专题3.2 动力学典型模型的分析【讲】学生版-高考物理一轮复习讲义（新高考）

3.2动力学典型模型的分析【讲】目录TOC\o"1-3"\h\u一讲核心素养 1二讲必备知识 1【知识点一】动力学中的连接体问题 1【知识点二】“传送带”模型的动力学问题 4【知识点三】滑块—滑板模型 6三．讲关键能力 8【能力点一】.会分析弹簧连接体中的“分离问题” 8【能力点二】会分析传送带中位移、相对位移、轨迹划痕等问题 11【能力点三】会分析有外力作用、斜面、竖直面等的滑块木板问题 13一讲核心素养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。二讲必备知识【知识点一】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1】(多选)(2020·保定一模)如图所示，一质量M＝3kg、倾角为α＝45°的斜面体放在光滑水平地面上，斜面体上有一质量为m＝1kg的光滑楔形物体。用一水平向左的恒力F作用在斜面体上，系统恰好保持相对静止地向左运动。重力加速度取g＝10m/s2，下列判断正确的是()A．系统做匀速直线运动B．F＝40NC．斜面体对楔形物体的作用力大小为5eq\r(2)ND．增大力F，楔形物体将相对斜面体沿斜面向上运动【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。【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。【变式训练】(多选)(2021·商洛质检)如图所示，在粗糙的水平面上，质量分别为m和M的物块A、B用轻弹簧相连，两物块与水平面间的动摩擦因数均为μ，当用水平力F作用于B上且两物块共同向右以加速度a1匀加速运动时，弹簧的伸长量为x；当用同样大小的恒力F沿着倾角为θ的光滑斜面方向作用于B上且两物块共同以加速度a2匀加速沿斜面向上运动时，弹簧的伸长量为x2，则下列说法中正确的是()A．若m>M，有x1＝x2B．若m<M，有x1＝x2C．若μ>sinθ，有x1>x2D．若μ<sinθ，有x1<x2【例2】(多选)(2021·湖北荆州市高三上学期质量检测)如图所示，倾角为30°的光滑斜面上放一质量为m的盒子A，A盒用轻质细绳跨过光滑轻质定滑轮与B盒相连，A盒与定滑轮间的细绳与斜面平行，B盒内放一质量为eq\f(m,2)的物体.如果把这个物体改放在A盒内，则B盒加速度恰好与原来等值反向，重力加速度大小为g，则B盒的质量mB和系统的加速度a的大小分别为()A.mB＝eq\f(m,4) B.mB＝eq\f(3m,8)C.a＝0.2g D.a＝0.4g【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】(多选)(2021·湖北鄂东南联盟模拟)如图所示，A物体的质量是B物体的k倍．A物体放在光滑的水平桌面上通过轻绳与B物体相连，两物体释放后运动的加速度为a1，轻绳的拉力为FT1；若将两物体互换位置，释放后运动的加速度为a2，轻绳的拉力为FT2.不计滑轮摩擦和空气阻力，则()A．a1∶a2＝1∶k B．a1∶a2＝1∶1C．FT1∶FT2＝1∶k D．FT1∶FT2＝1∶1【知识点二】“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【例1】(2021·河南省顶尖名校4月联考)一传送带装置如图所示，其中AB段是水平的，长度LAB＝4m，BC段是倾斜的，长度LBC＝5m，倾角为θ＝37°，AB和BC由B点通过一段短的圆弧连接(图中未画出圆弧)，传送带以v＝4m/s的恒定速率顺时针运转，已知工件与传送带间的动摩擦因数μ＝0.5，重力加速度g取10m/s2。现将一个工件(可看作质点)无初速度地放在A点，求：(1)工件第一次到达B点所用的时间；(2)工件沿传送带上升的最大高度；(2)工件运动了23s后所在的位置。【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。【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.【变式训练1】．(多选)(2021·重庆市江津中学月考)如图所示，一粗糙的水平传送带以恒定的速度v1沿顺时针方向转动，传送带的左、右两端皆有一与传送带等高的光滑水平面，一物体以恒定的速度v2沿水平面分别从左、右两端滑上传送带，下列说法正确的是()A．物体从右端滑到左端所需的时间一定大于物体从左端滑到右端的时间B．若v2<v1，物体从左端滑上传送带必然先做加速运动，再做匀速运动C．若v2<v1，物体从右端滑上传送带，则物体可能到达左端D．若v2<v1，物体从右端滑上传送带又回到右端，在此过程中物体先做减速运动再做加速运动【变式训练2】(2021·湖南五市十校第二次联考)如图所示，倾角为θ＝37°的传送带以速度v1＝2m/s顺时针匀速转动，一物块以v2＝8m/s的速度从传送带的底端滑上传送带．已知小物块与传送带间的动摩擦因数μ＝0.5，传送带足够长，取sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10m/s2，下列说法正确的是()A．小物块向上运动过程中的加速度大小恒为10m/s2B．小物块向上运动的时间为1.6sC．小物块向上滑行的最远距离为3mD．小物块最终将随传送带一起向上匀速运动【知识点三】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＋x2【例1】一长木板置于粗糙水平地面上，木板左端放置一小物块；在木板右方有一墙壁，木板右端与墙壁的距离为4.5m，如图(a)所示。t＝0时刻开始，小物块与木板一起以共同速度向右运动，直至t＝1s时木板与墙壁碰撞(碰撞时间极短)。碰撞前后木板速度大小不变，方向相反；运动过程中小物块始终未离开木板。已知碰撞后1s时间内小物块的v­t图线如图(b)所示。木板的质量是小物块质量的15倍，重力加速度大小g取10m/s2。求：图(a)图(b)(1)木板与地面间的动摩擦因数μ1及小物块与木板间的动摩擦因数μ2；(2)木板的最小长度；(3)木板右端离墙壁的最终距离。【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。要求考生理解摩擦力产生的本质做出清晰的受力分析，能画出滑块木板相对运动的情景分析图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。【必备知识】1.“滑块—木板”模型问题中，靠摩擦力带动的那个物体的加速度有最大值：am＝eq\f(Ffm,m).假设两物体同时由静止运动，若整体加速度小于该值，则二者相对静止，二者间是静摩擦力；若整体加速度大于该值，则二者相对滑动，二者间为滑动摩擦力.2.滑块由滑板的一端运动到另一端的过程中，若滑块和滑板同向运动，位移之差等于板长；若反向运动，位移大小之和等于板长．【变式训练】(2021·云南省保山市第二次模拟)如图所示，两个完全相同的长木板放置于水平地面上，木板间紧密接触，每个木板质量M＝0.6kg，长度l＝0.5m．现有一质量m＝0.4kg的小木块，以初速度v0＝2m/s从木板的左端滑上木板，已知木块与木板间的动摩擦因数μ1＝0.3，木板与地面间的动摩擦因数μ2＝0.1，重力加速度g取10m/s2.求：(1)小木块滑上第二个木板的瞬间的速度大小；(2)小木块最终滑动的位移(保留3位有效数字)．三．讲关键能力【能力点一】.会分析弹簧连接体中的“分离问题”类型一.物块与弹簧分离分离类型：A与弹簧分离AAFa处于原长，分离：弹力为零；加速度此瞬间还为零AA处于压缩状态，接触类型二.B与地面分离分离类型：B与地面分离AABFa处于伸长状态，分离：弹力为零；加速度此瞬间还为零AAB处于压缩状态，xxOF分离mAax1+x2(mA+mB)g+mAa斜率k类型三.两物体分离问题分离类型：A、B分离AABFa处于压缩状态，x2=mB(g+a)/k分离：弹力为零；加速度瞬间还相等ttOv分离aBt1AAAB处于压缩状态，xxOF分离(mA+mB)ax1-x2mA(g+a)斜率k【例1】(2020·江西宜春市期末)如图所示，一弹簧一端固定在倾角为θ＝37°的足够长的光滑固定斜面的底端，另一端拴住质量为m1＝6kg的物体P，Q为一质量为m2＝10kg的物体，弹簧的质量不计，劲度系数k＝600N/m，系统处于静止状态.现给物体Q施加一个方向沿斜面向上的力F，使它从静止开始沿斜面向上做匀加速运动，已知在前0.2s时间内，F为变力，0.2s以后F为恒力，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g取10m/s2.求：(1)系统处于静止状态时，弹簧的压缩量x0；(2)物体Q从静止开始沿斜面向上做匀加速运动的加速度大小a；(3)力F的最大值与最小值.【素养提升】本题考察的学科素养主要是物理观念与科学思维。要求考生能抓住临界点分析临界态并能应用胡克定律、牛顿第二定律建立运动过程中的物理方程借助数学推理得出正确的结论。【变式训练1】(2020·广东深圳市模拟)如图所示，两个质量均为m的相同的物块叠放在一个轻弹簧上面，处于静止状态．弹簧的下端固定于地面上，弹簧的劲度系数为k.t＝0时刻，给A物块一个竖直向上的作用力F，使得两物块以0.5g(g为重力加速度)的加速度匀加速上升，下列说法正确的是()A．A、B分离前合外力大小与时间的平方t2成线性关系B．分离时弹簧处于原长状态C．在t＝eq\r(\f(2m,k))时刻A、B分离D．分离时B的速度大小为eq\r(\f(m,4k))g【变式训练2】如图所示，一弹簧一端固定在倾角为37°的光滑斜面的底端，另一端拴住质量为m1＝4kg的物块P，Q为一质量为m2＝8kg的重物，弹簧的质量不计，劲度系数k＝600N/m，系统处于静止状态，现给Q施加一个方向沿斜面向上的力F，使它从静止开始沿斜面向上做匀加速运动，已知在前0.2s时间内F为变力，0.2s以后F为恒力，已知sin37°＝0.6，g＝10m/s2，求力F的最大值与最小值．【能力点二】会分析传送带中位移、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【例1】(2021·山东省等级考试模拟)(多选)如图所示，三角形传送带以1m/s的速度逆时针匀速转动，两边的传送带长都是2m，且与水平方向的夹角均为37°.现有两个小物块A、B从传送带顶端都以1m/s的初速度沿传送带下滑，物块与传送带间的动摩擦因数均为0.5.下列说法中正确的是(g取10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)()A．物块A到达底端的速度比物块B到达底端的速度大B．物块A、B同时到达底端C．物块A先到达传送带底端D．物块A、B在传送带上的划痕长度之比为1∶3【素养提升】本题考察的学科素养主要是物理观念及科学思维。要求考生能理解摩擦力的产生原理能区分位移、相对位移、划痕等概念的异同与求法。【变式训练1】如图所示，传送带与水平地面的夹角θ＝37°，从A到B的长度为L＝10.25m，传送带以v0＝10m/s的速率逆时针转动.在传送带上端A无初速度地放一个质量为m＝0.5kg的黑色煤块，它与传送带之间的动摩擦因数为μ＝0.5.煤块在传送带上经过会留下黑色痕迹.已知sin37°＝0.6，g取10m/s2，求：(1)当煤块与传送带速度相同时，它们能否相对静止？(2)煤块从A到B的时间；(3)煤块从A到B的过程中在传送带上留下痕迹的长度.【变式训练2】(多选)(2021·陕西高三月考)应用于机场和火车站的安全检查仪，其传送装置可简化为如图2所示的模型.传送带始终保持v＝0.4m/s的恒定速率运行，行李与传送带之间的动摩擦因数μ＝0.2，A、B间的距离为2m，g取10m/s2.旅客把行李(可视为质点)无初速度地放在A处，则下列说法正确的是()A.开始时行李的加速度大小为2m/s2B.行李经过2s到达B处C.行李到达B处时速度大小为0.4m/sD.行李在传送带上留下的摩擦痕迹长度为0.08m【能力点三】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