高考物理一轮总复习专题《牛顿运动定律的应用》.ppt

第3讲 牛顿运动定律的应用,【考纲解读】1.掌握超重、失重的概念，会分析超重、失重的相关问题；2.学会分析临界与极值问题；3.会进行力学多过程问题的分析,一、超重和失重 1超重：物体对水平支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力)_物体所受重力的情况产生条件：物体具有_的加速度 2失重：物体对水平支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力) _物体所受重力的情况产生条件：物体具有_的加速度 3完全失重：物体对水平支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力) _的情况 4视重：当物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上时，弹簧测力计或台秤的示数称为视重视重大小等于秤所受的拉力或压力,考点O 讲堂梳理自查,大于,向上,小于,向下,为零,二、解连接体问题的常用方法 1整体法：当系统中各物体的_相同时，可把系统内的所有物体看成一个整体，其质量等于各物体的_，当所受外力已知时，可用_ _求出整体的加速度 2隔离法：当求解系统内物体间_时，常把物体从系统中“隔离”出来分析，依据牛顿第二定律列方程 3外力和内力 (1)外力：系统外的物体对研究对象的作用力 (2)内力：系统内物体之间的作用力,加速度,质量之和,牛顿,第二定律,存在相互作用力,1对运动图象结合超重和失重的考查(多选)(2017年四川资阳检测)实验小组利用DIS系统(数字化信息实验系统)，观察超重和失重现象他们在学校电梯房内做实验，在电梯天花板上固定一个压力传感器，测量挂钩向下，并在钩上悬挂一个重为10 N的钩码，在电梯运动过程中，计算机显示屏上出现如图所示图线，根据图线分析可知下列说法正确的是( ),A从时刻t1到t2，钩码处于失重状态，从时刻t3到t4，钩码处于超重状态 Bt1到t2时间内，电梯一定在向下运动，t3到t4时间内，电梯可能正在向上运动 Ct1到t4时间内，电梯可能先加速向下，接着匀速向下，再减速向下 Dt1到t4时间内，电梯可能先加速向上，接着匀速向上，再减速向上 【答案】AC,【解析】图横轴是时间，纵轴是力，所以图线显示了力传感器对钩码的拉力大小随时间的变化情况，t1到t2时间内，拉力减小，钩码处于失重状态；t3到t4时间内，拉力增加，钩码处于超重状态，故A项正确；从时刻t1到t2，物体受到的压力小于重力时，加速度向下，但可以向上做减速运动；从时刻t3到t4，物体受到的压力大于重力，加速度向上，可以向上运动，也可以向下运动，故B项错误如果电梯开始停在高楼层，那么应该是压力先等于重力，再小于重力，然后等于重力，大于重力，最后等于重力，先加速向下，接着匀速向下，再减速向下，最后停在低楼层，故C项正确如果电梯开始停在低楼层，先加速向上，接着匀速向上，再减速向上，最后停在高楼层，那么应该从图象可以得到，压力先等于重力，再大于重力，然后等于重力，小于重力，最后等于重力，故D项错误,2对连接体问题的考查(2017届江西临川检测)如图所示，倾斜固定直杆与水平方向成60角，直杆上套有一个圆环，圆环通过一根细线与一个小球相连接当圆环沿直杆下滑时，小球与圆环保持相对静止，细线伸直，且与竖直方向成30角下列说法中正确的是( ) A细绳可能没有张力 B圆环可能匀速下滑 C圆环与杆之间一定没有摩擦 D圆环与杆之间一定存在摩擦 【答案】D,1超重并不是重力增加，失重并不是重力减小，完全失重也不是重力完全消失在发生这些现象时，物体的重力依然存在，且不发生变化，只是物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)发生了变化(即“视重”发生变化) 2只要物体有向上或向下的加速度，物体就处于超重或失重状态，与物体向上运动还是向下运动无关 3尽管物体的加速度不是在竖直方向，但只要其加速度在竖直方向上有分量，物体就会处于超重或失重状态,考点1 超重和失重,4超重、失重和完全失重比较,例1 (2017届浙江温州五校模拟)如图所示是“神舟”系列航天飞船返回舱返回地面的示意图，假定其过程可简化为：打开降落伞一段时间后，整个装置匀速下降，为确保安全着陆，需点燃返回舱的缓冲火箭，在火箭喷气过程中返回舱做减速直线运动，则( ) A火箭开始喷气瞬间伞绳对返回舱的拉力变小 B返回舱在喷气过程中减速的主要原因是空气阻力 C返回舱在喷气过程中所受合外力可能做正功 D返回舱在喷气过程中处于失重状态,思路剖析：(1)火箭开始喷气瞬间反作用力直接对谁作用？(2)火箭喷气返回舱做什么运动？ 【答案】A 【解析】在火箭喷气过程中返回舱做减速直线运动，加速度方向向上，返回舱处于超重状态，动能减小，返回舱所受合外力做负功，返回舱在喷气过程中减速的主要原因是缓冲火箭向下喷气而获得向上的反冲力火箭开始喷气前匀速下降拉力等于重力减去返回舱受到的空气阻力，火箭开始喷气瞬间反冲力直接对返回舱作用因而伞绳对返回舱的拉力变小，所以选项A正确,练1 (2017届江西九江七校联考)在探究超重和失重规律时，一位体重为G的同学站在一个压力传感器上完成一次下蹲动作传感器和计算机相连，经计算机处理后得到压力F随时间t变化的图象，则下列图象中可能正确的是( ) 【答案】D 【解析】人在压力传感器上下蹲时，先加速下降，然后减速下降，即加速度先向下后向上，人先失重后超重，故选项D正确.,超重和失重现象判断的“三”技巧 1从受力的角度判断：当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时，物体处于超重状态，小于重力时处于失重状态，等于零时处于完全失重状态 2从加速度的角度判断：当物体具有向上的加速度时处于超重状态，具有向下的加速度时处于失重状态，向下的加速度为重力加速度时处于完全失重状态 3从速度变化的角度判断：物体向上加速或向下减速时，超重；物体向下加速或向上减速时，失重,1选取原则 若连接体内各物体具有相同的加速度，且不用求物体之间的作用力，可以把它们看成一个整体，分析整体受到的合外力，应用牛顿第二定律求出加速度(或其他未知量) 2整体法、隔离法的交替运用 若连接体内各物体具有相同的加速度，且要求物体之间的作用力时，可以先用整体法求出加速度，然后再用隔离法选取合适的研究对象，应用牛顿第二定律求作用力，即“先整体求加速度，后隔离求内力”,考点2 隔离法和整体法解连接体问题,(1)直杆的质量； (2)演员向下运动的最大加速度； (3)演员向下运动的平均速度 思路剖析：(1)传感器显示压力是指哪个力？(2)演员向下做什么运动？ 【答案】(1)10 kg (2)2 m/s2 (3)2 m/s,解得匀减速向下运动的加速度大小为a12 m/s2 由牛顿第三定律，传感器显示的最小压力F2500 N等于大球对直杆的最小支持力 用隔离法求摩擦力，对杆杆，由平衡条件得演员对直杆向下的摩擦力 f2F2m0g400 N 由牛顿第三定律，直杆对演员向上的摩擦力等于400 N. 用隔离法求最大加速度，对演员，由牛顿第二定律 mgf2ma2 解得匀加速向下运动的加速度大小为a22 m/s2 则演员向下运动的最大加速度为a2 m/s2.,【答案】(1)2 m/s2 (2)140 N，沿斜面向上 (3)0.5 s,【解析】(1)设人的质量为m1，车的质量为m2，绳的拉力为F，小车受到的摩擦阻力为Ff，人与车一起运动的加速度为a.对人与车整体由牛顿第二定律得 2F(m1m2)gsin 30Ff(m1m2)a 又Ff0.1(m1m2)g 解得a2 m/s2. (2)设人受到的摩擦阻力为Ff1，对人由牛顿第二定律得 Fm1gsin 30Ff1m1a 解得Ff1140 N 沿斜面向上,涉及隔离法与整体法的具体问题类型 1涉及滑轮的问题：若要求绳的拉力，一般都必须采用隔离法 2水平面上的连接体问题 (1)这类问题一般多是连接体(系统)各物体保持相对静止，即具有相同的加速度解题时，一般采用先整体、后隔离的方法 (2)建立坐标系时也要考虑矢量正交分解越少越好的原则，或者正交分解力，或者正交分解加速度 3斜面体与上面物体组成的连接体的问题：当物体具有沿斜面方向的加速度，而斜面体相对于地面静止时，解题时一般采用隔离法分析,在应用牛顿运动定律解决动力学问题中，当物体运动的加速度不同时，物体有可能处于不同的状态，特别是题目中出现“最大”“最小”“刚好”等词语时，往往会有临界现象，此时要采用假设法或极限分析法，看物体以不同的加速度运动时，会有哪些现象发生，尽快找出临界点，求出临界条件,考点3 动力学中的临界极值问题,1接触与脱离的临界条件：弹力N0. 2相对滑动的临界条件：静摩擦力达到最大值 3绳子断裂与松弛的临界条件：绳子所能承受的张力是有限的，绳子断与不断的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛的临界条件是FT0. 4加速度最大与速度最大的临界条件：所受合外力最大时，具有最大加速度；合外力最小时，具有最小加速度当出现速度有最大值或最小值的临界条件时，物体处于临界状态，所对应的加速度为零或最大,例3 如图所示，质量为m1 kg的物块放在倾角为37的斜面体上，斜面质量为M2 kg，斜面与物块间的动摩擦因数为0.2，地面光滑，现对斜面体施一水平推力F，要使物块m相对斜面静止，试确定推力F的取值范围(g10 m/s2),思路剖析：此题有两个临界条件，当推力F较小时，物块有相对斜面向下运动的可能性，此时物块受到的摩擦力沿斜面向上；当推力F较大时，物块有相对斜面向上运动的可能性，此时物块受到的摩擦力沿斜面向下找准临界状态是求解此题的关键 【答案】14.4 NF33.6 N,【解析】设物块处于相对斜面向下滑动的临界状态时的推力为F1，此时物块受力如图所示，取加速度的方向为x轴正方向 对物块分析，在水平方向有 Nsin Ncos ma1 竖直方向有Ncos Nsin mg0 对整体有F1(Mm)a1代入数值得 a14.8 m/s2，F114.4 N,设物块处于相对斜面向上滑动的临界状态时的推力为F2，对物块分析，在水平方向有 Nsin Ncos ma2 竖直方向有 Ncos Nsin mg0 对整体有F2(Mm)a2 代入数值得a211.2 m/s2，F233.6 N 综上所述可知推力F的取值范围为14.4 NF33.6 N.,At0时刻，A、B间的静摩擦力最大，加速度最小 Bt0时刻，A、B的速度最大 C0时刻和2t0时刻，A、B间的静摩擦力最大 D2t0时刻，A、B离出发点最远，速度为0 【答案】BCD,【解析】t0时刻，A，B受力F为0，A，B加速度为0，A，B间静摩擦力为0，加速度最小，选项A错误；在0至t0过程中，A，B所受合外力逐渐减小，即加速度减小，但是加速度与速度方向相同，速度一直增加，t0时刻A，B速度最大，选项B正确；0时刻和2t0时刻A，B所受合外力F最大，故A，B在这两个时刻加速度最大，为A提供加速度的A，B间静摩擦力也最大，选项C正确；A，B先在F的作用下加速，t0后F反向，A、B继而做减速运动，到2t0时刻，A，B速度减小到0，位移最大，选项D正确,解决此类问题重在形成清晰的物理图景，分析清楚物理过程，从而找出临界条件或达到极值的条件，要特别注意可能出现的多种情况,1模型特点 涉及两个物体，并且物体间存在相对滑动 2两种位移关系 滑块由滑板的一端运动到另一端的过程中，若滑块和滑板同向运动，位移之差等于板长；反向运动时，位移之和等于板长,微课堂 滑块、滑板组合模型问题,3解题思路 (1)审题建模：求解时应先仔细审题，清楚题目的含义、分析清楚每一个物体的受力情况和运动情况 (2)求加速度：准确求出各物体在各运动过程的加速度(注意两过程的连接处加速度可能突变) (3)明确关系：找出物体之间的位移(路程)关系或速度关系是解题的突破口求解中更应注意联系两个过程的纽带，每一个过程的末速度是下一个过程的初速度,例4 一长木板在水平地面上运动，在t0时刻将一相对于地面静止的物块轻放到木板上，以后木板运动的速度时间图象如图所示已知物块与木板的质量相等，物块与木板间及木板与地面间均有摩擦物块与木板间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，且物块始终在木板上取重力加速度的大小g10 m/s2，求： (1)物块与木板间、木板与地面间的动摩擦因数； (2)从t0时刻到物块与木板均停止运动时，物块相对于木板的位移的大小 审题突破：物块和木板达到共同速度前，两者受力情况如何？运动情景又是怎样的？物块和木板达到共同速度后，两者受力情况又如何？运动情景又是怎样的？ 【答案】(1)0.20 0.30 (2)1.125 m,【解析】(1)从t0时开始，木板与物块之间的摩擦力使物块加速，使木板减速，此过程一直持续到物块和木板具有共同速度为止 由图可知，在t10.5 s时，物块和木板的速度相同设t0到tt1时间间隔内，物块和木板的加速度大小分别为a1和a2，则,(1)小滑块与木板之间的滑动摩擦因数1以及木板与地面的滑动摩擦因数2； (2)若水平恒力F27.8 N，且始终作用在木板M上，当小滑块m从木板上滑落时，经历的时间为多长？ 【答案】(1)0.4 0.1 (2)2 s,1模型特征 一个物体以速度v0(v00)在另一个匀速运动的物体上运动的力学系统可看作“传送带”模型，如图甲、乙、丙所示,微课堂 传送带模型问题分析,甲 乙 丙,2建模指导 (1)水平传送带问题：求解的关键在于对物体所受的摩擦力进行正确的分析判断判断摩擦力时要注意比较物体的运动速度与传送带的速度，也就是分析物体在运动位移x(对地)的过程中速度是否和传送带速度相等物体的速度与传送带速度相等的时刻就是物体所受摩擦力发生突变的时刻 (2)倾斜传送带问题：求解的关键在于认真分析物体与传送带的相对运动情况，从而确定其是否受到滑动摩擦力作用. 如果受到滑动摩擦力作用应进一步确定其大小和方向，然后根据物体的受力情况确定物体的运动情况当物体速度与传送带速度相等时，物体所受的摩擦力有可能发生突变,例5 一水平传送带以2.0 m/s的速度顺时针传动，水平部分长为2.0 m其右端与一倾角为37的光滑斜面平滑相连，斜面长为0.4 m，一个可视为质点的物块无初速度地放在传送带最左端，已知物块与传送带间动摩擦因数0.2, 试问：,(1)物块能否到达斜面顶端？若能则说明理由，若不能则求出物块沿斜面上升的最大距离 (2)物块从出发到4.5 s末通过的路程(sin 370.6，g取10 m/s2) 审题突破：物块在水平传送带上如何运动？物块沿斜面上滑的最大位移与斜面的长度之间是什么关系？若沿斜面上滑的最大位移小于斜面长度，物块能否沿斜面下滑回到传送带？,练5 (2017届北京重点高中检测)如图所示，足够长的传送带与水平面夹角为，以速度v0逆时针匀速转动在传送带的上端轻轻放置一个质量为m的小木块，小木块与传送带间的动摩擦因数tan ，则图中能客观地反映小木块的速度随时间变化关系的是( ) 【答案】B,分析传送带问题要注意抓住两个关键时刻：一是初始时刻，根据物体速度v物和传送带速度v传的关系确定摩擦力的方向，二是当v物v传时(速度相等是解决问题的转折点)，判断物体能否与传送带保持相对静止,热点题组一 超重、失重 1(2017届贵州五校联考)如图所示，与轻绳相连的物体A和B跨过定滑轮，质量mAmA g CTmB g DTmB g 【答案】B 【解析】物体A向上加速运动，物体B向下加速运动，因此A处于超重状态，TmAg，B处于失重状态，TmB，故B项正确,模拟精选 组合专练,【答案】D,【答案】BC,甲 乙,4(2017届宿迁模拟)如图所示，在光滑的水平面上有一段长为L，质量分布均匀的绳子，绳子在水平向左的恒力F作用下做匀加速直线运动绳子上某一点到绳子右端的距离为x，设该处的张力为T，则能正确描述T与