四川射洪县射洪中学物理高一竞赛《牛顿运动定律》课件

1、1中学物理奥赛解题研究2第四专题 牛顿运动定律解题知识与方法研究疑难题解答研究例题7一、加速度关联关系的寻求与利用二、平动匀加速非惯性参照系与匀 强（保守）力场的等效例题63一、加速度关联关系1、何谓加速度关联关系？ 在某些物体系统中，各物体由于特定的连接关系或者特定的几何位置关系，使系统中各物体的加速度的大小具有固定的关系.善于分析和利用这种关系对解题往往十分重要！解题知识与方法研究mMaa（3）ABAaBa（2）ABCAaBaCa（1）42、分析的方法1-1、由物体间的位移关系速度关系确定加速度的关系1-1-1、当直线运动的各物体间的位移的大小关系为线性关系时：ABrkrAArkrABak

2、aABvkvABaka对图（1）,假定相对地面 C ；则C、O相对地面有1()2COrrA、B相对动滑轮O有,ABrrA、B相对地面有：()AAOrrr ()BBOrrr 2()ABABOrrrrr于是有2()4ABOCrrrr4ABCaaa0相对于悬挂的动滑轮AB.、例如：ABCAaBaCa（1）O51-1-2、各物体非直线运动或位移大小关系为非线性关系时：需利用高等数学求导确定加速度的关系. 例如：对如图所示的半圆柱和柱面上小球的运动，便属这种情况.Faa6ABaAa（2） 例1 在如图所示的系统中，A、B两物体原来处于静止，所有接触处均无摩擦，求滑动过程中aB=?解分析A、B的受力如图.

3、BmgNMgN由牛顿运动定律cosAMgNMasinBNma需寻找aA、aB的关联关系！DE由图可知，tanCDCE所以tanABaa由方程、解出：2tan.tanBmgamM对A：对B：C 题后思考从前面第二专题中的平面运动物体接触处的速度关系方向思考本题.7 例2 如图所示的系统中滑轮与细绳的质量可忽略不计，细绳不可伸长，且与滑轮间无摩擦，三个物体的质量分别为m1、m2、m3, 它们的加速度方向按图示设定. 试求这三个加速度量a1、a2和a3.解系统中各段绳子中的张力如图.三个物体的动力学方程为：111m gTm a222()2Tm gTm a3332Tm gm a确定三物体的加速度的关联

4、关系：（1）先假定m2不动，当m1下降h1时，（2）再假定m1不动，当m2下降h2时， m3将上升2.2hm3将上升1.2h综合以上两种情况，则实际上m1下降h1，m2下降h2时，于是得到12322aaa 123.22hhh m3将上升T1a2a3a1m2m3mK2TTT2TTT先将绳上的K点固定然后放开，再分析（2）中m3的位移情况8111m gTm a222()2Tm gTm a3332Tm gm a12322aaa 1a2a3a1m2m3mTT T2TT2TT解方程组得：1213231121323434mmmmm magmmm mm m1213232121323434mmmmm magm

5、mm mm m121323312132344mmmmm magmmm mm m 题后总结解本题的困难在于确定加速度的关联关系;加速度的实际方向不一定为题设的方向.91-2、利用运动的相对性寻找加速度间的关联关系式，并对其进行分解BCAACBaaa对对对 B( )C( )x Ax Ax CBaaa对对对( )B( )C( )y Ay Ay CBaaa对对对 例3 如图，一劈上放一物块，各接触面均光滑. 求M、m相对地面的加速度.解m沿M的斜面下滑，而M后退.研究M:sinNMa研究m:aNmg在水平方向上，在沿斜面方向上，sincosmgmaa在垂直斜面方向上，cossinmgNma在竖直上向上

6、，NMgNcosNMgN研究加速度的关联关系：aaaaamM10研究加速度的关联关系：aaa在斜面方向上：coscosaaa在垂直斜面上向上：sinsinaasinNMacosNMgNsincosmgmacossinmgNma由、解出：2(sin )sin;sing MmaMm2sincos;sinmgaMmsincosarcsin.sinmMm 题后总结与思考解本题的关键在于得到并分解试用非惯性参照系解答本题.aaaaNmgaNMgNaamM11二、平动匀加速非惯性参照系与匀强（保守）力场的等效引力场与非惯性参照系的等效是建立广义相对论的经验基础：ag在无引力的太空中以g加速上升的升降机中g

7、0a 地球g在静止于地面上的升降机中爱因斯坦的理想实验 在如图所示的两种情况下，密闭的升降机中的观察者所进行的一切力学实验都是等效的，无法将两种情况区分.对处理问题的好处：加速度为 的平动非惯性参照系a匀强保守力场(场强为 的引力场，场强为 的静电场等等).-a-maEq（1）转化为熟悉的情景；（2）不忽略任何相关物体的受力.12 例4 如图所示，在密闭的车内用细线拴一氢气球. 设气球的体积为V,质量为m（包括气球内的氢气），车内空气的密度为. 当车以加速度a向左行驶时，最终细线的拉力的大小和方向.a解据经验气球最终将偏向右方静止在车内.以车为参照系，则气球处于平衡状态.分析气球受力：T拉力

8、、mg重力、F向上的浮力 、.ma向右的惯性力由平衡条件得：cos0TmgFsin0Tma即cos0TmgVgsin0Tma解出：222Tm aVmgarctanmaVm gFmaTmg气球真的是偏向车右方然后静止吗？ 13T拉力 、mg重力、F向上的浮力 、ma向右的引力，Vm因为，Fma即，所以气球会向左偏.()FV a气球静止后，由平衡条件：cos0TmgFsin0TmaF即cos0TmgVgsin0TmaVa解出：1222()()TVm agarctanagaTmgF 将非惯性参照系等效于场强向右的匀强引力场分析气球受力：maTFmaFmgF 题后总结题目对知识的深度要求较高；所作的解

9、答将动力学问题化为了静力学问题.气球究竟偏向车的那一边？ 还有向左的“浮力”F.14 例5 在静止的车厢内有一幅角为（090）的圆锥摆，当摆球处于图中的最左边的位置时车厢开始以常量a向右做水平匀加速运动，试问摆球相对车厢是否有可能恰好从此时刻开始以某另一 （0 90）为幅角作圆锥摆运动？a解车厢未加速前，摆球相对车厢的速度大小v可求：设摆求质量为m，摆长为L, 则有2tansinvmgmLLsincosgLv得到 引入一等效重力加速度g，如图所示.gg的大小为aog22,ggagg与 的夹角 满足关系22cos;gga22sin.agamg车厢加速后，车厢为平动匀加速非惯性参照系，等效于一向左

10、的场强为a的引力场.m15aLgaog 若摆球恰好能从车厢开始加速时相对车厢继续做圆锥摆运动，则其轴线必沿g方向， 幅角为：gg,当时.当时;gag若继续作圆运动，此时的圆运动速度同样为v，类似于，进一步研究其可能性及条件：由、得22sinsincoscosgg由得：coscos()cos()cos cossin sin222sinsin()sin()2sin coscos sing再将代入，进而得：sincosgLvsincosgLv也应满足22cos;gga22sin.aga2222coscossinggagag22221sinsincosgaag得：的大小取决于a，最后结果由a决定?!1

11、6aLgaogggggag2cossin将此、代入式：222222222sinsinsincoscoscossinaggggaagag2( sincos )cossingaga即得22sincossincossincosggaga由此解出2(2tan)tanagtan2tan(2tan)tanag必有. 从以上讨论知，仅当a满足式时摆球才可2arctan (2tan)tan.其幅角为继续作圆锥摆运动， 题后思考定性估计，如果a为不满足式的其他值，小球将可能作些什么运动？唯一的a便对应着唯一的 ：17疑难题解答研究 例6 系统如图所示，绳与滑轮间光滑接触，绳不可伸长，它的质量可忽略不计.质量为m

12、的小孔环套在绳的左侧，两者间的最大静摩擦力同为常量f0mg. 绳的两端所挂的物体的质量分别为M1和M2. 系统从静止开始释放，将小孔环的加速度记为am, 小孔环下面悬挂的物体M1的加速度记为aM，试求am、aM的方向及大小. M1 M2mamaM解 由于M1、M2的大小关系不确定，所示am、aM的方向存在多种可能性.、am向下，aM向上（包括aM=0）：则小环受到的滑动摩擦力向上，大小为f0.、am向下，aM也向下：18(1)mMaa若 ，(2)mMaa若，(3)mMaa若 ，0.f则小环受滑动摩擦力向上，大小为0 .ff只能向上，大小为（）0f则小环受到的滑动摩擦力向下，大小为 ，0.Mmf

13、mgaagm但此时 因此这种情况不可能出现.、am向下，aM也向下： M1 M2mamaM、am向上（包括am=0）：这与题设矛盾.则小环所受的摩擦力向上，大小为 f = mg+mamf0，所以这种情况不可能出现. 综上所述，可能出现的情况是：（一）am向下，aM向上（包括aM=0），（二）am向下，aM向下(1)mMaa ，(2).mMaa0f 方向向上.0f 方向向上.则小环的静摩擦力不能为零，不能向下,19下面就以上可能出现的情况求am、aM的大小：（一）am向下，aM向上（包括aM=0）， M1 M2m如右图所示.有动力学方程：0mmgfma；11MTM gMa；222MM gTM a

14、；210.TTf解得：21012();MMM gfaMM0mfagm0Ma因为要求，210)0.MM gf（021 .fMMg即amaMaMf0mgT11M gT22M g( 0).所以出现这种情况的 条件是：0f 方向向上.若此条件不满足，便出现情况（二） ：am向下，aM向下此结果出现的条件如何？T1=T2？20（二）am向下，aM向下， M1 M2m据（一）所述，出现这种情况的条件是：（从而使得aM方向向下）amaMaMf0T2T1111,MM gTM a222,MTM gM a210.TTf0,mmgfma解得：12012(),MMMgfaMM0 ( 0).mfagm首先应要求0,Ma

15、 其条件为式.进而要求,mMaa即012012().fMMgfgmMM其得以成立的条件为：21202().mM gMMm f或者为：1020()2Mm fMmgf021fMMg1M gmg2M g0f 方向向上.(1)0mMaa设 ，有动力学方程：由右图此结果出现的条件如何？21、两式同时成立的必要条件是01010()2fMm fMgmgf即01002()() 0,fMmgff mg100(2)() 0.gMfmgf这是显然成立的. 所以式必定成立. 因此适当选择M2便可使、两式同时成立.,mMaaa设有动力学方程:aaa M1 M2mfT2T1121()() ,Mm gTMm a222,TM

16、 gM a.mgfma解出1212,MmMagMMm().fm ga首先要求0a ，即12.Mm M (2) 如右图所示.22 M1 M2maaafT2T1因式已成立：021fMMg所以必有0211.fMMMmg即12Mm M 成立。其次还要求0,ff0().m gaf即1212MmMagMMm将a的表达式代入得：21202()mM gMMm f所以即要求1020()2Mm fMmgf所以要使、两式同时成立，10010M)2m ffMmgfg（而可证明只要成立即可.成立.23综合以上各种情况知：021fMMg当时，（A）am向下，aM向上（包括aM=0），其解为：21012();MMM gfa

17、MM00.mfagm（B）010120()2fMm fMMgmgf当时，am向下，aM向下，21012(),MMM gfaMM0mfagm其解为：（C）1020()2Mm fMmgf当时，am向下，aM向下，其解为：1212.mMMmMaaagMMm 题后总结本题的最终结果是随条件 而变化的;而各种条件由需要自己去 全面概括;对各种条件还需进行分析 判断.24 例7 如图，水平桌面上平放共计54张的一叠牌，每一张牌的质量相同，用一根手指以竖直向下的力压着第一张牌，并以一定的速度向右移动手指，确保手指与第一张牌之间有相对滑动. 引入 =N/mg以表征手指向下的压力N 的大小，其中m为每张牌的质量

18、.设手指与第一张牌之间的摩擦系数为1，牌与牌之间的摩擦系数为2，第54张牌与桌面之间的摩擦系数为3. 且有1 2 3 .（可视滑动摩擦等于最大静摩擦） （1）试问第2张牌到第54张牌之间是否可能存在相对滑动？ （2） 很小时，54张牌都不动，这是牌组的一种状态； 稍大些，第1张牌向右加速，其余牌均不动，这是牌组的另一种状态，试给出牌组全部可能出现的状态，分析每一种状态出现的条件（条件的表达式中只能包含 、1、2和3参量）. （3）对各种给定的1 2 3的值，调控，至多能出现多种状态？若取1 =1.05、2=1.03、 3=0.5, 调控，至多能出现多少种状态？v第1张牌23535425v （1

19、）试问第2张牌到第54张牌之间是否可能存在相对滑动？第1张牌25354解 如图，将各界面进行编号. 各界面可能出现的滑动摩擦分别为：01.FN2(),1 2 353.jFNjmgj、543(54).FNmg将实际出现的摩擦力记为 f k , ,(1 2 354kkfFk、）研究第2张牌第53张牌：k界面012525354k-1k其中的第k张牌上、下两表面受到的实际摩擦力为1,kkff和1kfkf若第k张牌相对第（k+1）张牌滑动， 则 fk 必为滑动摩擦，而 fk-1可能为滑动摩擦或者,kkfF11.kkfF于是有且要求1,kkff即还要求1,kkFF故第2张牌至第54张牌之间不可能发生相对滑

20、动，而只可能作整体移动.静摩擦.则必有0F而由jF的计算式知这是不可能的.jF注意：第一张牌是个例外哦！26 （2） 很小时，54张牌都不动，这是牌组的一种状态； 稍大些，第1张牌向右加速，其余牌均不动，这是牌组的另一种状态，试给出牌组全部可能出现的状态，分析每一种状态出现的条件（条件的表达式中只能包含 、1、2和3参量）.解记 1第1张牌. 2-54第2张至第54张牌的整体.则可能出现的状态有、 1、2-54都不动；、 1动、2-54不动； 、1、2-54同步动（向右）； 、1大动、2-54小动； （不可能有1不动、2-54动的情况出现）（不可能有1小动、2-54大动的情况出现）下面分析各种

21、状态出现的条件：v第1张牌254界面01540F1f1f54f54f为方便研究图中将1、2-54、以及桌面间的接触面画开了.27下面分析各种状态出现的条件：、1、2-54都不动要求011,FfF05454.FfF即12(1),mgmg 13(54).mgmg 212,31354.应取其中较小者.若32121354,即1321354.53 则取212.若32121354,即1321354.53 31354.则取、1动、2-54不动 要求01,FF15454.FfF212,322354. v第1张牌254界面01540F1f1f54f54f01.FN2().jFNjmg543(54).FNmg28

22、、1动、2-54不动 要求01,FF15454.FfF212,322354.即要求322122154.式中有解的条件是322122154.即1321354.53 、1、2-54同步动（向右） 设同步加速度为a. 则要求054FF31354.01Ffma15453fFma05411535454FFfF12323(5354)54()v第1张牌254界面01540F1f1f54f54f01.FN2().jFNjmg543(54).FNmg2931354.12323(5354)54()当123(5354)0,即1325354时,可取任意值;12353540当（），即1325354时,2312354()

23、.53541325354若，31354;则取1325354若 ，此要求即1321354.53 1313135453,5354 这要求所以，若131321354535354 ，于是要求131321354535354 ，323131235454().5354则取结合31354考虑：而此式的成立易证.（一）（二）323131235454(),5354则取323131235454()5354，30、1大动、2-54小动： v第1张牌254界面01540F1F1F54F设1的加速度为a1, 2-54加速度为a2,则要求01FF212,011FFma154253FFma05415354FFF1a2a 23

24、12354()535412aa这首先要求1235354013253,54在此前提下应取上述两式中的较大者.（一） 若2321212354()53541313135453,5354 而前面已证明1321354,53 故可取212;（二） 若2321212354()53541313135453,5354 而前面已证明故5354 时1321354,53 可取2312354().535454F01.FN2().jFNjmg543(54).FNmg31 （3）对各种给定的1 2 3值，调控, 至多能出现多种状态？ 若取1 =1.05、 2 =1.03、 3 =0.5, 调控，至多能出现多少种状态？解 对（2）中的种种情况总结如下表：、1、2-54都不动若132135453 ，212.则若132135453 ，31354.则、1动、2-54不动 322122154.则132135453 若 ，、1、2-54同步动 （向右） 1325354若，31354.则 131321354535354 若 ，323131235454().5354则、1大动、2-54小动 1321354,53 若212.则5354 若 2312354().5354则 131313