2020-2021学年物理新教材人教版必修第一册分级训练：第四章 运动和力的关系 章末整合提升 Word版含解析

1、章末整合提升主题一连接体模型中的动力学问题1.连接体.两个或两个以上相互作用的物体组成的系统叫作连接体.连接体的加速度通常是相同的.2.处理方法整体法与隔离法.(1)整体法的选取原则:若连接体内各物体具有相同的加速度,且不需要求物体之间的作用力,可以把它们看成一个整体,分析整体受到的合力,应用牛顿第二定律求出整体的加速度.(2)隔离法的选取原则:若连接体内各物体的加速度不相同,或者要求出系统内各物体之间的作用力,就需要把物体从系统中隔离出来,应用牛顿第二定律列方程求解.(3)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,可以先用整体法求出加速度,然后再用隔

2、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,后隔离求物体间的作用力”.【典例1】如图所示,斜面倾角为,木块a的质量为m,叠放在木块b的上表面,木块b上表面水平,下表面与斜面间无摩擦力,重力加速度为g,当a与b保持相对静止一起沿斜面下滑时,求a所受的弹力与摩擦力.解析:研究木块a、b组成的系统,设木块b的质量为m0,受力分析如图甲所示.根据牛顿第二定律得(m0+m)gsin =(m0+m)a,解得加速度a=gsin . 甲 乙研究木块a,受力分析如图乙所示.根据牛顿第二定律竖直方向mg-fn=masin,解得fn=mg-mgsin2=mgcos2,水平方向ff=maco

3、s=mgsincos.答案:mgcos2mgsincos【典例2】八节车厢的复兴号高铁,每节车厢质量为18 t,动车组的牵引系统包括牵引电机、牵引变流器和辅助变流器,是动车组高速运行的动力来源,被称为“动车之心”.第2、4、5、7节车厢为动力车厢,每节动力车厢携带4台牵引电机,每台牵引电机能提供1.187 5104 n的牵引力,第1、3、6、8节车厢为拖车厢,没有动力.平均每节车厢受到的阻力为1.25103 n.复兴号从出站加速到最大速度360 km/h可以看成在水平面上的匀加速直线运动.(1)复兴号达到最大速度需要多少时间?(2)第7节车厢对第8节车厢的作用力有多大?(3)如果复兴号达到最大

4、速度的时间加倍,车厢受到的阻力不变,则牵引电机提供的牵引力如何变化?解析:(1)选择整列火车为研究对象,对火车进行受力分析如图甲所示.甲由牛顿第二定律得16f牵-8f阻=8ma,代入数据解得a=1.25 m/s2,用t表示复兴号达到最大速度需要的时间,根据v=v0+at,得t=v-v0a=80 s.(2)选择第8节车厢为研究对象,对第8节车厢进行受力分析如图乙所示.乙由牛顿第二定律得f拉-f阻=ma,解得f拉=2.375104 n.(3)根据v=v0+at得a=v-v0t,对整列火车,根据牛顿第二定律得16f牵-8f阻=8ma,由以上两式可知,如果复兴号到达最大速度的时间加倍,则牵引电机提供的

5、牵引力减小.答案:(1)80 s(2)2.375104 n(3)减小主题二板块模型中的动力学问题1.模型特点.板块类问题涉及两个物体,并且两物体在摩擦力的作用下发生相对滑动.2.滑块从木板的一端运动到另一端的过程中常见的两种位移关系:(1)若滑块和木板向同一方向运动,则滑块的位移和木板的位移之差等于木板的长度;(2)若滑块和木板向相反方向运动,则滑块的位移和木板的位移之和等于木板的长度.3.解题思路.4.解题方法技巧.(1)搞清各物体初始状态时对地的运动和相对运动(或相对运动趋势),根据相对运动(或相对运动趋势)情况,确定物体间的摩擦力方向.(2)正确地对各物体进行受力分析,并根据牛顿第二定律

6、确定各物体的加速度,结合加速度和速度的方向关系确定物体的运动情况.(3)速度相等是这类问题的临界点,此时物体间的相对位移最大,物体的受力和运动情况可能发生突变.【典例3】如图所示,一木箱静止在长平板车上,从某时刻开始平板车以a=2.5 m/s2的加速度由静止开始向右做匀加速直线运动,当速度达到v=9 m/s时,平板车改做匀速直线运动,已知木箱与平板车之间的动摩擦因数=0.225,木箱与平板车之间的最大静摩擦力与滑动摩擦力相等,g取10 m/s2.求:(1)车在加速过程中木箱运动的加速度的大小.(2)要使木箱不从平板车上滑落,木箱开始时距平板车右端的最小距离.解析:(1)设木箱的最大加速度为a,

7、根据牛顿第二定律得mg=ma,解得a=2.25 m/s22.5 m/s2,则木箱与平板车之间存在相对运动,所以车在加速过程中木箱的加速度为2.25 m/s2.(2)设平板车做匀加速直线运动的时间为t1,木箱与平板车达到共同速度的时间为t2,根据速度公式得v=at1,v=at2.在平板车达到速度v时,由于木箱的加速度小于平板车的加速度,木箱还要加速运动t2-t1时间才能达到共同速度,设木箱与平板车速度相同时平板车的位移为x1,则x1=v22a+v(t2-t1).设木箱与平板车速度相同时木箱的位移为x2,则x2=12at22.要使木箱不从平板车上滑落,木箱距平板车右端的最小距离满足x=x1-x2,

8、联立以上各式解得x=1.8 m.答案:(1)2.25 m/s2(2)1.8 m【典例4】如图所示,薄板a长l=5 m,其质量m0=5 kg,放在水平桌面上,板右端与桌的右边缘相齐.在a上距其右端s=3 m处放一物体b(可看成质点),其质量m=2 kg.已知a、b间动摩擦因数1=0.1,a与桌面间和b与桌面间的动摩擦因数均为2=0.2,开始时系统静止.现在在板的右端施加一大小一定的水平力f,f持续作用在a上直到将a从b下抽出才撤去,且使b最后停在桌的右边缘.g取10 m/s2.求:(1)b运动的时间;(2)力f的大小.解析:(1)对于b,在未离开a时,其加速度为ab1=1mgm=1 m/s2.设

9、经过时间t1后b离开a,离开a后b的加速度为ab2=-2mgm=-2 m/s2.设物体b离开a时的速度为vb,有vb=ab1t1,12ab1t12+vb2-2ab2=s,代入数据解得t1=2 s,t2=vb-ab2=1 s,所以b运动的时间t=t1+t2=3 s.(2)设b未离开a时a的加速度为aa,则根据相对运动的位移关系得12aat12-12ab1t12=l-s,解得aa=2 m/s2.由牛顿第二定律得f-1mg-2(m+m0)g=m0aa,代入数据得f=26 n.答案:(1)3 s(2)26 n主题三动力学中的临界问题1.临界问题.临界状态是从一种物理现象转变为另一种物理现象,或从一个物

10、理过程转入另一个物理过程的转折状态.临界状态也可理解为“恰好出现”或“恰好不出现”某种现象的状态.2.四种典型临界条件.(1)接触与脱离的临界条件:两物体相接触或脱离的临界条件是弹力fn=0.(2)相对滑动的临界条件:两物体相接触且处于相对静止时,常存在着静摩擦力,则相对滑动的临界条件是摩擦力等于最大静摩擦力.(3)绳子断裂与松弛的临界条件:绳子所能承受的拉力是有限度的,绳子断与不断的临界条件是绳中拉力等于它所能承受的最大拉力;绳子松弛的临界条件是ft=0.(4)加速度变化时,速度达到最值的临界条件:加速度为0.3.解决临界问题的一般方法.(1)极限法:题设中若出现“最大”“最小”“刚好”等词

11、语时,一般就隐含着临界问题,解决这类问题时,常常把物理问题(或物理过程)引向极端,进而使临界条件或临界点显现出来.(2)假设法:有些物理问题在变化过程中可能会出现临界问题,也可能不出现临界问题,解答这类题,一般要用假设法.(3)数学推理法:通过分析物理过程列出相应的关系式,然后根据关系式讨论临界条件.【典例5】如图所示,质量均为m的a、b两物体叠放在竖直弹簧上并保持静止,用大小等于mg的恒力f向上拉b,当b运动距离h时,b与a分离.下列说法正确的是()a.b和a刚分离时,弹簧长度等于原长b.b和a刚分离时,它们的加速度为gc.弹簧的劲度系数等于mghd.在b与a分离之前,它们做匀加速直线运动解

12、析:a、b分离前,a、b共同做加速运动,由于f是恒力,而弹力是变力,故a、b做变加速直线运动.当两物体要分离时,fab=0,对b:f-mg=ma,对a:kx-mg=ma,即f=kx时,a、b分离,此时弹簧处于压缩状态,由题意知f=mg,设用恒力f拉b前弹簧压缩量为x0,则2mg=kx0,h=x0-x,联立以上各式得k=mgh.综上所述,只有选项c正确.答案:c【典例6】如图所示,质量为m的光滑小球用轻绳连接后,挂在三角劈上,绳与斜面平行,劈在光滑水平面上,斜边与水平面夹角为=30.重力加速度为g.(1)劈以加速度a1=g3水平向左加速运动时,绳的拉力多大?(2)劈的加速度至少多大时小球对劈无压

13、力作用?加速度方向如何?解析:(1)对小球进行受力分析并建立直角坐标系,如图甲所示.甲水平方向ft1cos -fn1sin =ma1,竖直方向ft1sin +fn1cos =mg,由题意知a1=g3,联立以上各式得ft1=3+36mg.(2)对小球进行受力分析并建立直角坐标系,如图乙所示.乙设当加速度为a2时,小球对劈无压力,由牛顿第二定律得ft2cos =ma2,ft2sin =mg,以上两式联立可得a2=3g,方向水平向左.答案:(1)3+36mg(2)3g方向水平向左主题四动力学中的图像问题1.动力学中常见的图像.在动力学与运动学问题中,常用的图像是力的图像(f-t图像)和位移图像(x-

14、t图像)、速度图像(v-t图像)等,这些图像反映的是物体的运动规律和受力规律.2.解决图像问题的方法.(1)分清图像的横、纵坐标所代表的物理量及单位,并且注意坐标原点是否从0开始,明确其物理意义.(2)明确图线斜率的物理意义,如v-t图线的斜率表示加速度.注意图线中一些特殊点所表示的物理意义:图线与横、纵坐标的交点,图线的转折点,两图线的交点等.(3)明确能从图像中获得哪些信息,把图像与具体的题意、情境结合,并结合斜率、特殊点等的物理意义,找出图像中隐藏的有用信息(如v-t图线所围面积表示位移等),并结合牛顿运动定律求解.(4)利用横、纵轴物理量间的函数关系对图像进行分析.【典例7】(多选)如

15、图甲所示,物块和木板叠放在实验台上,物块用一不可伸长的细绳与固定在实验台上的力传感器相连,细绳水平.t=0时,木板开始受到水平力f的作用,在t=4 s时撤去力f.细绳对物块的拉力ft随时间t变化的关系如图乙所示,木板的速度v与时间t的关系如图丙所示.木板与实验台之间的摩擦可以忽略.g取10 m/s2.由题给数据可以得出() 甲 乙 丙a.木板的质量为1 kgb.24 s内,力f的大小为0.4 nc.02 s内,力f的大小保持不变d.物块与木板之间的动摩擦因数为0.2解析:结合两图像可判断出02 s物块和木板未发生相对滑动,它们之间的摩擦力为静摩擦力,此过程力f大小等于ff,故f在此过程中是变力

16、,选项c错误;25 s内木板与物块发生相对滑动,摩擦力转变为滑动摩擦力,在45 s内,a2=0.4-0.21 m/s2=0.2 m/s2,且ff=ft=ma2=0.2 n,可解出质量m=1 kg,选项a正确;24 s内,a1=0.4-04-2 m/s2=0.2 m/s2,由牛顿运动定律,得f=ma+ff=0.4 n,选项b正确;由于不知道物块的质量,所以无法计算它们之间的动摩擦因数,故选项d错误.答案:ab【典例8】如图甲所示,质量m=4 kg的物体在水平面上向右做直线运动.过a点时给物体施加一个水平向左的恒力f并开始计时,选水平向右为正方向,通过速度传感器得到的物体的v-t图像如图乙所示.g取10 m/s2.求:(1)8 s末物体离a点的距离;(2)力