2024年高考物理一轮复习(新人教版) 第3章 专题强化4 牛顿第2定律的综合应用.docx
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1、专题强化四牛顿第二定律的综合应用目标要求1.知道连接体的类型以及运动特点,会用整体法、隔离法解决连接体问题.2.理解几种常见的临界极值条件.3.会用极限法、假设法、数学方法解决临界极值问题.4.掌握运动学图像,并能分析图像特殊点、斜率、截距、面积的物理意义题型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、弹簧等联系)在一起构成的物体系统称为连接体连接体一般(含弹簧的系统,系统稳定时)具有相同的运动情况(速度、加速度)2常见的连接体(1)物物叠放连接体:两物体通过弹力、摩擦力作用,具有相同的速度和加速度速度、加速度相同(2)轻绳连接体:轻绳在伸直状态下,两端的连
2、接体沿绳方向的速度总是相等速度、加速度相同速度、加速度大小相等,方向不同(3)轻杆连接体:轻杆平动时,连接体具有相同的平动速度速度、加速度相同(4)弹簧连接体:在弹簧发生形变的过程中,两端连接体的速度、加速度不一定相等;在弹簧形变最大时,两端连接体的速度、加速度相等3整体法与隔离法在连接体中的应用整体法的选取原 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,分析整体受到的外力,应用牛顿第二定律求出加速度隔离法的选取原 则若连接体内各物体的加速度不相同,或者要求出系统内两物体之间的作用力时,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整体法、
3、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时,可以先用整体法求出加速度,然后再用隔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,后隔离求内力”. 考向1共速连接体例1如图所示,水平面上有两个质量分别为m1和m2的木块1和2,中间用一条轻绳连接,两木块的材料相同,现用力F向右拉木块2,当两木块一起向右做匀加速直线运动时,已知重力加速度为g,下列说法正确的是()A若水平面是光滑的,则m2越大绳的拉力越大B若木块和地面间的动摩擦因数为,则绳的拉力为m1gC绳的拉力大小与水平面是否粗糙无关D绳的拉力大小与水平面是否粗糙有关答案C解析若设木块和地面间
4、的动摩擦因数为,以两木块整体为研究对象,根据牛顿第二定律有F(m1m2)g(m1m2)a,得a,以木块1为研究对象,根据牛顿第二定律有FTm1gm1a,得a,系统加速度与木块1加速度相同,联立解得FTF,可知绳子拉力大小与动摩擦因数无关,与两木块质量大小有关,即与水平面是否粗糙无关,无论水平面是光滑的还是粗糙的,绳的拉力大小均为FTF,且m2越大绳的拉力越小,故选C.例2(多选)如图所示,质量分别为mA、mB的A、B两物块紧靠在一起放在倾角为的固定斜面上,两物块与斜面间的动摩擦因数相同,用始终平行于斜面向上的恒力F推A,使它们沿斜面向上匀加速运动,为了增大A、B间的压力,可行的办法是()A增大
5、推力F B减小倾角C减小B的质量 D减小A的质量答案AD解析设物块与斜面间的动摩擦因数为,对A、B整体受力分析,有F(mAmB)gsin (mAmB)gcos (mAmB)a,对B受力分析,有FABmBgsin mBgcos mBa,由以上两式可得FABF,为了增大A、B间的压力,即FAB增大,仅增大推力F、仅减小A的质量或仅增大B的质量,故A、D正确,B、C错误 考向2关联速度连接体例3(2023山东省师范大学附中高三月考)如图所示,足够长的倾角37的光滑斜面体固定在水平地面上,一根轻绳跨过定滑轮,一端与质量为m11 kg的物块A连接,另一端与质量为m23 kg的物块B连接,绳与斜面保持平行
6、开始时,用手按住A,使B悬于空中,释放后,在B落地之前,下列说法正确的是(所有摩擦均忽略不计,不计空气阻力,sin 370.6,cos 370.8,g取10 m/s2)()A绳的拉力大小为30 NB绳的拉力大小为6 NC物块B的加速度大小为6 m/s2D如果将物块B换成一个竖直向下且大小为30 N的力,对物块A的运动没有影响答案C解析对B分析,由牛顿第二定律得m2gFTm2a,对A、B整体分析,由牛顿第二定律得m2gm1gsin (m1m2)a,联立解得a6 m/s2,FT12 N,故A、B错误,C正确;如果将物块B换成一个竖直向下且大小为30 N的力,对A由牛顿第二定律得Fm1gsin m1
7、a,解得a24 m/s2,前后加速度不一样,对物块A的运动有影响,故D错误题型二动力学中的临界和极值问题 考向1相对滑动的临界问题例4(多选)如图甲所示,物块A、B静止叠放在水平地面上,B受到从零开始逐渐增大的水平拉力F的作用,A、B间的摩擦力Ff1、B与地面间的摩擦力Ff2随水平拉力F变化的情况如图乙所示已知物块A的质量m3 kg,取g10 m/s2,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则下列说法正确的是()A两物块间的动摩擦因数为0.2B当0F4 N时,A、B保持静止C当4 NF12 N时,A、B发生相对滑动D当F12 N时,A的加速度随F的增大而增大答案AB解析根据题图乙可知,发生相对滑动时,
8、A、B间的滑动摩擦力为6 N,所以A、B之间的动摩擦因数0.2,选项A正确;当0F4 N时,根据题图乙可知,Ff2还未达到B与地面间的最大静摩擦力,此时A、B保持静止,选项B正确;当4 NF12 N时,根据题图乙可知,此时A、B间的摩擦力还未达到最大静摩擦力,所以没有发生相对滑动,选项C错误;当F12 N时,根据题图乙可知,此时A、B发生相对滑动,对A物块有a2 m/s2,加速度不变,选项D错误例5如图所示,一块质量m2 kg的木块放置在质量M6 kg、倾角37的粗糙斜面体上,木块与斜面体间的动摩擦因数0.8,二者静止在光滑水平面上现对斜面体施加一个水平向左的作用力F,若要保证木块和斜面体不发
9、生相对滑动,求F的大小范围(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10 m/s2,sin 370.6,cos 370.8)答案0F310 N解析若要保证木块和斜面体不发生相对滑动,则两物体以相同的加速度向左做匀加速直线运动,由于tan ,故当F0时,木块静止在斜面体上,即F的最小值为0;根据题意可知,当木块相对斜面体恰不向上滑动时,F有最大值Fm,设此时两物体运动的加速度大小为a,两物体之间的摩擦力大小为Ff,斜面体对木块的支持力为FN.对整体和木块分别进行受力分析,如图甲、乙对整体受力分析有Fm(mM)a,对木块受力分析有FfFN,水平方向Ffcos FNsin ma,竖直方向FNcos mgF
10、fsin ,联立以上各式代入数据解得Fm310 N,故F的大小范围为0F310 N. 考向2恰好脱离的动力学临界问题例6(多选)如图所示,质量mB2 kg的水平托盘B与一竖直放置的轻弹簧焊接,托盘上放一质量mA1 kg的小物块A,整个装置静止现对小物块A施加一个竖直向上的变力F,使其从静止开始以加速度a2 m/s2做匀加速直线运动,已知弹簧的劲度系数k600 N/m,g10 m/s2.以下结论正确的是()A变力F的最小值为2 NB变力F的最小值为6 NC小物块A与托盘B分离瞬间的速度为0.2 m/sD小物块A与托盘B分离瞬间的速度为 m/s答案BC解析A、B整体受力产生加速度,则有FFNAB(
11、mAmB)g(mAmB)a,可得F(mAmB)a(mAmB)gFNAB,当FNAB最大时,F最小,即刚开始施力时,FNAB最大且等于A和B的重力之和,则Fmin(mAmB)a6 N,B正确,A错误;刚开始,弹簧的压缩量为x10.05 m,A、B分离时,其间恰好无作用力,对托盘B,由牛顿第二定律可知kx2mBgmBa,得x20.04 m,物块A在这一过程的位移为xx1x20.01 m,由运动学公式可知v22ax,代入数据得v0.2 m/s,C正确,D错误1常见的临界条件(1)两物体脱离的临界条件:FN0.(2)相对滑动的临界条件:静摩擦力达到最大值(3)绳子断裂或松弛的临界条件:绳子断裂的临界条
12、件是绳中张力等于它所能承受的最大张力;绳子松弛的临界条件是FT0.2解题基本思路(1)认真审题,详细分析问题中变化的过程(包括分析整个过程中有几个阶段);(2)寻找过程中变化的物理量;(3)探索物理量的变化规律;(4)确定临界状态,分析临界条件,找出临界关系3解题方法(1)极限法:把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的(2)假设法:临界问题存在多种可能,特别是非此即彼两种可能时,或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出现临界条件时,往往用假设法解决问题(3)数学法:将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式解出临界条件 考向3动力学中的极值问题
13、例7如图甲所示,木板与水平地面间的夹角可以随意改变,当30时,可视为质点的一小物块恰好能沿着木板匀速下滑如图乙,若让该小物块从木板的底端每次均以大小相等的初速度v010 m/s沿木板向上运动,随着的改变,小物块沿木板向上滑行的距离x将发生变化,重力加速度g取10 m/s2.(1)求小物块与木板间的动摩擦因数;(2)当角满足什么条件时,小物块沿木板向上滑行的距离最小,并求出此最小值答案(1)(2)60 m解析(1)当30时,小物块恰好能沿着木板匀速下滑,则mgsin 30Ff,Ffmgcos 30,联立解得.(2)当变化时,设沿斜面向上为正方向,物块的加速度为a,则mgsin mgcos ma,
14、由0v022ax得x,令cos ,sin ,即tan ,故30,又因x当90,即60时x最小,最小值为xmin m.题型三动力学图像问题1常见图像(1)vt图像:根据图像的斜率判断加速度的大小和方向,再根据牛顿第二定律求解(2)at图像:注意加速度的正负,正确分析每一段的运动情况,然后结合物体的受力情况应用牛顿第二定律列方程求解(3)Ft图像:结合物体受到的力,由牛顿第二定律求出加速度,分析每一段的运动情况(4)Fa图像:首先要根据具体的物理情景,对物体进行受力分析,然后根据牛顿第二定律推导出两个量间的函数关系式,根据函数关系式结合图像,明确图像的斜率、截距或面积的意义,从而由图像给出的信息求
15、出未知量2解题策略(1)分清图像的类别:即分清横、纵坐标所代表的物理量,明确其物理意义,掌握物理图像所反映的物理过程,会分析临界点(2)注意图线中的一些特殊点: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、情景结合起来,应用物理规律列出与图像对应的函数方程式,进而明确“图像与公式”“图像与物体”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断例8(2023云南省玉溪师范学院附属中学高三检测)如图甲所示,一轻质弹簧的下端固定在水平面上,上端放置一物体(物体与弹簧不拴接),初始时物体处于静止状态,现用竖直向上的拉力F作用在物体上,使物体开始向上做
16、匀加速运动,拉力F与物体位移x的关系如图乙所示(g10 m/s2),则正确的结论是()A物体与弹簧分离时,弹簧处于压缩状态B弹簧的劲度系数为7.5 N/cmC物体的质量为3 kgD物体的加速度大小为5 m/s2答案D解析物体与弹簧分离时,二者没有相互作用力,所以弹簧处于原长,A错误;物体与弹簧一起向上匀加速时,根据牛顿第二定律得Fk(x0x)mgma,则Fkxmgmakx0,可知题图乙中图线斜率表示劲度系数,可得k5 N/cm,B错误;根据牛顿第二定律有10 Nma,30 Nmgma,联立解得m2 kg,a5 m/s2,C错误,D正确例9(多选)(2021全国乙卷21)水平地面上有一质量为m1
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