2022年高中物理常见的物理模型 .pdf

1 专题：高中物理力学常见物理模型高考中常出现的物理模型：斜面模型 、叠加体模型 (包含滑块、子弹射入 )、 弹簧、轻绳、轻杆 连接体模型 、传送带模型 、人船模型 、碰撞模型 等。一、斜面模型每年各地高考卷中几乎都有关于斜面模型的试题。以下结论有助于更好更快地理清解题思路和方法1自由释放的滑块能在斜面上(如右图 )匀速下滑时， m 与 M 之间的动摩擦因数 gtan 2自由释放的滑块在斜面上(如右图所示 )：(1)静止或匀速下滑时，斜面M 对水平地面的静摩擦力为零；(2)加速下滑时，斜面对水平地面的静摩擦力水平向右；(3)减速下滑时，斜面对水平地面的静摩擦力水平向左3自由释放的滑块在斜面上(如右图所示 )匀速下滑时， M 对水平地面的静摩擦力为零，这一过程中再在m 上加上任何方向的作用力，(在 m 停止前 )M 对水平地面的静摩擦力依然为零.4悬挂有物体的小车在斜面上滑行(如右图所示 )：(1)向下的加速度agsin 时，悬绳稳定时将垂直于斜面；(2)向下的加速度agsin 时，悬绳稳定时将偏离垂直方向向上；(3)向下的加速度agsin 时，悬绳将偏离垂直方向向下5在倾角为的斜面上以速度v0平抛一小球 (如右图所示 )：(1)落到斜面上的时间t2v0tan g；(2)落到斜面上时，速度的方向与水平方向的夹角恒定，且tan 2tan ，与初速度无关；(3)经过 tcv0tan g小球距斜面最远，最大距离d(v0sin )22gcos 6如下图，当整体有向右的加速度agtan 时，m 能在斜面上保持相对静止7在如以下图所示的物理模型中，当回路的总电阻恒定、导轨光滑时，ab 棒所能到达的稳定速度vmmgRsin B2L28如以下图所示，当各接触面均光滑时，在小球从斜面顶端滑下的过程中，斜面后退的位移smm ML精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页2 v v t t 二、叠加体模型叠加体模型包括滑块、子弹打木块、滑环直杆、传送带等模型，传送带另详述在高考中频现，常需求解摩擦力、相对滑动路程、摩擦生热、多次作用后的速度等。1.两个典型情境和结论需熟记和灵活运用：2.滑块(包括子弹射击 )模型常用的力学规律：(1) 叠放的长方体物块A、B在光滑的水平面上匀速运动或在光滑的斜面上自由释放后变速运动的过程中( 如下左图所示) ，A、B之间无摩擦力作用(2) 如上右图所示，一对滑动摩擦力做的总功一定为负值， 其绝对值等于摩擦力乘以相对滑动的总路程或等于摩擦产生的热量，与单个物体的位移无关，即：Q摩fs相(1)运动学规律：追及问题或相对运动问题(2)动力学规律：牛顿第二定律(3)能量的规律：动能定理和能量守恒定律(4)动量的规律：系统总动量守恒(5)图像的描述：运动图像v-t ：典例分析例 1、质量为 m 的物块， 以速度 v0滑到质量为M的静止木板上，木板放在光滑的水平面上，物块与木板之间的滑动摩擦因数为，将物块视为质点，要使物块不致从木板上滑出，木板长度L 至少应为多少 ?。变式练习 1 同上图所示， 质量 M=4Kg 长为 L=10m的木板停放在光滑水平面，另一不计长度质量m=1kg 的木块以某一速度从右端滑上木板，木板与木块间的动摩擦因数=0. 8.假设要使木板获得的速度不大于2m/s，则木块的初速度vO应满足的条件( ) A. vO8m/s B. vO10m/s C. vO15m/s D. vO20m/s 变式练习2如下图 ，C是放在光滑的水平面上的木板，质量为3m ，在木板上面有两块质量均为m的小木块 A和 B，它们与木板间的动摩擦因数均为。最初木板静止，A、B 两木块同时以水平向右的初速度 0和 20在木板上滑动，木板足够长，A 、 B 始终未滑离木板。求：1木块 B从刚开始运动到与木板C速度刚好相等过程中，木块B所发生的位移。2木块 A在整个过程中的最小速度值。例 2 如下图，在足够长的光滑水平面上，放置一长为 L1m、质量为m1=0.5kg 的木板A，一质量为m2=1kg 的小物体B 以初速度v0=4m/s2滑上 A 的上外表，A 与 B 之间的动摩擦因数为=0.2, g=10m/s2；(1)当 B 刚从 A 上滑落时， A、B 的速度分别是多大？(2)为使 B 不从木板 A 上滑落， 当 B 滑上 A 的同时，在 A 的右端始终施加一个水平向右的恒力F，求 F的大小应满足的条件。例 3 质量为 M 的均匀木块静止在光滑的水平面上，木块左右两侧各有一位拿着完全相同的步枪和子弹的射击手首先左侧的射击手开枪，子弹水平射入木块的最大深度为d1，然后右侧的射击手开枪，子弹水平射入木块的最大深度为d2， 如下图设子弹均未射穿木块，且两子弹与木块之间的作用力大小均相同当两颗子弹均相对木块静止时，以下说法正确的选项是() A最终木块静止，d1d2B最终木块向右运动，d1d2C最终木块静止，d1d2例4( 2010 新课标卷 ) 如下图，光滑的水平地面上有一木板，其左端放有一重物，右方有一竖直的墙 . 重物质量为木板质量的2倍，重物与木板间的动摩擦因数为. 使木板与重物以共同的速度v0向右运动，某时刻木板与墙发生弹性碰撞，碰撞时间极短. 求木板从第一次与墙碰撞到再次碰撞所经历的时间. 设木板足够长，重物始终在木板上 . 重力加速度为g 例5 在地面上方足够高的地方，存在一个高度d=0.30m的“相互作用区域”如右图中划有虚线的部分 .一小圆环A套在一条均匀直杆B上，A和B的质量均为m，开始时A处于B的最下端，B竖直放置. A距“相互作用区域”的高度h0.20m，让A和B一起由静止开始下落，它们之间的滑动摩擦力f=0.5mg. 当A进入“相互作用区域”时，A受到方向向上的恒力F作用，F=2mg ，“相互作用区域” 对杆B不产生作用力已知杆B着地前A和B的速度相同不计空气阻力，取重力加速度g=10m/s2. (1) 求环 A刚离开“相互作用区域”时杆B的速度 . (2) 假设杆B着地前A和B的速度相同， 求这一速度的大小设杆B在下落过程中始终保持竖直且足够长精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页3 三、弹簧模型高考常以弹簧为载体设计出各类试题。这类试题涉及静力学问题、动力学问题、功能问题、动量守恒和能量守恒问题、振动问题等，几乎贯穿了整个力学的知识体系对于弹簧，从 受力角度 看，弹簧上的弹力是变力；从能量角度 看，弹簧是个储能元件题目类型有：静力学中的弹簧问题，动力学中的弹簧问题，与动量和能量有关的弹簧问题现将有关弹簧问题分类剖析热点(一) 静力学中的弹簧问题(1) 胡克定律： F-kx， Fkx(2) 对弹簧秤的两端施加( 沿轴线方向 ) 大小不同的拉力，弹簧秤的示数一定等于挂钩上的拉力例 6 如下图，两木块A、B 的质量分别为m1和m2，两轻质弹簧的劲度系数分别为k1和 k2，两弹簧分别连接A、B，整个系统处于平衡状态现缓慢向上提木块A，直到下面的弹簧对地面的压力恰好为零，在此过程中A 和 B 的重力势能共增加了A(m1m2)2g2k1k2B(m1m2)2g22(k1k2)C(m1m2)2g2(k1k2k1k2) D(m1m2)2g2k2m1(m1m2)g2k1热点(二) 动力学中的弹簧问题(1) 瞬时加速度问题( 与轻绳、轻杆不同) ：一端固定、另一端接有物体的弹簧，形变不会发生突变，弹力也不会发生突变(2) 如下图，将A、B下压后撤去外力，弹簧在恢复原长时刻B与A开始别离例 7 如下图，一轻质弹簧竖直放置在水平面上，弹簧上端放着质量为2kg 的物体 A，处于静止状态。现将一个质量为3kg 的物体 B 轻放在 A 上，释放瞬间， B 对 A 的压力大小为 (取 g=10ms2) A0N B12N C20N D30N 例 8 如图甲所示，在粗糙的水平面上，质量分别为 m 和 M m M12 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相同。当用水平力F作用于 B 上且两块共同向右加速运动时，弹簧的伸长量为1x ；当用同样大小的力F竖直加速提升两物块时如图乙所示，弹簧的伸长量为2x ，则1x 2x 等于A 11B12 C21 D23 例 9如下图，质量都为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，运动距离h 时 B 与 A 别离则以下说法中正确的选项是() AB 和 A 刚别离时，弹簧为原长BB 和 A刚别离时，它们的加速度为gC弹簧的劲度系数等于mg/hD在 B 与 A 别离之前，它们做匀加速运动例 10 一根劲度系数为k,质量不计的轻弹簧，上端固定 ,下端系一质量为m 的物体 ,有一水平板将物体托住 ,并使弹簧处于自然长度。如下图。 现让木板由静止开始以加速度a(ag匀加速向下移动。求经过多长时间木板开始与物体别离。热点(三) 能量、动量相关的弹簧问题与动量、能量相关的弹簧问题在解析过程中以下两点结论的应用非常重要：(1) 弹簧压缩和伸长的形变相同时，弹簧的弹性势能相等；(2) 弹簧连接两个物体做变速运动时，弹簧处于原长时两物体的相对速度最大，弹簧的形变最大时两物体的速度相等精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页4 例 11 如下图， 一轻弹簧直立于水平地面上，质量为 m 的小球从距离弹簧上端B 点 h 高处的 A 点自由下落， 在 C 点处小球速度到达最大x0表示 B、C 两点之间的距离；Ek表示小球在C 处的动能 假设改变高度h，则以下表示x0随 h 变化的图象和 Ek随 h 变化的图象中正确的选项是( )例 12 如下图 , 一物体质量m=2 kg. 在倾角为=37的斜面上的A点以初速度v0=3 m/s 下滑 ,A 点距弹簧上端B的距离 AB=4 m.当物体到达B后将弹簧压缩到 C点, 最大压缩量BC=0.2 m,然后物体又被弹簧弹上去 , 弹到的最高位置为D 点,D 点距A 点AD=3 m.挡板及弹簧质量不计,g 取 10 m/s2. 求: (1) 物体与斜面间的动摩擦因数. (2) 弹簧的最大弹性势能Epm.例 13 如下图， 用轻弹簧将质量均为m1 kg 的物块 A 和 B 连接起来， 将它们固定在空中，弹簧处于原长状态，A 距地面的高度h10.90 m同时释放两物块， A 与地面碰撞后速度立即变为零，由于B 压缩弹簧后被反弹， 使 A 刚好能离开地面(但不继续上升 ) 假设将 B 物块换为质量为2m 的物块 C(图中未画出 )，仍将它与 A 固定在空中且弹簧处于原长，从A 距地面的高度为h2处同时释放， C 压缩弹簧被反弹后，A 也刚好能离开地面已知弹簧的劲度系数 k100 N/m ，求 h2的大小例 14用轻弹簧相连的质量均为2 kg 的 A、B两物块都以v6 m/s 的速度在光滑的水平地面上运动，弹簧处于原长， 质量为 4 kg 的物块 C 静止在前方，如下图B 与 C 碰撞后二者粘在一起运动，则在以后的运动中：(1)当弹簧的弹性势能最大时，物体 A的速度为多大？(2)弹簧弹性势能的最大值是多少？(3)A 的速度方向有可能向左吗？为什么？例 162010武汉调研在探究某种笔的弹跳问题时，建立以下简化模型进行研究。把笔分为轻质弹簧、圆筒和直杆三部分，薄挡板P固定在直杆上，轻质弹簧的两端分别固定在圆筒顶部和薄挡板P上，质量为M的圆筒可沿直杆无摩擦滑动，直杆和挡板P的总质量为m。 开始时将笔直立于水平桌面，在桌面上方的矩形区域内有竖直向上的匀强电场，带正电的挡板P非常靠近电场的上边界，挡板P与周围物体绝缘接触，受到的电场力与笔的重力大小相等。向上移动圆筒使弹簧处于原长状态，此时挡板P刚好与圆筒底部接触，如图甲所示。现用力缓慢向下压圆筒，使圆筒底部恰好与水平桌面接触，此过程中压力做功为W，如图乙所示。撤除压力，圆筒弹起并与挡板P碰撞，两者一起上升到最大高度后自由落下，此后直杆在桌面上多次跳动。假设圆筒与挡板P每次碰撞结束时均具有相同速度，碰撞时间均忽略不计。直杆与桌面每次碰撞后均不反弹，直杆始终保持竖直状态。不计一切摩擦与空气阻力，重力加速度大小为g，求：1直杆第一次上升的最大高度h1；2直杆运动的总路程h。例 14如下图，光滑水平面MN 的左端 M 处有一弹射装置P， 右端 N 处与水平传送带恰平齐接触，传送带水平部分长度L=8 m ， 沿逆时针方向以恒定速度 v = 6m/s 匀速转动。 放在水平面上的两相同小物块 A、B 间有一被压缩的轻质弹簧，弹性势能Ep=16J， 弹簧与物块A 相连接， 与 B 不连接， 物块 A、B 与传送带间的动摩擦因数 =0.2。物块 A、B 质量mA=mB=1kg 。现把 A、 B 由静止开始释放，弹簧弹开，在 B 离开弹簧时，A 未与弹射装置P 碰撞， B未滑上传送带，g 取 10m/s2。求：1物块 B 滑上传送带后， 向右运动的最远处 从地面上看离N 点的距离。2物块 B 从滑上传送带到返回到N 端的时间。3 物块 B 回到水平面MN 上后压缩被弹射装置P弹回的 A 上的弹簧， B 与弹簧别离时，A、B 互换速度， 然后 B 再滑上传送带。 则弹射装置P 必须给A 做多少功才能使得B 能从 Q 端滑出。例 172010武汉调研如图甲所示，一轻弹簧的两端与质量分别为m1和 m2的两物块A、B的连接，并静止在光滑的水平面上，现使A瞬时获得水平向右的速度v0，以此刻为计时起点，两物块的速度随时间变化的规律如图乙所示。求：1两物块质量之比m1:m2多大？2当 A物体的速度最小时，弹簧的弹性势能1pE多大？计算结果用m1和 v0表示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页5 四、传送带模型皮带传送类问题中,物体所受的摩擦力的大小和方向、运动性质都具有变化性，涉及力、相对运动、能量转化等各方面的知识.能较好地考查学生分析物理过程及应用物理规律解答物理问题的能力对于滑块静止放在匀速传动的传送带上的模型，以下结论需熟记：(1) 滑块加速过程的位移等于滑块与传送带相对滑动的距离。2对于水平传送带，滑块加速过程中传送带对其做的功等于这一过程由摩擦产生的热量. 即传送装置在这一过程需额外(相对空载 )做的功 Wmv22Ek2Q摩1传送带问题分类按放置分 : 水平、倾斜、水平与倾斜交接按转向分 : 顺时针、逆时针按问题分：运动学型，如运动时间、痕迹问题、运动图像问题动力学型能量守恒型2传送带问题解题策略1受力分析和运动分析是基础。首先根据初始条件比较对地的速度v物与v传的大小与方向，明确物体受到的摩擦力的种类及其规律，然后分析出物体受的合外力和加速度大小和方向，再结合物体的初速度确定物体的运动性质。当v物=v传且方向相同时，物体能否与皮带保持相对静止。采用假设法，假设能否成立关键看f静是否在0- fmax之间 。对于倾斜传送带一般需要结合mgsin、mgcos 的大小关系进行分析比较与tan受力分析的关键是摩擦力分析：物体和传送带等速时刻 是摩擦力大小、 方向、运动性质的 突变临界点 。2参考系的正确选择是关键。(a) 根据合外力和初速度明确物体的运动性质是以地面为参考系的；(b) 根据运动学公式计算时，v、a、s都是以地面为参考系的；(c) 物体在传送带上的划痕s相= s物-s传是以传送带为参考系的。(d) 涉及到摩擦力的方向、摩擦生热现象中s相都是以传送带为参考系的。3传送带问题中的功能分析(a) 传送带对物体做功：Wf=fS物 , 克服 f 做功： W克 f=fS传(b) 产生的内能： Q=fS相对c如物体无初速，放在水平传送带上，则在整个加速过程中物体获得的动能Ek和因摩擦而产生的热量Q有如下关系：热点一水平放置运行的传送带处理水平放置的传送带问题，首先是要对放在传送带上的物体进行受力分析 ，分清物体所受摩擦力是阻力还是动力；其二是对物体进行运动状态分析，即对 静态动态终态进行分析和判断，对其全过程作出合理分析、推论，进而采用有关物理规律求解. 例 18 如下图，一平直的传送带以v=2m/s 的速度匀速运行，传送带把A 处的工件运送到B 处.A、B相距 L=10m. 从 A 处把工件无初速度地放到传送带上，经过时间t=6s 传送到 B 处，欲用最短的时间把工件从 A 处传送到B 处， 求传送带的运行速度至少多大？ 例 19 如下图。水平传送装置由轮半径均为mR1的主动轮 O1和从动轮O2及传送带等构成。两轮轴心相距L=8.0m ，轮与传送带不打滑。现用此装置运送一袋面粉，已知面粉袋与传送带间的动摩擦因数为=0.4，这袋面粉中间的面粉可不断地从袋中渗出。1当传送带以v0=4.0m/s 的速度匀速运动时，将这袋面粉由左端O2正上方的A 点轻放在传送带上后，这袋面粉由A 端运送到O1正上方的B 端所用时间为多少？2要想尽快将这带面粉由A 端送到 B 端设初速度仍为零 ，主动轮O1的转速至少为多大？3由于面粉的渗漏，在运送这袋面粉的过程中会在深色传送带上留下白色的面粉的痕迹。这袋面粉在传送带上留下的痕迹最长能有多长设袋的初速度仍为零？此时主动轮的转速应满足何种条件？例 20 如下图，足够长的水平传送带始终以v3 m/s的速度向左运动， 传送带上有一质量M2 kg 的小木盒 A， A 与传送带之间的动摩擦因数 0.3开相传21()22kvtEQfsfvtmv精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页6 始时， A 与传送带之间保持相对静止现有两个光滑的质量均为m1 kg 的小球先后相隔 t3 s 自传送带的左端出发，以v015 m/s 的速度在传送带上向右运动 第1个球与木盒相遇后立即进入盒中并与盒保持相对静止；第2 个球出发后历时 t1=1/3s才与木盒相遇取g10 m/s2，问：(1)第 1 个球与木盒相遇后瞬间，两者共同运动的速度为多大？(2)第 1 个球出发后经过多长时间与木盒相遇？(3)在木盒与第 1个球相遇至与第2个球相遇过程中，由于木盒与传送带间的摩擦而产生的热量是多少？例 21 (2009 江苏模拟 )一质量为 M 2.0kg 的小物块随足够长的水平传送带一起向右匀速运动，被一水平向左飞来的子弹击中，且子弹从小物块中穿过，子弹和小物块的作用时间极短，如图甲所示 地面观察者记录的小物块被击中后的速度随时间变化关系如图乙所示(图中取向右运动方向为正方向)已知传送带的速度保持不变，g 取 10m/s2.求(1)传送带的速度v 的大小；(2)小物块与传送带之间的动摩擦因数 ；(3)传送带对小物块所做的功17例 22 如下图，水平传送带AB 长 l=8.3m，质量为M=1kg 的木块随传送带一起以v1=2m/s 的速度向左匀速运动传送带的传送速度恒定，木块与传送带间的动摩擦因数=0.5当木块运动至最左端A点时， 一颗质量为m=20g 的子弹以v0=300m/s 水平向 右 的 速 度 正 对 射 入 木 块 并 穿 出 ， 穿 出 速 度v=50m/s，以后每隔1s 就有一颗子弹射向木块，设子弹射穿木块的时间极短，且每次射入点各不相同， g 取 10m/s2求：1在被第二颗子弹击中前，木块向右运动离A 点的最大距离？2木块在传达带上最多能被多少颗子弹击中？3从第一颗子弹射中木块到木块最终离开传送带的过程中，子弹、木块和传送带这一系统产生的热能是多少？热点二倾斜放置运行的传送带问题倾斜传送带是指两皮带轮等大，轴心共面但不在同一水平线上不等高，传送带将物体在斜面上传送的装置处理这类问题，同样是先对物体进行受力分析 ，再判断 摩擦力的方向是关键，正确理解题意和挖掘题中隐含条件是解决这类问题的突破口例 23 如下图，传送带与水平面的夹角为370并以 10m/s 的速度匀速运动着，在传送带的A 端轻轻放一小物体，假设已知物体与传送带间的动摩擦因数为 =0.5，AB 间距离 S=16m，则小物体从A 端运动到 B 端所需的时间为：1传送带顺时针方向转动？2传送带逆时针方向转动？例24 如下图为一货物传送货物的传送带abc. 传送带的ab 部分与水平面夹角 =37，bc 部分与水平面夹角=53，ab 部分长度为4.7m，bc 部分长度为 3.5m. 一个质量为m=1kg 的小物体A 可视为质点与传送带的动摩擦因数=0.8. 传送带沿顺时针方向以速率v=1m/s匀速转动 . 假设把物体A 轻放到 a 处，它将被传送带送到c 处，此过程中物体A不会脱离传送带. sin37 =0.6， sin53 =0.8， g=10m/s2 1物体 A 从 a 处被传送到b 处所用的时间； 2在传送物体从a 至 c 的全过程中，由于物体与传送带之间的摩擦产生的热量。例 25 如下图，物块从光滑曲面上的P 点自由滑下，通过粗糙的静止水平传送带后落到地面上的Q点 假设传送带的皮带轮沿逆时针方向匀速运动(使传送带随之运动)， 物块仍从 P点自由滑下， 则() A物块有可能不落到地面上B物块仍将落在Q 点C物块将会落在Q 点的左边D物块将会落在Q 点的右边例 26 如下图， AB 是一段位于竖直平面内的光滑轨道，高度为h，末端B 处的切线方向水平一个质量为 m 的小物体 P 从轨道顶端A 处由静止释放，滑到 B 端后飞出，落到地面上的C 点，轨迹如图中虚线 BC 所示已知它落地时相对于B 点的水平位移 OCl现在轨道下方紧贴B 点安装一水平传送带，传送带的右端与B 的距离为l 2当传送带静止时，让 P 再次从 A 点由静止释放， 它离开轨道并在传送带上滑行后从右端水平飞出，仍然落在地面的C点当驱动轮转动从而带动传送带以速度v 匀速向右运动时其他条件不变，P 的落地点为D 不计空气阻力1求 P 滑至 B 点时的速度大小；2求 P 与传送带之间的动摩擦因数；3求出 O、D 间的距离s 随速度 v 变化的函数关系式。v0 mABM精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页