逍遥学能 2013-03-06 00:34
2012届高三物理一轮复习学案：第三《牛顿运动定律》专题三 应用牛顿第二定律常用的方法
【考点透析】
一、本专题考点：应用牛顿第二定律解决物理问题。
二、理解和掌握内容
1．合成法〈平行四边形法则〉：若物体只受两力作用而产生加速度时，应用力的合成法分析计算较简单．解题时要准确做出力的平行四边形，若合成中有直角关系，要善于充分利用直角三角形有关知识分析计算．
2．正交分解法：当物体受两个以上力作用而产生加速度时，常用正交分解法分析求解．多数情况下常把力正交分解在加速度方向（如取x轴）和垂直于加速度的方向上（如取y轴），则有 ∑Fx＝ma, ∑Fy=0．特殊情况下，若有众多的力（特别是未知力）集中在两个垂直方向上，可以取相应的两个方向为分解轴，而将加速度分解到两个轴上，即∑Fx＝ max, ∑Fy = may．
3．应用牛顿第二定律的解题步骤．①确定研究对象．②分析受力作受力示意图．③用平行四边形法则合成，或用正交分解法把各力沿x y轴分解．④应用牛顿第二定律列方程．⑤统一单位求解．
4．难点释疑：如图3－16在密封的盒子内装有质量为m的光滑金属球．球刚好能在盒子中自由移动．若将盒竖直上抛，则运动过程中请思考：
一、若有空气阻力则上升和下降时，球对盒的哪壁有压力？
（2）若无空气阻力则上升和下降时，球对盒的哪壁有压力？
思路点拨:对整体分析，向上和向下运动时整体受力分别如图甲乙所示．由此可知，若有空气阻力向上运动时加速度a>g,,下降时a<g，无空气阻力时，无论上下运动加速度a = g．
设球受到盒的作用力为N，取向下为正方向则：
mg+N = ma,
N=m (ａ－ｇ)
有阻力：上升时，a>g，N>0,球对盒的上壁有压力．
下降时，a<g，N<0,球对盒的下壁有压力．
由于无空气阻力时无论上下运动加速度a= g，故N＝0，即球对盒的上下壁均无压力．
牛顿第二定律为矢量定律，应特别注意各力方向及加速度a方向在定律表达式中体现．充分理解“合外力的方向既是加速度方向”的深刻含义．特别是未知力的方向不确切时，处理好矢量关系，建立正确的矢量表达式尤为重要．
【例题精析】
例1 如图3－17所示木箱中有一倾角为θ的斜面，斜面上放一质量为m的物体．斜面与物体间摩擦系数为µ，当木箱以加速度a水平向左运动时，斜面与物体相对静止．求斜面对物体的支持力N和摩擦力f．
分析与解答：解法1．对m作受力分析，沿水平、竖直分别取x轴和y轴，如图甲所示．
依牛顿第二定律有：
∑Fx＝Nsinθ－fcosθ＝ｍａ ①
∑Fy＝Ncosθ+fsinθ－ｍｇ＝０． ②
由①②可得N＝ｍgcosθ+masinθ
f＝mgsinθ－macosθ
解法2．对m作受力分析，平行于斜面、垂直于斜面分别取x轴和y轴．如图乙所示：
由牛顿第二定律可知：
∑Fx＝mgsinθ－f＝ｍａcosθ???③
∑Fy＝N－ｍｇcosθ＝masinθ ??④
由③④可得N＝ｍgcosθ+masinθ
f＝mgsinθ－macosθ
由两种解法比较可知，合理巧妙选取坐标轴，可以减少矢量（特别是未知矢量）的分解，给解题带极大方便．本题两未知矢量N 、f相互垂直，解法1中沿水平、竖直分别取x轴和y轴，最后要处理二元一次方程组；解法二中以N、 f所在直线取x轴和y轴，最后处理一元一次方程就得到了结果．
思考与拓宽：让木箱以加速度a向上加速，与斜面相对静止，求斜面对物体的支持力N和摩擦力f．（如何建立坐标轴更合理、简捷？）
一、如图3－18所示一倾角为θ的斜面上放一木块，木块上固定一支架，支架末端用丝线挂一小球．木块、小球沿斜面向下共同滑动．若丝线①竖直②与斜面垂直③水平时，求上述三种情况下，木块下滑的加速度．
解：由题意可知，小球与木块的加速度相同．三种情况下分析小球受力分别为如图a b c所示：
一、如图a，T1与G均竖直，故不可能产生斜向加速度，木块匀速运动．
（2）如图b，T2与G的合力必沿斜面，由三角形关系可知F合＝mｇsinθ ，a＝F合 / m＝gsinθ．即木箱的加速度沿斜面向下，大小为gsinθ．
（3）如图c，T与G的合力必沿斜面，由三角形关系可知 F合＝mｇ/sinθ, a＝F合 / m＝g/sinθ． 即木箱的加速度沿斜面向下，大小为g/sinθ．
当物体仅受两力作用时，使用力的合成法则，配合有关几何知识解题非常简捷．应用时特别注意F合 与a的对应性．
思考与拓宽：
请大家思考：在满足什么条下木块可作上述三种运动？（如：斜面与木块的摩擦系数如何？或需加多大的沿斜面方向的拉力等）
【能力提升】
Ⅰ知识与技能
一、如图3－19所示，O 、A、 B、 C、 D五点在同一圆周上．OA、OB、OC、OD是四条光滑的弦，一小物体分别由O开始沿各弦下滑到A、B、C、D所用时间分别为tA、tB、tC、tD 则（ ）
A．tA>tB>tC>tD B． tA<tB<tC<tD
C． tA＝tB＝tC＝tD D．无法确定．
2．如图3－20所示，几个倾角不同的光滑斜面有相同的底边．一小物体分别从各斜面顶端下滑到底端A，关于所用时间，下面说法正确的是（ ）
A．倾角越大时间越短 B．倾角越小时间越短
C．倾角为45°时所用时间最短 D．无法确定．
3．如图3－21甲所示，一物体位于斜面上，若再在物体上①放一物体m’ ，如图乙所示．②加一竖直向下的力F＝m’g，如图丙所示．③加一垂直斜面向下的力F＝m’g，如图丁，则以下说法错误的是（ ）
一、若甲中物体静止，则乙 丙 丁中物体仍静止
B．若甲中物体向下加速，则乙 丙 丁中物体加速度不变
C．若甲中物体向下加速，则乙中物体加速度不变， 丙中物体加速度变大， 丁中物体加速度减小．
一、若甲中物体向下匀速，则乙 丙中物体仍匀速，丁中物体减速．
4．一单摆悬挂于小车的支架上，随小车沿斜面下滑，如图3－22．图中位置①竖直，位置②与斜面垂直，位置③水平，则（ ）
一、若斜面光滑，拉线与③重合
B．若斜面光滑，拉线与①重合
C．若斜面粗糙且摩擦力小于下滑力拉线位于①②之间
一、若斜面粗糙且摩擦力大于下滑力拉线位于②③之间
5．如图3－23，电梯与地面成30∘，质量为m的人站在电梯上，人对电梯的压力为其重力的1．2倍，则人受电梯的摩擦力f大小为（ ）
A．f=mg/5 B．f=3mg/5 C．f=2mg/5 D． f=3 mg/5
6．如图3－24，质量为20kg的物体水平向右运动，物体与水平面的摩擦系数为0．2，与此同时物体还受到一水平向左的力F作用．F＝5N，此时物体运动的加速度为 m/s2，方向为 ．
Ⅱ能力与素质
7．汽车司机常在后视镜上吊小工艺品点缀车内环境，利用它可以估算汽车启动或急刹车时的加速度，若汽车刹车时，小工艺品偏离竖直方向的角度为θ，则汽车加速度大小为 ．
8．1999年10月1日晚上，在天安门广场举行了盛大的庆祝中华人民共和国成立50周年焰火晚会．花炮的升空高度为100m，并在最高点爆炸．花炮的质量为2g，在炮筒中运动时间为0.02s，则火药对花炮的平均推力约为 ．
9．风洞实验室可产生水平方向大小可调节的风力．现将一套有小球的细杆放入风洞实验室．小球的直径略大于杆的直径．如图3-26．
①水平固定时，调节风力大小使球在杆上匀速运动，此时风力为重力的0．5倍，求小球与杆的摩擦系数µ．
②保持风力不变，将杆与水平夹角调至37°，则球从静止开始在杆上下滑距离S时所用时间为多少？
【拓展研究】
1．实验室是通过调节风力大小保持恒定推力的，若风洞实验室产生的风速是恒定不变的，那么对运动物体还能保持风力不变吗？答案是否定的，不能．如图3—27所示，设杆光滑，开始时小球在风力的推动下，沿杆向左加速，当小球的速度逐渐增大时，风与小球的相对速度减小，这时风力减弱，当小球的速度等于风速时，对运动小球的风力将消失，但对其它固定不动物体的风力仍存在．因而我们要理解第10题题设条中“风力不变”的含义，不能误认为“风速不变”．风速不变时，风对变速运动的风力不是恒力．
2．鸵鸟是当今世界上最大的鸟．有人说，如果鸵鸟能长出一副与身体大小成比例的翅膀，就能飞起．是不是这样呢？生物学统计的结论得出：飞翔的必要条是空气的上举力F至少与体重G=mg平衡．鸟煽动翅膀，获得上举力的大小可以表示为F=cSv2，式中S为翅膀展开后的面积，v为鸟的飞行速度，而c是一个比例常数．我们作一个简单的几何相似形假设：设鸟的几何线度为L，那么其质量m∝L3，而翅膀面积S∝L2，已知小燕子的最小飞行速度是5.5m/s，鸵鸟的最大奔跑速度为11.5m/s，又测得鸵鸟的体长是小燕子的25倍，那么鸵鸟真的长出一副与身体大小成比例的翅膀后能飞起吗？
专题三：1．C 2．C 3．B 4．C 5．D 6．2.25，左 7．gtanθ 8．4472N 9．①μ=0.5 ② t= 8S3g
拓展研究答案：2．不能