新版高一物理竞赛讲义

1 高中物理高中物理 竞赛辅导竞赛辅导 力学部分力学部分 目录目录 第一讲 力学中的三种力 第二讲 共点力作用下物体的平衡 第三讲 力矩 定轴转动物体的平衡条件 重心 第四讲 一般物体的平衡 稳度 第五讲 运动的基本概念 运动的合成与分解 第六讲 相对运动与相关速度 第七讲 匀变速直线运动 第八讲 抛物的运动 第九讲 牛顿运动定律 动力学 第十讲 力和直线运动 第十一讲 质点的圆周运动 刚体的定轴转动 第十二讲 力和曲线运动 第十三讲 功和功率 第十四讲 动能定理 第十五讲 机械能 功能关系 第十六讲 动量和冲量 第十七讲 动量守恒 动量守恒 练习题 第十八讲 碰撞 碰撞 专题练习题 第十九讲 动量和能量 动量与能量 专题练习题 第二十讲 机械振动 机械振动 专题练习 第二十一 讲机械波 第二十二讲 驻波和多普勒效应 2 第一第一讲讲 力学中的三种力力学中的三种力 知识要点 一 重力 重力大小 G mg 方向竖直向下 一般来说 重力是万有引力的一个分力 静止在地 球表面的物体 其万有引力的另一个分力充当物体随地球自转的向心力 但向心力极小 二 弹力 1 弹力产生在直接接触又发生非永久性形变的物体之间 或发生非永久性形变的物体 一部分和另一部分之间 两物体间的弹力的方向和接触面的法线方向平行 作用点在两物 体的接触面上 2 弹力的方向确定要根据实际情况而定 3 弹力的大小一般情况下不能计算 只能根据平衡法或动力学方法求得 但弹簧弹力 的大小可用 f kx k 为弹簧劲度系数 x 为弹簧的拉伸或压缩量 来计算 在高考中 弹簧弹力的计算往往是一根弹簧 而竞赛中经常扩展到弹簧组 例如 当 劲度系数分别为 k1 k2 的若干个弹簧串联使用时 等效弹簧的劲度系数的倒数为 即弹簧变软 反之 若以上弹簧并联使用时 弹簧的劲度系数为 n kkk 1 11 1 k k1 kn 即弹簧变硬 k k1 kn适用于所有并联弹簧的原长相等 弹簧原长不相等时 应具体考虑 长为的弹簧的劲度系数为 k 则剪去一半后 剩余的弹簧的劲度系数为 2k 0 L 2 0 L 三 摩擦力 1 摩擦力 一个物体在另一物体表面有相对运动或相对运动趋势时 产生的阻碍物体相对运动或 相对运动趋势的力叫摩擦力 方向沿接触面的切线且阻碍物体间相对运动或相对运动趋势 2 滑动摩擦力的大小由公式 f N 计算 3 静摩擦力的大小是可变化的 无特定计算式 一般根据物体运动性质和受力情况 分析求解 其大小范围在 0 f fm之间 式中 fm为最大静摩擦力 其值为 fm sN 这里 s 为最大静摩擦因数 一般情况下 s略大于 在没有特别指明的情况下可以认为 s 4 摩擦角 将摩擦力 f 和接触面对物体的正压力 N 合成一个力 F 合力 F 称为全反力 在滑动摩 NF F fm f0 3 擦情况下定义 tg f N 则角 为滑动摩擦角 在静摩擦力达到临界状态时 定义 tg 0 s fm N 则称 0为静摩擦角 由于静摩擦力 f0属于范围 0 f fm 故接触面作用于物 体的全反力同接触面法线的夹角 0 这就是判断物体不发生滑动的条件 F N f tg 01 换句话说 只要全反力的作用线落在 0 0 范围时 无穷大的力也不能推动木块 F 这种现象称为自锁 本节主要内容是力学中常见三种力的性质 在竞赛中以弹力和摩擦力尤为重要 且易 出错 弹力和摩擦力都是被动力 其大小和方向是不确定的 总是随物体运动性质变化而 变化 弹力中特别注意轻绳 轻杆及胡克弹力特点 摩擦力方向总是与物体发生相对运动 或相对运动趋势方向相反 另外很重要的一点是关于摩擦角的概念 及由摩擦角表述的物 体平衡条件在竞赛中应用很多 充分利用摩擦角及几何知识的关系是处理有摩擦力存在平 衡问题的一种典型方法 典型例题典型例题 例题例题 1 如图所示 一质量为 m 的小木块静止在滑动摩擦因数为 的水平面上 3 3 用一个与水平方向成 角度的力 F 拉着小木块做匀速直线运动 当 角为多大时力 F 最小 例题例题 2 如图所示 有四块相同的滑块叠放起来置于水平桌面上 通过细绳和定滑轮 相互联接起来 如果所有的接触面间的摩擦系数均为 每一滑块的质量均为 m 不计 滑轮的摩擦 那么要拉动最上面一块滑块至少需要多大的水平拉力 如果有 n 块这样的滑 块叠放起来 那么要拉动最上面的滑块 至少需多大的拉力 例题例题 3 如图所示 一质量为 m 1 的小物块 P 静止在倾角为 30 的斜面上 用 平行于斜面底边的力 F 5N 推小物块 使小物块恰好在斜面上匀速运动 试求小物块与 斜面间的滑动摩擦因数 g 取 10m s2 F P F 4 练习练习 1 如图所示 C 是水平地面 A B 是两个长方形物块 F 是作用在物块 B 上沿水平 方向的力 物块 A 和 B 以相同的速度作匀速直线运动 由此可知 A B 间的滑动摩擦因数 1和 B C 间滑动摩擦因数 2有可能是 A 1 0 2 0 B 1 0 2 0 C 1 0 2 0 D 1 0 2 0 2 如图所示 水平面上固定着带孔的两个挡板 一平板穿过挡板的孔匀速向右运动 槽中间有一木块置于平板上 质量为 m 已知木板左 右两侧面光滑 底面与平板之间摩擦因数为 当用力 F 沿槽方向匀速拉动物体时 拉力 F 与摩擦力 mg 大小关系是 A F mg B F mg C F mg D 无法确定 3 每根橡皮条长均为 l 3m 劲度系数为 k 100N m 现将三根橡皮条首尾相连成如图 所示的正三角形 并用同样大小的对称力拉它 现欲使橡皮条所围成的面积增大一倍 则拉力 F 应为多大 4 两本书 A B 交叉叠放在一起 放在光滑水平桌面上 设每页书的质量为 5 克 两 本书均为 200 页 纸与纸之间的摩擦因数为 0 3 A 固定不动 用水平力把 B 抽出来 求水平力 F 的最小值 A B F C F FF V0 F A B F 5 5 90 国际奥赛题 哥伦比亚 一个弹簧垫 如图所示 由成对的弹簧组成 所有 的弹簧具有相同的劲度系数 10N m 一个重为 100N 的重物置于垫上致使该垫的表面位 置下降了 10cm 此弹簧垫共有多少根弹簧 假设当重物放上后所有的弹簧均压缩相 同的长度 6 第三届全国预赛 如图所示用力 F 推一放在水平地面上的木箱 质量为 M 木箱与地面 间摩擦因数为 问 当力 F 与竖直成夹角 多大时 力 F 再大也无法推动木箱 6 第第二二讲讲 共点力作用下物体的平衡 共点力作用下物体的平衡 一 力的运算法则 1 力的平行四边形定则 是所有矢量合成与分解所遵循的法则 2 力的三角形定则 两个矢量相加将两个力首尾相连 连接剩余的两个端点的线段表 示合力的大小 合力的方向由第一个矢量的始端指向第二个矢量的末端 如图 1 1 1 所 示 两个矢量相减 将这两个力的始端平移在一起 连接剩余的两个端点的线段即为 这两个力的差矢量的大小 差矢量的方向指向被减矢量 如图 1 1 2 所示 二 平行力的合成与分解 同向平行力的合成 两个平行力 FA和 FB相距 AB 则合力 F 的大小为 FA FB 作用点 C 满足 FA AC FB BC 的关系 反向平行力的合成 两个大小不同的反向平行力 FA和 FB FA FB 相距 AB 则 合力 F 的大小为 FA FB同向 作用点 C 满足 FA AC FB BC 的关系 三 共点力作用下物体平衡条件 这些力的合力为零 即 F 0 四 三力汇交原理 若一个物体受三个非平行力作用而处于平衡状态 则这三个力必为共点力 五 受力分析 ACB FA F FB 图 1 1 3 A B C F FA FB 图 1 1 4 F F1 F2 F F1 F2 图 1 1 1图 1 1 2 21 FFF 12 FFF 7 1 受力分析的地位 物体的受力分析是高中物理中一个至关重要的知识 它贯穿 高中物理的全过程 是学好力学知识的基础 2 受力分析的顺序 一重二弹三摩擦 四其它 要防多画 少画 错画 3 受力分析时常用方法 整体法 隔离法 假设法 4 受力分析时常用的计算工具 平行四边形定则 正交分解法 二力平衡 作 用力与反作用力定律 本节内容重点是充分运用共点力平衡条件及推论分析和计算处于平衡态下物体受 力问题 竞赛中还应掌握如下内容和方法 力的矢量三角形法 物体受三个共点力 作用而平衡时 这三力线相交 构成首尾相连封闭的三角形 问题化为解三角形 从 而使问题得以简化 摩擦平衡问题 由临界状态寻求突破口 竞赛中物体受力由 一维向二维或三维拓展 空间力系平衡问题转化为平面力系平衡问题求解 例题例题 1 如右图所示 匀质球质量为 M 半径为 R 匀质 棒 B 质量为 m 长度为 l 求它的重心 解 第一种方法是 将它分隔成球和棒两部分 然后用 同向平行力合成的方法找出重心 C C 在 AB 连线上 且 AC M BC m 第二种方法是 将棒锤看成一个对称的 哑铃 和一个质 量为 M 的球的合成 用反向平行力合成的方法找出重 A 心 C C 在 AB 连线上 且 BC 2M m M C A 不难看出两种方法的结果都是 mM l RM BC 2 例题例题 2 如图所示 一轻绳跨过两个等高的轻定滑 轮 不计大小和摩擦 两端分别挂上质量为 m1 4kg 和 m2 2kg 的物体 如图 在滑 轮间绳上悬挂物体 m 为了使三个物体能保持平衡 则 m 的取值范围多大 R A B AB C mg Mg M m g R l 2 2 1 m1 m m2 A C B A C 2M m g Mg F 8 例题例题 3 如图所示 直角斜槽间夹角为 90 对水平面的夹角为 一横截面 为正方形的物块恰能沿此槽匀速下滑 假定两槽面的材料和表面情况相同 试求物块 与槽面间的滑动摩擦因数 多大 例题例题 4 如图所示 三个相同的光滑圆柱体 半径为 r 推放在光滑圆柱面内 试求下面两个圆柱体不致分开时 圆柱面的半径 R 应满足的条件 练习练习 1 如图所示 长为 L 5m 的细绳两端分别系于竖直地面上相距 X 4m 的两杆的顶 端 A B 绳上挂一光滑的轻质挂钩 下端连着一个重为 G 12N 的重物 平衡时绳中 张力 T 等于多少牛顿 r R A B 9 2 如图所示 小圆环重为 G 固定的大环半径为 R 轻弹簧原长为 l l 2R 其 劲度系数为 k 接触光滑 则小环静止时弹簧与竖直方向的夹角 应为多大 3 如图所示 一轻杆两端固结两个小球 A 和 B A B 两球质量分别为 4m 和 m 轻绳长为 L 求平衡时 OA OB 分别为多长 不计绳与滑轮间摩擦 4 如图所示 n 个完全相同的正方体木块一个紧挨一个排列成一条直线放在水 平地面上 正方体木块与水平地面的滑动摩擦因数为 现用一水平力 F 推第一块木 块 使这 n 块木块一起做匀速直线运动 则第 k 块木块对第 k 1 块木块的作用力为多 大 5 如图所示 物体 m 在与斜面平行的拉力 F 作用下 沿斜面匀速上滑 在这过 程中斜面在水平地面上保持静止 已知物体 斜面的质量分别为 m M 斜面倾角为 试求 1 斜面所受地面的支持力 2 斜面所受地面的摩擦力 4mg mg A B O A B O C m M F F 1234n 10 第第三三讲讲 力矩 定轴转动物体的平衡条件 重心 力矩 定轴转动物体的平衡条件 重心 知识要点 一 力臂 从转动轴到力的作用线的垂直距离叫力臂 二 力矩 力和力臂的乘积叫力对转动轴的力矩 记为 M FL 单位 牛 米 一 般规定逆时针方向转动为正方向 顺时针方向转动为负方向 三 有固定转轴物体的平衡条件 作用在物体上各力对转轴的力矩的代数和为零或逆时针方向力矩总是与顺时针方 向力矩相等 即 M 0 或 M逆 M顺 四 重心 物体所受重力的作用点叫重心 计算重心位置的方法 1 同向平行力的合成法 各分力对合力作用点合力矩为零 则合力作用点为重心 2 割补法 把几何形状不规则的质量分布均匀的物体分割或填补成形状规则的物 体 再由同向 或反向 平行力合成法求重心位置 见上一讲见上一讲 3 公式法 如图所示 在平面直角坐标系中 质量为 m1和 m2的 A B 两质点坐 标分别为 A x1 y1 B x2 y2 则由两物体共同组成的整体的 重心坐标为 21 2211 mm xmxm xC 21 2211 mm ymym yC 一般情况下 较复杂集合体 可看成由多个质点组成的质点系 其重心 C 位置由 如下公式求得 i ii C m xm x i ii C m ym y i ii C m zm z 本节内容常用方法有 巧选转轴简化方程 选择未知量多 又不需求解结果的 力线交点为轴 这些力的力矩为零 式子简化得多 复杂的物体系平衡问题有时巧选 对象 选整体分析 常常转化为力矩平衡问题求解 无规则形状的物体重心位置计算 A C B x y O y1 y2 yC x1x2xC 11 常用方法是通过割补思想 结合平行力合成与分解的原则处理 或者助物体重心公式计 算 例题例题 1 如图所示 c 为杆秤秤杆系统的重心 a 为杆称的定盘星 证明 无论 称杆的粗细如何变化 杆秤的刻度沿杆轴线的方向总是均匀分布的 例题例题 2 第十届全国预赛 半径为 R 质量为 m1的均匀 圆球与一质量为 m2的重物分别用细绳 AD 和 ACE 悬挂于同一点 A 并处于平衡 如图所示 已知悬点 A 到球心 O 的距离为 L 若 不考虑绳的质量和绳与球的摩擦 试求悬挂圆球的绳 AD 和竖直方 向的夹角 例题例题 3 第十届全国决赛 用 20 块质量均匀分布的相同的光滑积木块 在光 滑水平面一块叠一块地搭成单孔桥 已知每一积木块的长度为 L 横截面为的正 4 L h 方形 求此桥具有的最大跨度 即桥孔底宽 试画出该桥的示意图 并计算跨度与 桥孔高度的比值 acd o A C O O D E H S 12 练习题 练习题 1 如图所示 木棒的一端用一根足够短的绳子拴住悬挂在天花板上 另一端 搁在滑动摩擦因数为 的水平木板上 木板放在光滑的水平面上 若向右匀速拉出木 板时的水平拉力为 F1 向左匀速拉出时的水平拉力为 F2 两种情况下 木棒与木板间 的夹角均保持为 不变 试比较 F1和 F2的大小 2 99 上海 如图所示 是一种手控制动器 a 是一个转动着的轮子 b 是摩擦 制动片 C 是杠杆 O 是其固定转动轴 手在 A 点施加一作用力 F 时 b 将压紧轮子 使轮子制动 若使轮子制动需要的力矩是一定的 则下列说法正确的是 A 轮 a 逆时针转动时 所需力 F 小 B 轮 a 顺时针转动时 所需力 F 小 C 无论轮 a 逆时针还是顺时针转动所需的力 F 相同 D 无法比较力 F 的大小 3 99 上海 如图所示 质量不计的杆 O1B 和 O2A 长度均为 L O1和 O2为光滑 固定转轴 A 处有一凸起物搁在 O1B 中点 B 处用绳子系在 O2A 的中点 此时两短杆 结合成一根长杆 今在 O1B 杆上 C 点 C 为 AB 中点 悬挂重 为 G 的物体 则在 A 处受到的支承力大小为 B 处 受绳拉力大小为 4 第 7 届全国决赛 一薄壁圆柱形烧杯 半径为 r 质量为 m 重心位于中心 线上 离杯底的距离为 H 今将水慢慢注入杯中 问烧杯连同杯内的水共同重心最低 时水面离杯底的距离等于多少 设水的密度为 5 为保证市场的公平交易 我国已有不少地区禁止在市场中使用杆秤 杆秤确实 容易为不法商贩坑骗顾客提供可乘之机 请看下例 秤砣质量为 1 千克 秤杆和秤盘总质量为 0 5 千克 定盘星到提纽的距离为 2 厘米 秤盘到提纽的距离为 10 厘米 图 9 若有人换了一个质量为 0 8 千克的秤驼 售出 2 5 千克的物品 物品的实际质量是多少 a b C O A F A B C O2 O1 F1 O A B 13 6 俄罗斯奥林匹克试题 如图所示 三根相同的轻杆用铰链连接并固定在同一 水平线上的 A B 两点 AB 间的距离是杆长的 2 倍 铰链 C 上悬挂一质量为 m 的重 物 问 为使杆 CD 保持水平 在铰链 D 上应施的最小力 F 为多大 7 7 如图所示 一铰链由 2n 个相同的链环组成 每两个链环间的接触是光滑的 铰链两端分别在一不光滑的水平铁丝上滑动 它们的摩擦系数为 证明 当锁链在 铁丝上刚好相对静止时 末个链环与铅垂线交角为 12 2 1 n n tg 8 第六届预赛 有 6 个完全相同的刚性长条薄片 AiBi i 1 2 其两端下 方各有一个小突起 薄片及突起的质量均不计 现将此 6 个薄片架在一只水平的碗口 上 使每个薄片一端的小突起 Bi恰在碗口上 另一端小突起 Ai位于其下方薄片的正中 由正上方俯视如图所示 若将质量为 m 的质点放在薄片 A6B6上一点 这一点与此薄片 中点的距离等于它与小突起 A6的距离 则薄片 A6B6中点所受的 由另一薄片的小突 起 A1所施的 压力 O O A1 A2 A3 A4 A5 A6 B1 B2 B3 B4 B5 B6 AB CD m 14 第第四四讲讲 一般物体的平衡 稳度 一般物体的平衡 稳度 知识要点 一 一般物体平衡条件 一 一般物体平衡条件 受任意的平面力系作用下的一般物体平衡的条件是作用于物体的平面力系矢量和 为零 对与力作用平面垂直的任意轴的力矩代数和为零 即 F 0 M 0 若将力向 x y 轴投影 得平衡方程的标量形式 Fx 0 Fy 0 Mz 0 对任意 z 轴 二 物体平衡种类 二 物体平衡种类 1 稳定平衡 稳定平衡 当物体受微小扰动稍微偏离平衡位置时 有个力或力矩使它回到 平衡位置这样的平衡叫稳定平衡 特点 处于稳定平衡的物体偏离平衡位置的重心升 高 2 不稳定平衡 不稳定平衡 当物体受微小扰动稍微偏离平衡时 在力或力矩作用下物体偏 离平衡位置增大 这样的平衡叫不稳定平衡 特点 处于不稳定平衡的物体偏离平衡 位置时重心降低 3 随遇平衡 随遇平衡 当物体受微小扰动稍微偏平衡位置时 物体所受合外力为零 能 在新的平衡位置继续平衡 这样的平衡叫随遇平衡 特点 处于随遇平衡的物体偏离 平衡位置时重心高度不变 三三 稳稳度度 物物体体稳稳定定程程度度叫叫稳稳度度 一般来说 使一个物体的平衡遭到破坏所需的 能量越多 这个平衡的稳度越高 重心越低 底面积越大 物体稳度越高 一般物体平衡问题是竞赛中重点和难点 利用 F 0 和 M 0 二个条件 列出三 个独立方程 同时通过巧选转轴来减少未知量简化方程是处理这类问题的一般方法 对于物体平衡种类问题只要求学生能用重心升降法或力矩比较法并结合数学中微小量 的处理分析出稳定的种类即可 这部分问题和处理复杂问题的能力 如竞赛中经常出 15 现的讨论性题目便是具体体现 学生应重点掌握 例题 1 第二届全国复赛 如图所示 匀质管子AB 长为 L 重为 G 其 A 端放 在水平面上 而点C 则靠在高的光滑铅直支座上 设管子与水平面成倾角 2 L h 45 试求要使管子处于平衡时 它与水平面之间的摩擦因数的最小值 例题 2 第一届全国决赛 如图所示 有一长为 L 重为 G0的粗细均匀杆 AB A 端顶在竖直的粗糙的墙壁上 杆端和墙壁间的摩擦因数为 B 端用一强度足 够大且不可伸长的绳悬挂 绳的另一端固定在墙壁 C 点 木杆处于水平 绳和杆夹角 为 1 求杆能保持水平时 和 应满足的条件 2 若杆保持平衡状态时 在杆上某一范围内 悬挂任意重的重物 都不能破坏 杆的平衡状态而在这个范围以外 则当重物足够重时 总可以使平衡破坏 求出这个 范围来 例题 3 如图所示 三个完全相同的圆柱体叠放在水平桌面上 将 C 柱体放上 去之前 A B 两柱体接触 但无挤压 假设桌面与柱体之间的动摩擦因数为 0 柱 体与柱体之间的动摩擦因数为 若系统处于平衡状态 0和 必须满足什么条件 h B C A C AB A BC 16 练习题 1 如图所示 方桌重 100N 前后脚与地面的动摩擦因数为 0 20 桌的 宽与高相等 求 1 要使方桌匀速前进 则拉力 F 地面对前 后脚的支持力和摩擦力 各是多大 2 若前 后脚与地面间的静摩擦因数为 0 60 在方桌的前端用多大水平力拉 桌子可使桌子以前脚为轴向前翻倒 2 如图所示 重 30N 的均匀球放在斜面上 球面上 C 点以绳系住 绳与地面平 行 求绳的拉力 斜面对球的支持力和摩擦力 3 如图所示 一光滑半球形容器直径为 a 边缘恰与一光滑竖直的墙壁相切 现 有一均匀直棒 AB A 端靠在墙上 B 端与容器底相接触 当棒倾斜至水平面成 60 角 时 棒恰好平衡 求棒长 4 芬兰奥赛试题 如图所示 一均匀木板 以倾角 静止地放在二根水平固定 木棒 A 和 B 上 两棒之间距离为 d 棒与木板间静摩擦因数为 0 当木板刚好不滑动 37 C A O B A B O d A B AB F h h 17 时 求木板重心离 A 棒距离 5 如图所示 将一根长为 2L 的硬铅丝弯成等臂直角形框架 在两臂的端点各固 定一个质量为 m 的小球 在直角的顶点焊一根长为 r 的支杆 支杆平分这一顶角 将 杆支在一支座上 试证明 当时 平衡是随遇平衡 当 r 时 平衡22Lr 22L 是不稳平衡 当 r 时 平衡是稳定平衡 不计支杆 铅丝的质量 22L 6 质量为 50kg 的杆 竖直地立在水平地面上 杆与地面的最小静摩擦因数 为 0 3 杆的上端被固定在地面上的绳牵拉住 绳与杆的夹角 为 30 如图所示 1 若 水平力 F 作用在杆上 作用点到地面距离 h1为杆长 L 的 要使杆不滑 5 2 倒 则力 F 最大不超过多少 2 若作用点移到处时 情况又如何 5 4 2 L h h L F LLr O 18 第第五五讲讲 运动的基本概念 运动的合成与分解 运动的基本概念 运动的合成与分解 知识要点知识要点 平均速度 t s t xx v 0 瞬时速度 t s v t 0 lim 平均加速度 t v a 瞬时加速度 t v a t 0 lim 运动的合成与分解运动的合成与分解 一个物体同时参与几个运动时 各个分运动可以看作是独立进行的 它们互不影 响 物体的实际运动可以看成是这几个运动迭加而成的 这一原理叫运动的独立性原独立性原 理理 它是运动的合成与分解的依据 在进行运动的分解时 理论上 只要遵从平行四 边形法则 分解是任意的 而实际中既要注意分速度有无实际意义注意分速度有无实际意义 又要注意某一分 速度能否代表所要求解的分运动的速度 分运动与分运动 分运动与合运动之间除遵 从矢量运动算法则外 运动的同时性运动的同时性也是联系各个方向上的分运动和合运动的桥梁 例题 1 一物体以大小为 v1的初速度竖直上抛 假设它受到大小不变的恒定的 空气阻力的作用 上升的最大高度为 H 到最高点所用时间为 t 从抛出到回到抛出点 所用时间为 T 回到抛出点速度大小为 v2 求下列两个过程中物体运动的平均速度 平均速率 平均加速度 1 在上升过程中 2 整个运动过程中 19 例题 2 高为 H 的灯柱顶部有一小灯 灯下有一高为 h 的行人由灯柱所在位置 出发 沿直线方向在水平面上背离灯柱而去 设某时刻该人的行走速度为 v0 试求此 时行人头顶在地面的投影的前进速度 v 例题 3 如图所示 绳 AB 拉着物体 m 在水平面上运动 A 端以速度 v 做匀速 运动 问 m 做什么运动 例题 4 如图所示 两个相同的小球 A B 通过轻绳绕过定滑轮带动 C 球上升 某时刻连接 C 球的两绳夹角为 60 A B 速度均为 v 求此时 C 球的速度 m B Av AB C vv 60 H h x0 x vv0 O 20 例题 5 如图所示 一刚性杆两端各拴一小球 A B A 球在水平地面上 B 球 靠在竖直墙上 在两球发生滑动过程中 当杆与竖直夹角为 时 A 球速度为 v 求 此时 B 球的速度 班级 姓名 学号 练习 1 如图所示 细绳绕过定滑轮将重物 m 和小车连在一起 车以恒定速度 v 向右运动 当细绳与水平方向间的夹为 时 重物上升的速度是多大 重物上升的 速度和加速度如何变化 2 甲乙两船在静水中划行速度分别为 v甲 v乙 两船从同一渡口过河 若甲船以 最短时间过河 乙船以最短航程过河 结果两船在同一地点到岸 求两船过河时间之 比 乙 甲 t t B A v 21 3 如图所示 一个不透光的球壳内有一发光点 球壳可绕垂直于纸面的水平轴以 角速度 匀速转动 由于球壳上开一小孔 因而有一细束光线在竖直面内转动 在离 转轴距离为 d 处有一竖直墙 当光线与屏幕夹角为 时 屏上光斑速度为多大 4 如图所示 滑轮组中的小物体 1 2 向下的加速度分别为 a1 a2 求物体 3 向上 运动的加速度 5 如图所示 有一河面宽 L 1km 河水由北向南流动 流速 v 2m s 一人相对 于河水以 u 1m s 的速率将船从西岸划向东岸 1 若船头与正北方向成 30 角 船到达对岸要用多少时间 到达对岸时 船在下游何处 2 若要使船到达对岸的时间最短 船头应与岸成多大的角度 最短时间等于多 少 到达对岸时 船在下游何处 3 若要使船相对于岸划行的路程最短 船头应与岸成多大的角度 到达对岸时 船在下游何处 要用多少时间 L 北 东 12 3 d 22 第六第六讲讲 相对运动与相关速度 相对运动与相关速度 相对运动相对运动 运动的合成包括位移 速度和加速度的合成 一般情况下把质点对地面上静止的 物体的运动称为绝对运动 质点对运动参照系的运动称为相对运动 而运动参照系对 地的运动称为牵连运动 由坐标系的变换公式 BCCABA vvv 对对对 可得到 牵连相对绝对 vvv 位移 加速度也存在类似关系 运动的合成与分解 一般来说包含两种类型 一类是质点只有绝对运动 如平抛 物体的运动 另一类则是质点除了绝对运动外 还有牵连运动 如小船过河的运动 解题中难度较大的是后一类运动 求解这类运动 关键是列出联系各速度矢量的关系 式 准确地作出速度矢量图 例题 1 如图所示 两个边长相同的正方形线框相互叠放 且沿对角线方向 A 有向左的速度 v B 有向右的速度 2v 求交点 P 的速度 v2v AB P 23 例题 2 一人以 7m s 的速度向北奔跑时 感觉风从正西北方向吹来 当他转弯 向东以 1m s 的速度行走时 感觉风从正西南方向吹来 求风速 例题 3 一人站在到离平直公路距离为 d 50m 的 B 处 公路上有一汽车以 v1 10m s 的速度行驶 如图所示 当汽车在与人相距 L 200m 的 A 处时 人立即以 v2 3m s 的速率奔跑 为了使人跑到公路上时 能与车相遇 问 1 人奔跑的方向 与 AB 连线的夹角 为多少 2 经多长时间人赶上汽车 3 若其它条件不变 人在原处开始匀速奔跑时要与车相遇 最小速度为多少 练习 1 一艘船在河中逆流而上 突然一只救生圈掉入水中顺流而下 经过 t0 时间后 船员发现救生圈掉了 立即掉转船头去寻找丢失的救生圈 问船掉头后要多 长时间才能追上救生圈 2 平面上有两直线夹角为 0 0 求飞机上升到 H 高空的最小耗油量 Q 和 所对应的加速度 练习 1 一物体做匀加速度直线运动 在某时刻的前 t1 s 内的位移大小为 s1 m 在此时刻的后 t2 s 内的位移大小为 s2 m 求物体加速度的大小 2 一皮球自 h 高处自由落下 落地后立即又竖直跳起 若每次跳起的速度是落地 29 速度的一半 皮球从开始下落到最后停止运动 行驶的路程和运动的时间各是多少 不计空气阻力 不计与地面碰撞的时间 3 一固定的直线轨道上 A B 两点相距 L 将 L 分成 n 等分 令质点从 A 点出 发由静止开始以恒定的加速度 a 向 B 点运动 当质点到达每一等分段时它的加速度增 加 试求质点到达 B 点时的速度 vB n a 4 如图所示 在倾角为 的光滑斜面顶端有一质点 A 自静止开始自由下滑 与 此同时在斜面底部有一质点 B 自静止开始以加速度 a 背向斜面在光滑的水平面上向左 运动 设 A 下滑到斜面底部能沿光滑的小弯曲部分平稳地向 B 追去 为使 A 不能追 上B 试求 a 的取值范围 5 地面上一点有物体甲 在甲的正上方距地面 H 高处有物体乙 在从静止开始 释放乙的同时 给甲一个初速度竖直上抛 问 1 为使甲在上升阶段与乙相遇 初 速度 v0为多大 2 为使甲在下落阶段与乙相遇 初速度 v0又为多大 A B 30 第第八八讲讲 抛物的运动 抛物的运动 知识要点知识要点 抛物运动 物体在地面附近不大的范围内仅在重力作用下的运动 平抛运动 物体水平抛出后的运动 斜抛运动 物体斜向上或斜向下抛出后的运动 平抛和斜抛运动的物体只受恒定的重力作用 故物体作匀变速曲线运动 其加速 度为重力加速度 g 抛体运动的求解必须将运动进行分解 一般情况下是分解为水平方向的匀速运动 和竖直方向的竖直上抛运动 则有 在水平方向 cos 0 vvx tvX cos 0 在竖直方向 gtvvy sin 0 2 0 2 1 singttvY 上式中 当 0 时 物体的运动为平抛运动 求解抛物运动 还可以采用其它的分解方法 比如将斜抛运动分解为初速度方向 的匀速运动和竖直方向上的自由落体运动 抛物运动是一般匀变速曲线运动的一个特例 其求解方法也是求解一般匀变速曲 线运动的基本方法 尽管物体速度方向是在不断变化的 但其速度变化的方向只能在 合力即重力的方向上 因此其速度变化的方向总是竖直向下的 抛物运动的共同特点是加速度相同 因此 当研究多个抛体的运动规律时 以自 由落体为参照物 则各物体的运动均为匀速直线运动 这种选择参照物的方法 能大 大简化各物体运动学量之间的联系 使许多看似复杂的问题简单 直观 31 例题例题 1 如图所示 A B 两球之间用长 L 6m 的柔软细绳相连 将两绳相隔 t0 0 8s 先后从同一地点抛出 初速均为 v0 4 5m s 求 A 球抛出多长时间后 连线被拉直 在 这段时间内 A 球离抛出点的水平距离多大 g 10m s2 例题例题 2 在与水平成 角的斜坡上的 A 点 以初速度 v0水平抛出一物体 物体落在 同一坡上的 B 点 如图所示 不计空气阻力 求 1 物体的飞行时间及 A B 间距 离 2 抛出后经多长时间物体离开斜面的距离最大 最大距离多大 例题例题 3 如图所示 树上有一只小猴子 远处一个猎人持枪瞄准猴子 当猎枪击发时 猴子看到枪口的火光后立即落下 不考虑空气阻力 已知猴子开始离枪口的水平距离 为 s 竖直高度为 h 试求当子弹初速度满足什么条件时 子弹总能击中猴子 A B v0 B s v0 h 32 练习练习 1 飞机以恒定的速度沿水平方向飞行 距地面高度为 H 在飞行过程中释 放一个炸弹 经过时间 t 飞行员听到炸弹着地后的爆炸声 设炸弹着地即刻爆炸 声 速为 v0 不计空气阻力 求飞机的飞行速度 v 2 如图所示 在离竖直墙壁 30m 的地面 向墙壁抛出一个皮球 皮球在高 10m 处刚 好与墙壁垂直碰撞 反弹后落到离墙 20m 的地面 取 g 10m s2 求皮球斜抛初速度和 落回地面时的速度 3 某同学在平抛运动实验中 得出如图所示轨迹 并量出轨迹上 a b 两点到实验开 始前所画竖直线的距离 以及 ab 间竖直高度 h 求平抛小球的初 1 Xaa 2 Xbb 速度 X1 X2 a b a b h 20m 30m 33 4 地面上的水龙头按如图所示的方式向上喷水 所有水珠喷出的初速度 v0的大小相同 但喷射角在 0 到 90 范围内不等 若喷出后水束的最高位置距地面 5m 试求水束落 地时的圆半径 5 从高 H 的一点 O 先后平抛两个小球 1 和 2 球 1 直接恰好越过竖直挡板 A 落到水 平地面上的 B 点 球 2 与地面碰撞一次后 也恰好越过竖直挡板并落在 B 点 如图所 示 设球 2 与地面碰撞遵循的规律类似反射定律 且反弹速度大小与碰撞前相同 求 竖直挡板的高度 h 6 如图所示 排球场总长为 18m 设球网高 2m 运动员站在离网 3m 的线上 如图 中虚线所示 正对网前跳起将球水平击出 球飞行中阻力不计 取 g 10m s2 1 设 击球点在 3m 线正上方且高度为 2 5m 试问击球的速度在什么范围内才能使球既不触 网也不越界 2 若击球点在 3m 线正上方的高度小于某个值 那么无论水平击球的 速度多大 球不是触网就是越界 试求这个高度 Ov A B h H 3m 18m 34 7 在掷铅球时 铅球出手时离地面高度为 h 若出手时速度为 v0 求以何角度掷铅球 时 铅球水平射程最远 最远射程多少 第第九九讲讲 牛顿运动定律 牛顿运动定律 动力学 知识要点知识要点 1 牛顿运动定律的内容 牛顿运动定律的内容 牛顿第一定律 内容 略 它反映了物体不受力时的运动状态 静止或匀速直线运动 质量是惯性大小的唯一量度 牛顿第二定律 内容 略 数学表达式 F合 ma 适用范围 惯性系 三性 矢量性 瞬时性 独立性 牛顿第三定律 内容 略 表达式 适用于惯性系 也适用于非惯性系 FF 牛顿运动定律只适用于宏观 低速的机械运动 2 物体初始条件对物体运动情况的影响 物体初始条件对物体运动情况的影响 在受力相同的情况下 物体的初始条件不同 物体的运动情况也不同 如抛体运 动 均只受重力作用 但初速度方向不同 运动情况就不同 平抛 斜抛 竖直上抛 受力情况只决定物体的加速度 物体的运动情况必须将物体的受力情况和初速度结合 一起加以考虑 3 联接体 联接体 联接体是指在某一种力的作用下一起运动的两个或两个以上的物体 解题中要根 据它们的运动情况来找出它们的加速度的关系 寻找的方法一般有两种 一种方法是 从相对运动的角度通过寻找各物体运动的制约条件 从而找出各物体运动的相对加速 35 度间的关系 另一种方法是通过分析极短时间内的位移关系 利用做匀变速运动的物 体在相同时间内位移正比于加速度这个结论 找到物体运动的加速度之间的关系 解题思路与技巧解题思路与技巧 牛顿运动定律建立了物体的受力和物体运动的加速度之间的关系 因此 应用时 分析物体的受力情况和运动情况尤为重要 同时 要注重矢量的合成和分解 相对运 动等知识的灵活运用 从而找出各物体的受力与它的加速度之间的关系 例题 1 如图所示 竖直光滑杆上有一个小球和两根弹簧 两弹簧的一端 各与小球相连 另一端分别用销钉 M N 固定于杆 小球处于静止状态 设 拔去销钉 M 瞬间 小球加速度大小为 12m s2 若不拔去销钉 M 而拔去销钉 N 瞬间 小球的加速度可能是 取 g 10m s2 A 22m s2 竖直向上 B 22m s2 竖直向下 C 2m s2 竖直向上 D 2m s2 竖直向下 例题 2 如图所示 质量为 M 10kg 的木楔 ABC 静止于粗糙的水平地面上 动摩擦 因数 0 02 在木楔的倾角 为 30 的斜面上 有一质量 m 1 0kg 的物块由静止开 始沿斜面下滑 当滑行路程 s 1 4m 时 其速度 v 1 4m s 在此过程中木楔没有动 求 地面对木楔的摩擦力的大小和方向 g 10m s2 例题 3 如图所示 质量均为 m 的两物块 A B 叠放水平桌面上 B 与桌面之间的 动摩擦因数为 1 一根轻绳绕过一动滑轮和两个定滑轮水平拉动 A B 动滑轮下面 挂一个质量为 2m 的物体 C 滑轮的质量和摩擦都可忽略 1 如果 A B 之间的摩擦力足以保证它们不发生相对滑 动 那么它们之间的摩擦力为多在 m M A CB m mA B 2m C M N 36 2 如果 A B 之间的动摩擦因数为 2 且 2无法维持 A B 相对静止 那 A B 的加速度各为多大 例题 4 如图所示 两斜面重合的木楔 ABC 和 ADC 的质量均为 M AD BC 两面 成水平 E 为质量等于 m 的小滑块 楔块的倾角为 各接触面之间的摩擦均不计 系统放在水平台角上从静止开始释放 求两斜面未分离前小滑块 E 的加速度 练习练习 1 如图所示 一轻绳两端各系重物 m1和 m2 挂在车厢内的定滑轮上 滑轮摩擦不计 m2 m1 m2静止在车厢地板上 当车厢以加速度 a 向右作匀加速运动时 m2仍在原处 不动 求此时 m2对地板的压力为多大 这时 m2与地板间的动摩擦因数至少为多大才 能维持这种状态 A B C D E m1 m2 37 2 如图所示 尖劈 A 的质量为 mA 一面靠在光滑的竖直墙上 另一面与质量为 mB的 光滑棱柱 B 接触 B 可沿光滑水平面 C 滑动 求 A B 的加速度 aA和 aB的大小及 A 对 B 的压力 3 如图所示 A B 的质量分别为 m1 1kg m2 2kg A 与小车壁的静摩擦因数 0 5 B 与小车间的摩擦不计 要使 B 与小车相对静止 小车的加速度应为多大 4 如图所示 A B 两个楔子的质量都是 8 0kg C 物体的质量为 384kg C 和 A B 的接触面与水平的夹角均为 45 水平推力 F 2920N 所有摩擦均忽略不计 求 1 A 和 C 的加速度 2 B 对 C 的作用力的大小和方向 A B A B AB C 45 45 38 5 如图所示 质量为 M 的光滑圆形滑块平放在桌面上 一细轻绳跨过此滑块后 两 端各挂一个物体 物体质量分别为 m1和 m2 绳子跨过桌边竖直向下 所有摩擦均不 计 求滑块的加速度 第第十十讲讲 力和直线运动 力和直线运动 知识要点知识要点 1 直线运动的特点 直线运动的特点 物体的 s v a 在同一直线上 当与 V 同向时 V 逐渐增大 物体做加 合 F 合 F 速运动 当与 V 反向时 V 逐渐减小 物体做减速运动 合 F 2 恒力与直线运动 恒力与直线运动 1 单个物体牛顿第二定律的分量式 2 物体系牛顿第二定律的分量式 3 变力与直线运动 变力与直线运动 1 分段运动 分段运动 在实际问题中 有时由于制约物体运动的条件发生变化而导致物体在不同阶段的 受力情况不同 这时我们可以将物体的运动分为几个阶段 虽然在物体运动的整个过 程中受力的情况发生变化 但每一阶段的运动中物体却是受到恒力的作用 是做匀变 速运动 2 变力作用下物体的运动情况分析 变力作用下物体的运动情况分析 将弹簧与物体相连时 在物体运动过程中 弹簧的弹力大小往往发生变化 这时我们 要结合物体的受力及其速度来分析物体的运动情况 尤其要抓住合外力 速度的最小最小 m1 m2 xx maF yy maF nxnxxx amamamF 2211 nynyyy amamamF 211 39 和最大和最大的状态 及合外力 速度即将反向的状态进行分析 例题 2 3 特殊变力作用下的直线运动 特殊变力作用下的直线运动 中学阶段主要研究的特殊变力有 与时间成正比的变力 与位移成正比的变力 4 临界状态分析法 临界状态分析法 如果问题中涉及到临界状态 分析时要抓住物体运动状态变化的临界点 分析在 临界点的规律和满足的条件 一般来说 当物体处于临界状态时 往往具有双重特征 如在某两个物体即将分离的临界状态 一方面相互作用的弹力为零弹力为零 分离的特征征 另 一方面又具有相同的加速度相同的加速度 没有分离的特征 练习 2 解题思路和技巧解题思路和技巧 物体做直线运动时 其速度 加速度 位移及物体所受到的合外力都在同一直线 上 竞赛中经常出现物体运动过程中受力的变化 这时要抓住物体受力变化的特点 从而分析出物体运动情况的变化 同时 注重数学归纳法 数列等数学知识在物理解 题中的应用 例题 1 水平传送带长度为 20m 以 2m s 的速度作匀速运动 已知某物体与传送带 间动摩擦因数为 0 1 如图所示 求物体轻轻放到传送带一端开始到达另一端所需的时 间 取 g 10m s2 例题 2 如图所示 质量可以不计的弹簧 平行于水平面 左端固定 右端自由 物 块停放在弹簧右端的位置 O 接触但不相挤压接触但不相挤压 现用水平力把物块从位置 O 推到位置 A 然后由静止释放 物块滑到位置 B 静止 下列说法中正确的有 A 物块由 A 到 B 速度先增大后减小 通过位置 O 的瞬时速度最大 加速度为 零 B 物块由 A 到 B 速度先增大后减小 通过 A O 之间某个位置时速度最大 加速度为零 C 物块通过位置 O 以后作匀减速直线运动 D 物块通过 A O 之间某个位置时 速度最大 随后作匀减速直线运动 例题 3 如图所示 A B 两木块质量分别为 mA和 mB紧挨着并排放在水平桌面上 A B 间的接触面是光滑的 且与水平面成 角 A B 和水平桌面之间的静摩擦因数 和动摩擦因数均为 开始时 A B 均静止 现施一水平推力 F 作用于 A 要使 A B 向右加速运动且 A B 之间不发生相对滑动 则 1 的数值应满足什么条件 v A OB 40 2 推力 F 的最大值不能超过多少 不考虑转动 例题 4 一固定的斜面 倾角 45 斜面长 L 2 00m 斜面下端有一与斜面垂直 的挡板 一质量为 m 的质点 从斜面的最高点沿斜面下滑 初速度为零 质点沿斜面 下滑到斜面最低端与挡板发生弹性碰撞 已知质点与斜面间的动摩擦因数为 0 20 试求此质点从开始运动到与挡板发生第 11 次碰撞的过程中运动的总路程 练习 1 有一个同学用如下方法测定动摩擦因数 用同种材料做成的 AB BD 平面 如图所 示 AB 面为一斜面 高为 h 长为 L1 BD 是一足够长的水平面 两面在 B 点接触 良好且为弧形 现让质量为 m 的小物块从 A 点由静止下滑 到达 B 点后顺利进入水平 面 最后滑到 C 点停止 并测量出 BC L2 小物块与两 平面的动摩擦因数相同 由以上数据可以求出物块与平 面间的动摩擦因数 2 如图所示 一个弹簧台秤的秤盘和弹簧的质量都不计 盘内放一个质量 m 12kg 并处于静止的物体 P 弹簧的劲度系数为 k 300N m 现给 P 施加 一个竖直向上的力 F 使 P 从静止开始始终向上作匀加速直线运动 在这 过程中 头 0 2s 内 F 是变力 在 0 2s 以后的 F 是恒力 取 g 10m s2 则物 体 P 做匀加速运动的加速度 a 的大小为 m s2 F 的最小值是 N 最大值是 N 3 光滑水平桌面上的厚木板质量为 M 它的上面有一个半径为 R 的球穴 如图所示 槽穴的深度为 R 2 一个半径为 R 质量为 m 的小球放在球穴中 A B 点是通过球心的竖直剖面中板面与球的接触点 试分析计 算 沿水平方向作用于木板的力 F 至少多大 球才会从球穴中翻 出来 AB F A BCD h P F AB F 41 4 如图所示 质量 M 8kg 的小车放在水平光滑的平面上 在小车右端加一水平恒力 F 8N 当小车向右运动的速度达到 1 5m s 时 在小车前端轻轻地放上一个大小不计 质量为 m 2kg 的小物块 物块与小车间的动摩擦因数 0 2 小车足够长 求从小物 块放上小车开始 经过 t 1 5s 小物块相对地通过的位移大小为多少 g 10m s2 5 如图所示 小滑块 A 叠放在长为 L 0 52m 的平板 B 左端 B 放在光滑水平桌面上 A B 两物体通过一个动滑轮和一个定滑轮和 C 物体相连 滑轮的摩擦和质