(4)牛顿运动定律

,CAI使用说明,1、斜体文字表示有备注供查看,2、加下划线的变色文字表示有超链接,3、,表示返回至链接来处,4、,表示到上一张幻灯片,5、,表示到下一张幻灯片,6、,表示到首页,中学物理奥赛解题研究,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,例题8,一、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6,一、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.,解题知识与方法研究,2、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：,对图（1）,假定相对地面,则C、O相对地面有,A、B相对动滑轮O有,A、B相对地面有：,于是有,例如：,1-1-2、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.,A,（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.,B,由牛顿运动定律,需寻找aA、aB的关联关系！,由图可知，,所以,由方程、解出：,对A：,对B：,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：,确定三物体的加速度的关联关系：,（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,m3将上升,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,m3将上升,解方程组得：,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.,1-2、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,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:,研究m:,在水平方向上，,在沿斜面方向上，,在垂直斜面方向上，,在竖直上向上，,研究加速度的关联关系：,研究加速度的关联关系：,在斜面方向上：,在垂直斜面上向上：,由、解出：,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.,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：,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：,（1）转化为熟悉的情景；,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.,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：,由平衡条件得：,即,解出：,气球真的是偏向车右方然后静止吗？,所以气球会向左偏.,气球静止后，由平衡条件：,即,解出：,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：,气球究竟偏向车的那一边？,还有向左的“浮力”F.,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（090）为幅角作圆锥摆运动？,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,L,得到,引入一等效重力加速度g，如图所示.,L,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：,若继续作圆运动，此时的圆运动速度同样为v，,类似于，,由、得,由得：,再将代入，,进而得：,得：,的大小取决于a，最后结果由a决定?!,L,即得,由此解出,从以上讨论知，,仅当a满足式时摆球才可,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：,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.,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：,、am向下，aM也向下：,、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,则小环的静摩擦力不能为零，不能向下,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,M2,m,如右图所示.,有动力学方程：,解得：,（二）am向下，aM向下，,M1,M2,m,据（一）所述，出现这种情况的条件是：,（从而使得aM方向向下）,f0,T2,T1,解得：,首先应要求,其条件为式.,进而要求,即,其得以成立的条件为：,或者为：,、两式同时成立的必要条件是,即,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.,有动力学方程:,解出,首先要求,即,(2),如右图所示.,因式已成立：,所以必有,即,其次还要求,将a的表达式,代入得：,所以即要求,所以要使、两式同时成立，,而可证明,只要成立即可.,成立.,综合以上各种情况知：,（A）,am向下，aM向上（包括aM=0），,其解为：,（B）,am向下，aM向下，,其解为：,（C）,am向下，aM向下，,其解为：,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.,例7、质量与半径均足够大的光滑圆盘以匀角速度绕过圆心的固定竖直轴转动.（1）质量分别为ma、mb的两个光滑小球a、b，用劲度系数为k、自由长度为L的轻弹簧相连后置于圆盘上，试对所有可能达到的稳定状态（即a、b相对于圆盘的静止状态）计算a、b各自与圆心的距离.（2）a、b、c为三个光滑小球，a、b间及b、c间均用劲度系数为k，自由长度为L的轻质弹簧相连后置于圆盘上，若排除两弹簧重叠的可能性，且设a、b、c的质量分别为试讨论系统达到稳定状态的可能性.,解,O,（1）,系统稳定时，a、b均相对圆盘的圆心作圆周运动.,圆形O必在a、b的连线上，且圆心O只能在a、b之间.,于是对a、b两球有:,解出：,O,ma,mb,ra,rb,讨论：,因ra、rb均为正，,此时，,（2）,仅当满足：,才有可能为稳定状态.,、设圆心O在a、b之间.,建立如图所示的坐标.,要求：,对a、b、c分别建立动力学方程：,才有可能达到稳定状态.,、三球共线；,、圆心在三球的连线上；,、圆心在a、c之间.,将,代入后得：,解此线性方程组得:,此结果不符合中的各项要求,所以不能出现这种稳定状态.,、设圆心O在b、c之间.,建立如图所示的坐标.,要求：,对a、b、c分别建立动力学方程：,ma,mb,mc,xa,xb,xc,x,O,将,代入后得：,解此线性方程组得:,此结果不符合中的各项要求.,所以也不能出现这种稳定状态.,题后总结本题难度不大，属开放性问题，关键在于要对各种可能出现的情况进行全面地讨论.,故三球构成的系统不可能达成稳定状态.,例8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.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123.（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123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？,（1）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,2,53,54,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：,将实际出现的摩擦力记为fk,研究第2张牌第53张牌：,k,其中的第k张牌上、下两表面受到的实际摩擦力为,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,于是有,且要求,即还要求,故第2张牌至第54张牌之间不可能发生相对滑动，而,只可能作整体移动.,静摩擦.,则必有,（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）,下面分析各种状态出现的条件：,下面分析各种状态出现的条件：,、1、2-54都不动,要求,即,应取其中较小者.,若,即,则取,若,即,则取,、1动、2-54不动,要求,、1动、2-54不动,要求,即要求,式中有解的条件是,即,、1、2-54同步动（向右）,设同步加速度为a.,则要求,当,即,时,可取任意值;,则取,此要求,即,这要求,所以，若,于是要求,而此式的成立易证.,（一）,（二）,、1大动、2-54小动：,第1张牌,2,54,界面0,1,54,设1的加速度为a1,2-54加速度为a2,则要求,这首先要求,在此前提下应取上述两式中的较大者.,（一）,若,而前面已证明,故可取,（二）,若,而前面已证明,故当,可取,（3）对各种给定的123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,、1动、2-54不动