高考物理一轮复习 第三章 牛顿运动定律 第2讲 两类动力学问题 超重与失重课件.ppt

课标版物理 第2讲两类动力学问题超重与失重 一 应用牛顿第二定律解决的两类问题1 已知物体的受力情况 求解物体的运动情况解这类题目 一般是应用牛顿运动定律求出物体的 再根据物体的初始条件 应用运动学公式 求出物体运动的情况 2 已知物体的运动情况 求解物体的受力情况解这类题目 一般是应用运动学公式求出物体的 再应用牛顿第二定律求出物体所受的合外力 进而求出物体所受的 加速度 加速度 其他外力 自测1 2015河北正定模拟 17 质量不可忽略的小球与轻质弹簧相连 穿在光滑的杆上 杆与水平面的夹角为45 弹簧下端固定于杆上 初始系统静止 现在将系统以加速度g向右做匀加速运动 当地重力加速度为g 则 a 静止时 弹簧的弹力等于小球重力的一半b 静止时 杆的弹力小于弹簧的弹力c 加速时 弹簧的弹力等于零d 加速时 弹簧的形变量是静止时的2倍答案c根据力的平衡 当系统静止时 小球受弹簧的弹力f mgsin45 mg 此时杆对小球的弹力fn mgcos45 mg 与弹簧弹力大小相等 所以a b项均错 当系统以加速度g向右做匀加速运动时 对小球受力分析如图 则可知此时弹簧弹力为0 所以c项正确 d项错误 a 0b gsin c gtan d 自测2 2015江西南昌一模 15 如图所示 质量为m的小球一端用轻质细绳连在竖直墙上 另一端用轻质弹簧连在天花板上 轻绳处于水平位置 弹簧与竖直方向夹角为 已知重力加速度为g 则在剪断轻绳瞬间 小球加速度的大小为 答案c绳子被剪断瞬间 重力和弹簧弹力都不变 此时合力等于平衡时水平绳的拉力 f合 mgtan 方向是水平向右 则加速度大小a gtan c正确 二 超重和失重1 实重和视重 1 实重 物体实际所受的重力 它与物体的运动状态 2 视重 当物体在 方向上有加速度时 物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的 此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重 无关 竖直 重力 2 超重 失重和完全失重的比较 自测3某研究性学习小组用实验装置模拟火箭发射卫星 火箭点燃后从地面竖直升空 燃料燃尽后火箭的第一级和第二级相继脱落 实验中测得卫星竖直方向的速度 时间图像如图所示 设运动中不计空气阻力 燃料燃烧时产生的推力大小恒定 下列判断正确的是 a t2时刻卫星到达最高点 t3时刻卫星落回地面b 卫星在0 t1时间内的加速度大于t1 t2时间内的加速度c t1 t2时间内卫星处于超重状态d t2 t3时间内卫星处于超重状态 答案c卫星在0 t3时间内速度方向不变 一直向上 在t3时刻到达最高点 a错误 v t图线的斜率表示卫星的加速度 由图可知 t1 t2时间内卫星的加速度大 b错误 t1 t2时间内 卫星的加速度竖直向上 处于超重状态 t2 t3时间内 卫星的加速度竖直向下 处于失重状态 故c正确 d错误 自测4 2014北京理综 18 6分 应用物理知识分析生活中的常见现象 可以使物理学习更加有趣和深入 例如平伸手掌托起物体 由静止开始竖直向上运动 直至将物体抛出 对此现象分析正确的是 a 手托物体向上运动的过程中 物体始终处于超重状态b 手托物体向上运动的过程中 物体始终处于失重状态c 在物体离开手的瞬间 物体的加速度大于重力加速度d 在物体离开手的瞬间 手的加速度大于重力加速度答案d物体由静止开始向上运动时 物体和手掌先一起加速向上 物体处于超重状态 之后物体和手掌分离前 应减速向上 物体处于失重状态 故a b均错误 当物体和手分离时 二者速度相同 又因均做减速运动 故分离条件为a手 a物 分离瞬间物体的加速度等于重力加速度 则手的加速度大于重力加速度 选项d正确 c错误 考点一两类动力学问题1 物体运动性质的判断方法 1 明确物体的初始运动状态 v0 2 明确物体的受力情况 f合 3 根据物体做各种性质运动的条件即可判定物体的运动情况 加速度变化情况及速度变化情况 2 解决两类动力学基本问题的思路 典例1如图所示 航空母舰上的起飞跑道由长度为l1 1 6 102m的水平跑道和长度为l2 20m的倾斜跑道两部分组成 水平跑道与倾斜跑道末端的高度差h 4 0m 一架质量为m 2 0 104kg的飞机 其喷气发动机的推力大小恒为f 1 2 105n 方向与速度方向相同 在运动过程中飞机受到的平均阻力大小为飞机重力的0 1倍 假设航母处于静止状态 飞机质量视为不变并可看成质点 取g 10m s2 1 求飞机在水平跑道上运动的时间及到达倾斜跑道末端时的速度大小 2 为了使飞机在倾斜跑道的末端达到起飞速度100m s 外界还需要在整个水平轨道对飞机施加助推力 求助推力f推的大小 答案 1 8 0s41 5m s 2 5 175 105n解析 1 飞机在水平跑道上运动时 水平方向受到推力与阻力作用 设加速度大小为a1 末速度大小为v1 运动时间为t1 有f合 f ff ma1 2a1l1v1 a1t1 v0 0 ff 0 1mg解得a1 5 0m s2 v1 40m s t1 8 0s飞机在倾斜跑道上运动时 沿倾斜跑道受到推力 阻力与重力沿倾斜跑道的分力作用 设沿倾斜跑道方向的加速度大小为a2 末速度大小为v2 有 f合 f ff fgx ma2fgx mgsin mg 4 0 104n 2a2l2注意到v1 40m s解得a2 3 0m s2v2 m s 41 5m s 2 飞机在水平跑道上运动时 水平方向受到推力 助推力与阻力作用 设加速度大小为a1 末速度大小为v1 则有f合 f推 f ff ma1 v1 2 2a1 l1 飞机在倾斜跑道上运动时 沿倾斜跑道受到推力 阻力与重力沿倾斜跑道的分力作用没有变化 加速度大小a2 3 0m s2v2 2 v1 2 2a2 l2根据题意知v2 100m s解得f推 5 175 105n 本题第 1 问属于 已知物体受力情况求运动情况 第 2 问属于 已知物体运动情况求受力情况 正交分解法是解决多个共点力的动力学问题的基本方法 解题的关键是合理建立坐标系 尽可能少地进行矢量的分解 通常有以下两种分解方式 分解力而不分解加速度 此法一般规定加速度的方向为x轴正方向 分解加速度而不分解力 此法一般是以某个力的方向为x轴正方向 1 1 2015安徽示范性高中第二次联考 如图 在水平地面上内壁光滑的车厢中两正对竖直面ab cd间放有半球p和光滑均匀圆球q 质量分别为m m 当车向右做加速度为a的匀加速直线运动时 p q与车厢三者相对静止 球心连线与水平方向的夹角为 则q受到cd面的弹力fn和p受到ab面的弹力fn 分别是 a fn fn mgcot b fn mgcot mafn mgcot mac fn mgcot mafn mgcot ma d fn mgcot mafn mgcot ma 答案d隔离光滑均匀圆球q 对q受力分析如图所示 可得mgcot fn ma 可得fn mgcot ma 对两球所组成的整体有fn fn m m a 解得fn mgcot ma d正确 1 2如图所示 某商场内扶梯与水平面夹角为 30 质量为60kg的人站在扶梯的水平台阶上 当扶梯以2m s2的加速度斜向上运动时 求人对扶梯的压力和人所受到的摩擦力各是多少 答案660n60n解析对人受力分析 他受到重力mg 支持力fn和摩擦力ff作用 如图甲 所示 取水平向右为x轴正向 竖直向上为y轴正向 将加速度如图乙所示分解 由牛顿第二定律得ff macos fn mg masin 解得 fn 660n ff 60n 由牛顿第三定律知 人对扶梯的压力大小是660n 考点二超重与失重1 超重 失重不是重力增加或减少了 而是重力用作其他用途 对水平支持面的压力或对竖直悬线的拉力变大或变小了 重力的大小是没有变化的 仍为mg 2 超重 失重与物体的速度无关 只取决于物体的加速度方向 3 对系统超重 失重的判定不能只看某一物体 要综合分析 某一物体的加速运动会不会引起其他物体运动状态的变化 例如台秤上放一容器 一细线拴一木球 线另一端拴于盛水容器的底部 剪断细线 木球加速上升同时有相同体积的水以相同的加速度在加速下降 综合起来 台秤示数会减小 若不能注意到这一点 会得出相反的错误结论 4 在完全失重的状态下 由重力产生的一切物理现象都会消失 如单摆停摆 天平失效 浸没于液体中的物体不再受浮力 水银气压计失效等 但测力的仪器弹簧测力计是可以使用的 因为弹簧测力计是根据f kx制成的测力工具 并非只能测量重力 典例2 2015海南单科 9 5分 多选 如图 升降机内有一固定斜面 斜面上放一物块 开始时 升降机做匀速运动 物块相对于斜面匀速下滑 当升降机加速上升时 a 物块与斜面间的摩擦力减小b 物块与斜面间的正压力增大c 物块相对于斜面减速下滑d 物块相对于斜面匀速下滑 答案bd当升降机匀速运动 物块相对于斜面匀速下滑时有 mgsin mgcos 则 tan 为斜面倾角 当升降机加速上升时 设加速度为a 物块处于超重状态 超重ma 物块 重力 变为g mg ma 支持力变为n mg ma cos mgcos b对 重力 沿斜面向下的分力g下 mg ma sin 沿斜面的摩擦力变为f n mg ma cos mgcos a错误 f mg ma cos tan mg ma cos mg ma sin g下 所以物块仍沿斜面匀速运动 d对 c错误 关于超重 失重问题要注意以下规律的灵活应用 1 物体在竖直方向上有加速度 物体即处于超重或失重状态 2 物体加速度在竖直方向有分量 物体也是处于超重或失重状态 3 如果物体组中有一个物体处于超重状态 会使得整体对外的压力大于整体的重力 同理 如果物体组中有一个物体处于失重状态 会使得整体对外的压力小于整体的重力 2 1 2015河北衡水中学模拟 如图所示是滑梯简化图 一小孩从滑梯上a点开始无初速度下滑 在ab段匀加速下滑 在bc段匀减速下滑 滑到c点恰好静止 整个过程中滑梯保持静止状态 假设小孩在ab段和bc段滑动时的动摩擦因数分别为 1和 2 ab与bc长度相等 则 a 整个过程中地面对滑梯始终无摩擦力作用b 动摩擦因数 1 2 2tan c 小孩从滑梯上a点滑到c点先超重后失重d 整个过程中地面对滑梯的支持力始终等于小孩和滑梯的总重力 答案b将小孩和滑梯看做一整体 因小孩在竖直方向上有加速度 则整体在小孩加速和减速下滑的两个过程中 先失重后超重 地面对其的支持力与总重力都不相等 水平方向上加速度先向右后向左 故地面与滑梯之间存在摩擦力 由于ab和bc长度相等 a c两点速度均为零 则有a1 a2 即gsin 1gcos 2gcos gsin 可得 1 2 2tan 只有选项b正确 考点三多过程问题1 多过程问题很多动力学问题中涉及多个连续的运动过程 物体在不同的运动阶段 物体的运动情况和受力情况都发生了变化 这类问题称为牛顿运动定律中的多过程问题 2 类型多过程问题可根据涉及物体的多少分为单体多过程问题和多体多过程问题 3 解题策略 1 任何多过程的复杂物理问题都是由很多简单的小过程构成 有些是承上启下 上一过程的结果是下一过程的已知 这种情况 一步一步完成即可 2 有些是树枝型 告诉的只是旁支 要求的是主干 或另一旁支 这就要求仔细审题 找出各过程的关联 按顺序逐个分析 对于每一个研究过程 选择什么规律 应用哪一个运动学公式要明确 3 注意两个过程的连接处 通常加速度可能突变 但速度不会突变 速度是联系前后两个阶段的桥梁 典例3如图 质量m 2kg的物体静止于水平地面的a处 a b间距l 20m 用大小为30n 沿水平方向的外力拉此物体 经t0 2s拉至b处 已知cos37 0 8 sin37 0 6 取g 10m s2 1 求物体与地面间的动摩擦因数 2 用大小为30n 与水平方向成37 的力斜向上拉此物体 使物体从a处由静止开始运动并能到达b处 求该力作用的最短时间t 答案 1 0 5 2 1 03s解析 1 物体做匀加速运动l aa m s2 10m s2由牛顿第二定律f f maf 30n 2 10n 10n 0 5 2 方法一f作用的最短时间为t 设物体先以大小为a1的加速度匀加速时间t 撤去外力后 以大小为a2的加速度匀减速时间t 到达b处 速度恰为0 由牛顿第二定律fcos37 mg fsin37 ma1a1 g 11 5m s2a2 g 5m s2由于匀加速阶段的末速度即为匀减速阶段的初速度 因此有a1t a2t t t t 2 3t l a1t2 a2t 2t s 1 03s方法二力f作用的最短时间为t 设相应的位移为s 物体到达b处速度恰为0 由动能定理 fcos37 mg fsin37 s mg l s 0s m 6 06m由牛顿第二定律fcos37 mg fsin37 maa g 11 5m s2 s at2t s 1 03s 对于多过程问题 一般按照时间顺序划分运动过程 把复杂过程拆分成多个简单的过程 对每个过程进行受力分析 要注意不同过程之间的连接条件 如前一过程的末速度就是下一过程的初速度 3 1 2015江苏无锡模拟 13 如图所示 长s 5m 倾角 37 的斜面各通过一小段光滑圆弧与水平传送带和水平地面平滑连接 传送带长l 1 6m 以恒定速率v0 4m s逆时针运行 将一可看做质点的物块轻轻地放在传送带右端a处 物块滑到传送带左端时恰好与传送带共速并沿斜面下滑 已知物块和传送带 斜面 水平地面间的动摩擦因数都为 物块最终静止在水平地面上的