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- 2021-05-13 发布
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牛顿定律及其应用
一. 动力学的两类基本问题
1.根据物体的受力情况,确定物体的运动情况。
基本思路是:利用牛顿第二定律求出加速度,再利用运动学的有关公式求出速度,位移等。
2.根据物体的运动情况,确定物体受力情况。
基本思路是:分析物体运动情况,运用运动学公式求出加速度,再由牛顿第二定律求出合力,进而求出某个外力。
3.两类问题的意义:已知物体受力情况,由牛顿定律确定其运动情况如航天飞行器,由发动机决定受力情况,从而确定运动情况。已知物体运动情况,确定受力情况,如观测到天体运行规律,确定天体与周围天体的作用情况,探索未知天体情况。
二. 应用牛顿运动定律解题的一般步骤
1.明确研究对象。可根据题意选取某物体,也可以选一个或几个相关联的物体(存在相互作用的物体)为一个系统作为研究对象,所选研究对象应是受力或运动情况清楚便于解题的物体。
2.分析研究对象的受力情况,正确画出受力示意图,一般按力的性质依次分析物体受力情况。根据力的平行四边形定则或正交分解法求出合力,再由牛顿第二定律求出加速度。
3.分析研究对象的运动情况,画出运动过程示意图,找出前后过程的联系。
4.利用牛顿运动定律求解。
5.讨论结果。
注意:有的物体虽是涉及到的对象,但受力情况或运动情况不能直接求出解,可通过牛顿第三定律,取相作用的物体作为研究对象。最后再根据作用力和反作用力等大、反向来求解要求的物体的受力和运动情况。
三.超重与失重
1.产生原因
物体在竖直方向有向上的加速度时产生超重现象;物体在竖直方向上有向下的加速度时产生失重现象。
2.完全失重
对支持物作用力或对绳的拉力为零。通常是物体在空中自由下落。
四.量纲检验法
一个物理量可由几个基本物理量组成,它与基本物理量间的关系式为量纲式,由量纲式也就确定了这个物理量的单位。如速度的定义式为,说明了速度的量纲式为[](注:量纲式均由大写字母表示),加速度的定义式为,说明了加速度的量纲式为[]。而对力的单位的确定,则是由牛顿笫二定律,规定1N的力使质量为1kg的物体产生的加速度,也就是牛顿第二定律的数学表达式中的比例常数取1,力的量纲式为[]。由量纲式可以确定一个表达式是否正确。
【典型例题】
【例1】 总重量为的载重汽车,由静止起动开上一山坡,山坡的坡度为0.02(即每前进100m,上升2m)。在行驶了100m后,汽车的速度增大到18km/h。如果摩擦阻力是车重的0.03倍,汽车上坡时的牵引力为多大?
解析:,,。
如图所示建立坐标系,对汽车受力分析有: 且
,
【例2】如图所示,一个弹簧台秤的秤盘质量和弹簧质量都不计,盘内放一物体P处于静止状态。P的质量,弹簧的劲度系数。现在给P施加一个竖直向上的拉力F,使P从静止开始向上做匀加速直线运动。已知在开始0.2s内F是变力,0.2s以后F是恒力,。则F的最小值是 N,最大值是 N。
解析 P向上做匀加速直线运动,受到的合力为恒力。0.2s之前,秤盘对物体的支持力逐渐减小;0.2s之后,物体离开秤盘。设P处于静止状态时,弹簧被压缩的长度为,则:
,
代入数据,解得。
根据牛顿第二定律,有
所以
开始时,,F有最小值;
脱离时,,F有最大值 。
【例3】蹦极是一项有挑战性的活动。某人质量为60kg,自空中自由下落一段高度,开始拉紧橡皮绳使橡皮绳伸长,人减速为零。若橡皮绳产生弹力大小F=,为伸长量,一般人能承受的最大加速度为3g。
(1)为保证人的安全,橡皮绳的最大伸长量h2为多大?
(2)若橡皮绳上的力的平均力为最大值的一半,为了人的安全,自由下落的高度不能超过多少?
解析 人自由下落后速度为,。
当橡皮绳伸长最大为时,人的加速度最大为,方向向上。人受到弹力和重力作用,,。
由知,,,所以 。
当人开始拉紧橡皮绳到伸长量最大平均弹力为,。
人的平均加速度,,开始拉紧橡皮绳时速度
∴ 人自由下落高度不得超过6m。
【例4】如图所示,A、B两滑环分别套在间距为1m的光滑细杆上,A和B的质量之比为。用一自然长度为1m的轻弹簧将两环相连,在A环上作用一沿杆方向的、大小为20N的拉力F,当两环都沿杆以相同的加速度运动时,弹簧与杆夹角为。
求:
(1)弹簧的劲度系数为多少?
(2)若突然撤去拉力F,在撤去的瞬间,A的加速度为,与之比为多少?
(2)撤去力F瞬间,弹簧弹力不变,A的加速度
比较上式。
点评:两者具有相同的加速度,先利用整体法求出加速度,再用隔离法问题迎刃而解。本题为瞬时加速度问题,正确进行各阶段受力分析是解题的关键。弹簧弹力与绳子弹力的区别在于前者弹力改变需时间,而后者改变时间可忽略不计。