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:最后我们还有一个建议:请教师给学生讲完上述的例题后,让学生自己独立推导如图1-17所示的另一个例题: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。
:【思路整理】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。
二、解题范例例题1:如图1-18所示:在光滑的水平桌面上放一物体A,在A上再放一物体B,物体A和B间有摩擦。
施加一水平力F于物体B,使它相对于桌面向右运动。
这时物体A相对于桌面A. 向左运B. 向右运C. 不动D. 运动,但运动方向不能判断。
【思维基础】解答本题重要掌握“隔离法”,进行受力分析。
分析思路:物体A、B在竖直方向是受力平衡的,与本题所要判断的内容无直接关系,可不考虑。
物体B在水平方向受两个力:向右的拉力F,向左的A施于B的摩擦力f,在此二力作用下物体B相对于桌面向右运动。
物体A在水平方向只受一个力:B施于A的向右的摩擦力f,因此物体A应当向右运动。
注1、水平桌面是光滑的,所以对物体A没有作用力。
注2、物体A与物体B间的相互摩擦力是作用力和反作用力,应当大小相等、方向相反、同生同灭,分别作用于A和B两个物体上。
答案:(B)例题2:如图1-19所示:两个质量相同的物体1和2紧靠在一起,放在光滑水平桌面上,如果它们分别受到水平推力F1和F2,且F1>F2,则物体1施于物体2的作用力的大小为:A. F1B. F2C. (F1+F2)D. (F1-F2)【思维基础】:解答本题不应猜选答案(这是目前在一些中学生里的不良倾向),而应列出联立方程解出答案,才能作出正确选择。
因此掌握“隔离法”解题是十分重要的。
分析思路:已知物体1和2的质量相同,设它们的质量都为m;设物体1和2之间相互作用着的弹力为N;设物体1和2运动的共同加速度为a。
则运用“隔离法”可以列出下列两个方程:F1-N=ma ①N-F2=ma ②∵①、②两式右端相同∴F1-N=N-F2 2N=F1+F2 得出:N=(F1+F2) 答案:(C)【模仿学习】为了提高学生的解题能力,我们还需要讲述综合性例题进行指导。
例题3:一条细绳(忽略质量)跨过定滑轮在绳子的两端各挂有物体A和B(如图1-20所示),它们的质量分别是mA=0.50kg,mB=0.10kg。
开始运动时,物体A距地面高度hA=0.75m,物体B距地面高度hB=0.25m,求:物体A 落地后物体B上升的最大高度距地面多少米?启发性问题:⒈在本题中细绳连接着物体A和B一块运动,这是一种什么类型的动力学问题?⒉在运动过程中物体A和B的加速度大小相同吗?求它们的加速度有几种方法?⒊当物体A落到地面时物体B开始作什么性质的运动?⒋有人说物体B上升的最大高度H=hA+hB,你认为是否正确?为什么?⒌在求解过程中本题需要运用哪些关系式?(请你先把所需的关系式写在纸上,然后通过解题和对照后面答案看看是否写完全了。
)分析与说明:⒈本题属于“连接体运动问题”。
⒉物体A和B的加速度大小是相同的。
求它们的加速度有两种方法──“整体法”和“隔离法”。
由于本题不需要求出细绳的张力,所以采用“整体法”求加速度比较简便。
⒊当物体A落到地面时,因为物体B有向上运动的速度,所以物体B不会立即停止运动,而是开始作竖直上抛运动直至升到最大高度。
物体A落地时的末速度VAt与物体B作竖直上抛运动的初速度VB0是大小相等的(但方向相反)。
⒋认为物体B上升的最大高度H=hA+hB是不正确的。
这种错误是由于没有考虑到物体B作竖直上抛运动继续上升的高度h上。
所以物体B距地面的最大高度H=hA+hB+h上才是正确的。
从下列“求解过程”中可以看到解答本题所需用的关系式。
求解过程:先用整体法求出物体A和B共同的加速度。
)/(5.68.910.050.010.050.0)(2S m gm m m m a am m g m g m BA BA B A B A =⨯+-=+-=+=-再求物体A 落到地面时的末速度: (可暂不求出数值)因为物体A 和B 是连接体运动,所以物体A 落地时的末速度与物体B 作竖直上抛运动的初速度大小相等。
根据高一学过的匀变速运动规律Vt2-V02=2aS ,当Vt=0, V0=VB0, a=g, S=h 上可导出下式:综上所述可知物体B 距地面的最大高度是由下列三部分合成的:物体B 原来距地面的高度hB=0.25m 物体B 被物体A 通绳拉上的高度hA=0.75m 物体作竖直上抛运动继续上升的高度h 上=0.50m所以物体B 距地面的最大高度为:H=hB+hA+h 上=0.25m+0.75m+0.50m=1.5m解题后的思考:物体B 所达到的最大高度是保持不住的,因为上抛至最高处时就会按自由落体的方式下落,因此物体B 停止运动后,最终的距地面高度h=hA+hB=0.75m+0.25m=1m ,但这不是物体B 在运动过程中曾经达到的最大高度。
补充说明:“竖直上抛运动”是一种匀减速运动,它的初速度V0是竖直向上的;它的加速度是重力加速度g ,方向是竖直向下的;当物体的运动速度减为零时也就达到了最大高度。
有关这类问题我们还将在下章中进行深入的讨论。
【举一反三】上面所讲的例题虽然具有典型性和综合性,但是灵活性还不够。
为了进一步提高分析问题的能力,我们讲授下列例题,加强学生的思维锻炼。
例题4:如图1-21之(a),(b)所示:将m1=4kg 的木块放在m2=5kg 的木块上,m2放在光滑的水平面上。
若用F1=12N 的水平力拉m1时,正好使m1相对于m2开始发生滑动;则需用多少牛顿的水平力(F2)拉m2时,正好使m1相对于m2开始滑动?“准备运动”(解题所需的知识与技能):解答本题的关键在于──“受力分析”和“运动分析”。
根据题意可分析出物体m1和m2之间必有相互作用着的摩擦力f 。
因此图1-22之(c),(d)所示的就是(a),(b)两种状态的受力分析图。
又因m2是置于光滑水平面上的,所以由m1和m2所构成的连接体在受到外力作用时一定会产生加速度。
由于(c),(d)图示的受力形式不同,所产生的加速度a'和a“也不同。
(还请读者注意题文中的“正好”二字,因此二物体相对滑动的瞬间仍可当作具有共同的加速度。
)解题的过程:根据前面的图(c)用隔离法可以列出下面两个方程:F1-f=m1a'①f=m2a'②由①、②两式相加可得:F1=(m1+m2)a'③根据前面图(d)用隔离法可以列出下面两个方程:F2-f=m2a“④f=m1a“⑤由④、⑤两式相加可得:F2=(m1+m2)a“⑥由③、⑥两式相除可得:⑦由②、⑤两式相除可得:即:⑧根据:⑦、⑧两式可以写出:⑨将已知量m1=4kg,m2=5kg,F1=12N代入⑨式:解出答案:F2=15N“整理运动”(解题后的思考):⒈你想到了物体m1和m2之间必存在着摩擦力吗?⒉你想到了在(a),(b)两种情况下物体m1和m2都作加速运动吗?为什么在(a),(b)两种情况下运动的加速度不相等?在解题过程中你有什么体会?你还能想出其它的解法吗?三、解题步骤⒈若连结体内(即系统内)各物体具有相同的加速度时,首先应该把这个连接体当成一个整体(可看作一个质点),分析它受到的外力和运动情况,再根据牛顿第二定律求出加速度;若要求连接体内各物体相互作用的内力,这时可把某个物体隔离出来,对它单独进行受力和运动情况的分析,再根据牛顿第二定律列式求解。
若连接体内各物体的加速度大小或方向不相同时,一般采用隔离法。
如果不要求系统内物体间的相互作用力,也可采用整体法,步骤如下:(1)分析系统受到的外力;(2)分析系统内各物体加速度的大小和方向;(3)建立直角坐标系;(4)列方程求解。
【练习与检测】选择题1. 如图1-23所示,质量分别为m1=2kg,m2=3kg的二个物体置于光滑的水平面上,中间用一轻弹簧秤连接。
水平力F1=30N和F2=20N分别作用在m1和m2上。
以下叙述正确的是:A. 弹簧秤的示数是10N。
B. 弹簧秤的示数是50N。
C. 在同时撤出水平力F1、F2的瞬时,m1加速度的大小13m/S2。
D. 若在只撤去水平力F1的瞬间,m1加速度的大小为13m/S2。
2. 如图1-24所示的装置中,物体A在斜面上保持静止,由此可知:A. 物体A所受摩擦力的方向可能沿斜面向上。
B. 物体A所受摩擦力的方向可能沿斜面向下。