高考物理一轮复习讲义专题3.2　动力学典型模型分析（原卷版）

专题3.2动力学典型模型分析【讲】【讲核心素养】1.物理观念：连接体、相对运动。（1）知道连接体模型的特征能在具体问题情景中识别连接体模型并能归类（同速类、不同速类）。（2）通过实例的分析与推理，理解并会分析相对运动问题建立运动观。2.科学思维：牛顿运动定律、整体法与隔离法、临界法。（1）.掌握应用整体法与隔离法解决连接体问题的基本方法。（2）会应用牛顿运动定律及运动学公式分析传送带模型。（3）掌握应用整体法与隔离法解决“滑块-木板”问题的基本方法3.科学态度与责任：能用牛顿运动定律解决生产生活中的皮带传动、连接体等问题。能将具体问题情景通过构建物理模型转化为物理问题进而应用物理规律来解决，以此提升分析推理能力和模型构建能力并体会物理学的应用价值。【讲考点题型】【知识点一】瞬时加速度问题1.两种模型加速度与合外力具有瞬时对应关系，二者总是同时产生、同时变化、同时消失，当物体所受合外力发生突变时，加速度也随着发生突变，而物体运动的速度不能发生突变.2．求解瞬时加速度的一般思路（1）分析物体原来的受力情况。（2）分析物体在突变时的受力情况。（3）由牛顿第二定律列方程。（4）求出瞬时加速度，并讨论其合理性。【例1】（2022·重庆·三模）如图所示，甲、乙两物块位于光滑水平面上并通过水平轻弹簧连接，物块甲受到水平恒力F作用，两物块保持相对静止以相同大小的加速度a水平向右做匀加速直线运动。甲、乙物块质量分别为m、SKIPIF1<0，弹簧在弹性限度内，不计空气阻力，撤去力F瞬时，甲、乙物块的加速度大小分别为SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，则（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【变式训练1】（2022·辽宁·二模）如图所示，质量分别为SKIPIF1<0，SKIPIF1<0的两物体置于光滑的水平面上，中间用轻质弹簧测力计连接。两个大小分别为SKIPIF1<0，SKIPIF1<0的水平拉力分别作用在SKIPIF1<0、SKIPIF1<0上，弹簧测力计未超出弹性限度，则（）A．弹簧测力计的示数是50NB．若增大SKIPIF1<0，两物体一起做匀加速直线运动时，弹簧测力计示数可能不变C．在突然撤去SKIPIF1<0的瞬间，SKIPIF1<0的加速度大小为4SKIPIF1<0D．在突然撤去SKIPIF1<0的瞬间，SKIPIF1<0的加速度大小为15SKIPIF1<0【方法总结】1．在求解瞬时性问题时的两点注意（1）物体的受力情况和运动情况时刻对应，当外界因素变化时，需要重新进行受力分析和运动分析。（2）加速度可以随力而突变，而速度的变化需要一个过程的积累，不会发生突变。2.解题思路eq\x(分析瞬时变化前物体的受力情况)→eq\x(分析瞬时变化后哪些力变化或消失)→eq\x(求出变化后物体所受合力根据牛顿第二定律列方程)→eq\x(求瞬时加速度)【知识点二】超重与失重问题1．实重和视重（1）实重：物体实际所受的重力，与物体的运动状态无关。（2）视重①当物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上时，弹簧测力计或台秤的示数称为视重。②视重大小等于弹簧测力计所受物体的拉力或台秤所受物体的压力。2．超重、失重和完全失重的比较超重现象失重现象完全失重现象概念物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）等于零的现象产生条件物体的加速度方向竖直向上物体的加速度方向竖直向下物体的加速度方向竖直向下，大a＝g原理方程F－mg＝maF＝m（g＋a）mg－F＝maF＝m（g－a）mg－F＝ma＝mgF＝0运动状态加速上升或减速下降加速下降或减速上升以a＝g加速下降或减速上升【例2】（2022·福建省漳平第一中学模拟预测）某工地上一塔吊通过一钢丝绳竖直向上提升一重物，若重物运动过程的SKIPIF1<0关系图像如图所示，则下列分析正确的是（）A．SKIPIF1<0内重物上升的高度为SKIPIF1<0B．SKIPIF1<0内钢丝绳最容易断裂C．SKIPIF1<0内重物一直处于超重状态D．SKIPIF1<0内重物的平均速度等于SKIPIF1<0内的平均速度【变式训练2】（2022·北京师大附中三模）体育课上某同学做引体向上。他两手握紧单杠，双臂竖直，身体悬垂；接着用力上拉使下颌超过单杠（身体无摆动）；然后使身体下降，最终悬垂在单杠上。下列说法正确的是（）A．若增大两手间的距离，最终悬垂时手掌受到单杠的弹力变大B．若增大两手间的距离，最终悬垂时手掌受到单杠的弹力不变C．在上升过程中单杠对人的作用力始终大于人的重力D．在下降过程中单杠对人的作用力始终小于人的重力【方法总结】1.判断超重和失重的方法（1）从受力的角度判断当物体所受向上的拉力（或支持力）大于重力时，物体处于超重状态；小于重力时，物体处于失重状态；等于零时，物体处于完全失重状态.（2）从加速度的角度判断当物体具有向上的加速度时，物体处于超重状态；具有向下的加速度时，物体处于失重状态；向下的加速度等于重力加速度时，物体处于完全失重状态.2.对超重和失重现象的理解（1）发生超重或失重现象时，物体所受的重力没有变化，只是压力（或拉力）变大或变小了（即“视重”变大或变小了）.（2）物体处于超重或失重状态只与加速度方向有关，而与速度方向无关.（3）物体超重或失重多少由物体的质量m和竖直加速度a共同决定，其大小等于ma.（4）在完全失重的状态下，一切由重力产生的物理现象都会完全消失，如天平失效、浸在水中的物体不再受浮力作用、液柱不再产生压强等.【知识点三】动力学中的连接体问题1.连接体多个相互关联的物体连接（叠放、并排或由绳子、细杆联系）在一起构成的物体系统称为连接体.连接体一般具有相同的运动情况（速度、加速度）.2.常见连接体的类型（1）同速连接体（如图）特点：两物体通过弹力、摩擦力作用，具有相同速度和相同加速度.处理方法：用整体法求出a与F合的关系，用隔离法求出F内力与a的关系.（2）关联速度连接体（如图）特点：两连接物体的速度、加速度大小相等，方向不同，但有所关联.处理方法：分别对两物体隔离分析，应用牛顿第二定律进行求解.【例3】（多选）（2020·海南·高考真题）如图，在倾角为SKIPIF1<0的光滑斜面上，有两个物块P和Q，质量分别为SKIPIF1<0和SKIPIF1<0，用与斜面平行的轻质弹簧相连接，在沿斜面向上的恒力F作用下，两物块一起向上做匀加速直线运动，则（

）A．两物块一起运动的加速度大小为SKIPIF1<0B．弹簧的弹力大小为SKIPIF1<0C．若只增大SKIPIF1<0，两物块一起向上匀加速运动时，它们的间距变大D．若只增大SKIPIF1<0，两物块一起向上匀加速运动时，它们的间距变大【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念中的运动观相互作用观科学思维中的科学推理。要求考生能正确使用整体法与隔离法结合牛顿运动定律分析加速度相同、速度方向也相同的连接体问题形成科学思维方式。【变式训练3】（2020·江苏·高考真题）中欧班列在欧亚大陆开辟了“生命之路”，为国际抗疫贡献了中国力量。某运送防疫物资的班列由40节质量相等的车厢组成，在车头牵引下，列车沿平直轨道匀加速行驶时，第2节对第3节车厢的牵引力为F。若每节车厢所受摩擦力、空气阻力均相等，则倒数第3节对倒数第2节车厢的牵引力为（）A．F B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【必备知识】1．同一方向的连接体问题：这类问题通常具有相同的加速度，解题时一般采用先整体后隔离的方法.2.处理连接体问题时，整体法与隔离法往往交叉使用，一般的思路是先用整体法求加速度，再用隔离法求物体间的作用力。3.隔离法分析物体间的作用力时，一般应选受力个数较少的物体进行分析。【例4】（2021·海南·高考真题）如图，两物块P、Q用跨过光滑轻质定滑轮的轻绳相连，开始时P静止在水平桌面上。将一个水平向右的推力F作用在P上后，轻绳的张力变为原来的一半。已知P、Q两物块的质量分别为SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，P与桌面间的动摩擦因数SKIPIF1<0，重力加速度SKIPIF1<0。则推力F的大小为（）A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0 C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<0【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念中的运动观科学思维中的科学推理。要求考生能正确使用整体法与隔离法结合牛顿运动定律分析加速度相同但速度方向不相同的连接体问题并能与例1形成对比。【必备知识】不同方向的连接体问题：由跨过定滑轮的绳相连的两个物体，不在同一直线上运动，加速度大小相等，但方向不同，也可采用整体法或隔离法求解．【变式训练4】（2022·重庆市育才中学模拟预测）如题图所示，质量SKIPIF1<0的物块A和质量SKIPIF1<0的物块B通过轻质滑轮相连，B放在倾角SKIPIF1<0的固定斜面上，物块B与斜面间的动摩擦因数SKIPIF1<0，其他摩擦均不计。初始时物块A、B静止，轻绳不松弛。当物块A由静止下降高度SKIPIF1<0的过程中（A未触地，B未碰到滑轮），重力加速度SKIPIF1<0，SKIPIF1<0。关于此运动过程的描述，下列说法正确的是（）A．B物体机械能减少 B．B物体重力势能增加SKIPIF1<0C．绳子对B的拉力大小为SKIPIF1<0 D．A物体的速度为SKIPIF1<0【知识点四】“传送带”模型的动力学问题1.水平传送带项目图示滑块可能的运动情况情景1（1）可能一直加速（2）可能先加速后匀速情景2（1）v0>v时，可能一直减速，也可能先减速再匀速（2）v0<v时，可能一直加速，也可能先加速再匀速情景3（1）传送带较短或v0较大时滑块一直减速到左端（2）传送带较长时，滑块还要被传送带传回右端.若v0>v返回时速度为v，若v0<v返回时速度为v02.倾斜传送带项目图示滑块可能的运动情况情景1（1）可能一直加速（2）可能先加速后匀速情景2（1）可能一直加速（2）可能先加速后匀速（3）可能先以a1加速后以a2加速情景3（1）可能一直加速（2）可能先加速后匀速（3）可能一直减速（4）可能先以a1加速后以a2加速情景4（1）可能一直加速（2）可能一直匀速（3）可能先减速后反向加速（4）可能一直减速3.传送带中位移、相对位移、轨迹划痕等问题分析表1.受力分析运动分析（先加后共）难点问题μ>tanθf=μmgcosθf=μmgcosθf突变为静f'=mgsinθvvLθttOv共速痕迹av传送带物体t1t2①滑动摩擦力f=μmgcosθ②加速度a=g（μcosθ-sinθ）③上传条件：μ>tanθ④共速摩擦力突变为静摩擦力f'=mgsinθ受力分析运动分析（一直加速）难点问题μ<tanθaaf=μmgcosθvv'LθttOvav传送带物体t1L⑤μ<tanθ，物体向下加速⑥加速度a=g（μcosθ-sinθ）⑦物体向下位移为L⑧物体运动时间、末速度与传送带快慢无关分析表2.受力分析运动分析难点问题μ≥tanθf=μmgcosθf=μmgcosθf突变为静f'=mgsinθvvLθ(ttOv共速痕迹av传送带物体t1t2①滑动摩擦力f=μmgcosθ②加速度a=g（μcosθ+sinθ）③共速后，若μ≥tanθ一起匀速，摩擦力突变为静摩擦力f'=mgsinθμ<tanθf=μmgcosθf=μmgcosθf方向突变f'=μmgcosθvvLθ(ttOv共速痕迹1av传送带物体t1t2物体2a'④共速后，若μ<tanθ[继续加速，滑动摩擦力方向突变、大小不变，加速度a'=g（sinθ-μcosθ）⑤痕迹问题：共速前，x传>x物，痕迹Δx1=x传-x物，共速后，x物>x传，痕迹Δx2=x物-x传，总痕迹取二者中大的那一段【方法总结】1．求解传送带问题的关键（1）正确分析物体所受摩擦力的方向。（2）注意转折点：物体的速度与传送带速度相等的时刻是物体所受摩擦力发生突变的时刻。2．处理此类问题的一般流程弄清初始条件⇒判断相对运动⇒判断滑动摩擦力的大小和方向⇒分析物体受到的合外力及加速度的大小和方向⇒由物体的速度变化分析相对运动⇒进一步确定以后的受力及运动情况。求解的关键在于分析清楚物体与传送带的相对运动情况，从而确定其是否受到滑动摩擦力作用。如果受到滑动摩擦力作用应进一步确定其大小和方向，然后根据物体的受力情况确定物体的运动情况。当物体速度与传送带速度相等时，物体所受的摩擦力有可能发生突变。【例5】（水平传送带）（2022·全国·高三专题练习）如图所示，水平传送带AB间的距离为16m，质量分别为2kg、4kg的物块P、Q，通过绕在光滑定滑轮上的细线连接，Q在传送带的左端且连接物块Q的细线水平。当传送带以8m/s的速度逆时针转动时，Q恰好静止。重力加速度g=l0m/s2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力。当传送带以8m/s的速度顺时针转动时，下列说法正确的是（）A．Q与传送带间的动摩擦因数为0.6B．Q从传送带左端运动到右端所用的时间为2.6sC．Q在运动过程中所受摩擦力始终不变D．Q从传送带左端运动到右端的过程中P处于失重状态【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念中的相互作用观运动观及科学思维中的科学推理与科学论证。要求考生对本题有清晰的受力分析运动分析并能应用牛顿运动定律及运动学公式建立方程通过科学的运算推理得出正确的结论培养学生综合分析问题的能力。【变式训练5】（2022·安徽合肥·三模）如图所示，SKIPIF1<0、SKIPIF1<0两端距离为SKIPIF1<0的水平传送带以速度SKIPIF1<0逆时针运转，将小石墨块SKIPIF1<0轻放在传送带右端SKIPIF1<0，当石墨块从左端SKIPIF1<0离开传送带时，传送带上留下了长度为SKIPIF1<0的痕迹，不计绕过传动轮的传送带长度，下列说法正确的是（）A．增大传送带速度SKIPIF1<0，划痕长度一定变长B．增加传送带的长度，划痕长度一定会变长C．减小石墨块与传送带间的动摩擦因数，划痕长度可能会减小D．一定条件下可使SKIPIF1<0【例6】（倾斜传送带）（2022·江苏南通·模拟预测）如图所示，足够长的倾斜传送带以恒定速率v0顺时针运行。一小木块以初速度v1从传送带的底端滑上传送带。木块在传送带上运动全过程中，关于木块的速度v随时间t变化关系的图像不可能的是（）A． B．C． D．【变式训练6】 （2022·上海市市西中学二模）如图所示，以恒定速率v1=0.5m/s运行的传送带与水平面间的夹角α=37°，转轴间距L=4m。工作人员沿传送方向以速度v2=1.5m/s从传送带顶端推下一件m=2kg的小包裹（可视为质点）。小包裹与传送带间的动摩擦因数μ=0.8。取重力加速度g=10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：（1）小包裹相对传送带滑动时加速度a的大小；（2）小包裹在传送带上减速运动的时间t和位移s的大小。（3）小包裹与传送带之间的摩擦力对小包裹做的功。【必备知识】1.求解传送带问题的关键在于对物体所受的摩擦力进行正确的分析与判断.2.临界状态：当v物＝v带时，摩擦力发生突变，物体的加速度发生突变.【知识点五】滑块—滑板模型1．命题规律滑块—滑板模型，涉及摩擦力分析、相对运动、摩擦生热、多次相互作用，属于多物体多过程问题，知识综合性较强，对能力要求较高，所以高考试卷中经常出现这一类型。2．复习指导分析滑块—滑板类模型时要抓住一个转折和两个关联。一个转折——滑块与滑板达到相同速度或者滑块从滑板上滑下是受力和运动状态变化的转折点。两个关联——转折前、后受力情况之间的关联和滑块、滑板位移与板长之间的关联。一般情况下，由于摩擦力或其他力的转变，转折前、后滑块和滑板的加速度都会发生变化，因此以转折点为界，对转折前、后进行受力分析是建立模型的关键。3．模型特点涉及两个物体，并且物体间存在相对滑动。4．两种位移关系滑块由木板的一端运动到另一端的过程中，若滑块和木板同向运动，位移大小之差等于板长；反向运动时，位移大小之和等于板长。设板长为L，滑块位移大小为x1，木板位移大小为x2同向运动时：L＝x1－x2反向运动时：L＝x1＋x25．分析滑块—木板模型问题时应掌握的技巧（1）分析题中滑块、木板的受力情况，求出各自的加速度。（2）画好运动草图，找出位移、速度、时间等物理量间的关系。（3）知道每一过程的末速度是下一过程的初速度。（4）两者发生相对滑动的条件：①摩擦力为滑动摩擦力。②二者加速度不相等。【方法总结】会分析有外力作用、斜面、竖直面等的滑块木板问题1．水平面“板块”模型类型1光滑地面，有初速度无外力类（1）系统不受外力，满足动量守恒．（2）如果板足够长，共速后一起匀速运动，板块间摩擦力突变为0，用图象法描述板、块的速度更直观（如图）．类型2地面粗糙，滑块（或板）有初速度类（1）因为系统受外力，动量不守恒，注意板是否会动．（2）若能动，且板足够长，达到共速后，判断它们之间是否相对滑动，常用假设法，假设二者相对静止，利用整体法求出加速度a，再对小滑块进行受力分析，利用F合＝ma，求出滑块受的摩擦力Ff，再比较它与最大静摩擦力的关系，如果摩擦力大于最大静摩擦力，则必然相对滑动，如果小于最大静摩擦力，就不会相对滑动．（3）若一起匀减速到停止，板块间由滑动摩擦力突变为静摩擦力，用图象法描述速度更直观．（如图）类型3地面粗糙，加外力类（1）木板上加力（如图甲），板块可能一起匀加速运动，也可能发生相对滑动．（2）滑块上加力（如图乙），注意判断B板动不动，是一起加速，还是发生相对滑动（还是用假设法判断）．2．斜面上“板块”模型类型1无初速度下滑类（如图）假设法判断是否发生相对滑动（1）μ2<μ1（上面比下面粗糙），则不会相对滑动．用极限法，μ1无限大或斜面光滑，一起匀加速运动．（2）μ2>μ1（下面比上面粗糙），则会相对滑动．类型2加外力下滑类（如图）对m分析，加速度范围gsinθ－μ1gcosθ<a<gsinθ＋μ1gcosθ加速度在这个范围内，板块可保持相对静止．【例7】（2022·江苏·模拟预测）水平地面上有一质量为SKIPIF1<0的长木板，木板的左端上有一质量为SKIPIF1<0的物块，如图（a）所示。用水平向右的拉力F作用在物块上，F随时间t的变化关系如图（b）所示，其中SKIPIF1<0