
启发提问:为了保持物块与斜面相对静止,它们应做何种运动?这时物块受哪些作用力?
分析:首先把物块和楔形木块看成一个整体,受力情况如图3—17(a),由牛顿第二定律和滑动摩擦定律有
F-f=(m+M)a ①
N-(m+M)g=0 ②
f=μN ③
由①②③联立解得
④
为了求出上式中的a,再隔离小物块,其受力图如图3—17(b)。小物块受重力mg,楔形木块对它的支持力N1,这二力的合力F合 应沿水平向左。分力N1、mg与合力F合 间遵守力的平行四边形法则,故有
解得代入④式即得水平推力
3、《金版教程》P101 【培养素质】4、5
【提升能力】3、4、5
【才华展示】1
4、如右图所示,静止在水平面上的三角架的质量为M,它中间用两根质量不计的轻质弹簧连着一质量为m的小球,当小球上下振动,三角架对水平面的压力恰好为零的时刻,小球加速度的方向与大小是( )
A.向上,Mg/m B.向上,g
C.向下,g D.向下,(M+m)g/m
解:将M、m视为一个整体,合力为(M+m)g,故a=(M+m)g/m
D正确。
教学后记:
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