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【關(guān)鍵詞】牛頓第二定律;應(yīng)用;技巧;策略
一、運(yùn)用“隔離法”,化繁為簡(jiǎn)
在牛頓第二定律的應(yīng)用中,多物體構(gòu)建下的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),往往讓學(xué)生在物體受力分析和運(yùn)動(dòng)分析中,有種“丈二的和尚摸不到頭”的感覺。這時(shí),懂得“隔離法”的應(yīng)用,化繁為簡(jiǎn),將運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的物體隔離出來,獨(dú)立狀態(tài)下的物體受力與運(yùn)動(dòng)分析,顯然更容易上手。
例1,如圖1-1所示,在傾角為α的光滑斜面上,被繩子拴住的模板上,站著一只小貓。已知木板的質(zhì)量為M,是小貓的質(zhì)量m的兩倍。當(dāng)拴住木板的斷開時(shí),小貓沿著木板往上跑,與斜面保持位置相對(duì)不變的狀態(tài)。問:此時(shí)木板沿斜面的下滑加速度是多少?
在對(duì)該題的解答中,學(xué)生就可以通過“隔離法”,對(duì)木板、貓分別進(jìn)行受力及運(yùn)動(dòng)分析,然后根據(jù)牛頓第二定律列式求解,達(dá)到解題要目的。
解答:(1)對(duì)木板分析,其受力如圖1-2所示。由題意可知,相對(duì)于斜面,木板是向下做勻加速運(yùn)動(dòng)。因此,可得:
Ff +Mg?sinα=Ma ①
(2)對(duì)小貓分析,其受力分析如圖1-3所示。由題意可知,相對(duì)于地面,小貓?zhí)幱陟o止的狀態(tài)(受力平衡)。因此,可得:
Ff +mg?sinα=Mg?sinα ②
將①②式聯(lián)立可得:a=g?sinα。
二、運(yùn)用“整體法”,迎“繁”而上
對(duì)于物理基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生而言,整體法在牛頓第二定律中的巧用,可以起到迎“繁”而上的良好效果。在整體法的應(yīng)用中,可以將不同加速度的物體作為一個(gè)系統(tǒng),則可以建立矢量式:F合=m1a1+m2a2+…+mnan。
仍是例1,我們就可以運(yùn)用“整體法”,消除單獨(dú)物體受力分析的繁瑣。當(dāng)繩子斷開之后,系統(tǒng)的受力及運(yùn)動(dòng)分析如圖2-1所示。
在x軸方向,整體所受合力為:(M+m)g?sinα=F合 ①
在矢量等式x方向中,由牛頓第二定律可得:
Ma+m?0=F合 ②
M=2m ③
聯(lián)立①②③可得:a=gsinα。
三、運(yùn)用“假設(shè)法”,拓展解題思路
假設(shè)法在高中物理解題中應(yīng)用比較頻繁,特別是對(duì)于力學(xué)中的牛頓第二定律,為了方便解題,往往可以通過假設(shè),再以假設(shè)作為解題的入口,運(yùn)用牛頓第二定律得出結(jié)果。在一定程度上,假設(shè)法可以拓展學(xué)生的解題思路,而不是讓學(xué)生就一根筋的在想“物體A的加速度是向下還是上”。
例2:如圖3-1所示,物體A、B連接于滑輪之上,質(zhì)量分別為M、m。光滑斜面的傾角為α,C端固定于斜面,且不計(jì)滑輪及一切摩擦。問:物體A、B的加速度分別是多少?
解答:由于物體A、B的運(yùn)動(dòng)方向無法確定,為了便于分析,可以假設(shè)物體A的加速度aA沿斜面向下,那么物體B的加速度aB則豎直向上。于是,對(duì)物體A、B作如圖3-2、3-3所示的受力及運(yùn)動(dòng)分析。
由牛頓第二定律可得:
Mg?sinα-FTA=MaA ①
FTB-mg=maB ②
由題意可知:
FTA=2FTB ③
aA=aB ④
聯(lián)立①②③④可得:
aA=g
aB=g
【參考文獻(xiàn)】
【關(guān)鍵詞】平行前進(jìn) 一虛一實(shí) 環(huán)環(huán)相扣 藝術(shù)處理 牛頓第二定律
【中圖分類號(hào)】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810(2012)16-0149-01
一 “牛頓第二定律”課的教學(xué)主線
筆者在課堂教學(xué)的主線上采用雙主線平行前進(jìn)的方法,一條主線以解讀牛頓第二定律為知識(shí)體系層層推進(jìn),著重解決應(yīng)該如何理解和應(yīng)用牛頓第二定律;另一條主線則以《小球歷險(xiǎn)記》為情節(jié)步步展開,分析小球在“歷險(xiǎn)”過程中的種種情況(受力情況、運(yùn)動(dòng)情況及力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系)。兩條主線并行交錯(cuò),互為補(bǔ)充,取得了良好的教學(xué)效果。
“牛頓第二定律”課教學(xué)示意圖
二 “牛頓第二定律”教學(xué)主線的特點(diǎn)
1.平行前進(jìn),交錯(cuò)延伸
從上面的圖表中不難看出本節(jié)課的兩條教學(xué)主線是既平行又交錯(cuò)的關(guān)系。這樣,學(xué)生既理解了牛頓第二定律的本質(zhì),掌握了應(yīng)用牛頓第二定律的關(guān)鍵問題,又學(xué)會(huì)了如何應(yīng)用牛頓第二定律解決實(shí)際問題。
2.一虛一實(shí),相互“利用”
本節(jié)課的兩條主線中,小球是實(shí)實(shí)在在的,但不是這節(jié)課的重點(diǎn);而“解讀”是抽象的,但它恰恰是本節(jié)課所要達(dá)到的主要目標(biāo)。筆者在這兩條主線的設(shè)計(jì)上,一方面,讓具體的小球不斷在“歷險(xiǎn)”中碰到“問題”,再從問題的分析、解決中總結(jié)規(guī)律——抽象地“解讀”。另一方面,讓抽象“解讀”得出的有關(guān)結(jié)論,解決小球在“歷險(xiǎn)”中碰到的新問題。
3.環(huán)環(huán)相扣,層層推進(jìn)
本節(jié)課的兩條主線從邏輯思維上看是環(huán)環(huán)相扣的,而從問題的難度上看是層層推進(jìn)的。以小球這條主線來說,一方面,以“序幕——啟程——?dú)v險(xiǎn)——奇遇”為情節(jié)環(huán)環(huán)相扣。另一方面,從分析“靜止”到“運(yùn)動(dòng)”,從“合力為零”到“合力不為零”,從“受力恒定”到“受力變化”,一步一步,把問題不斷拓展、不斷深化。
4.藝術(shù)處理,引人入勝
本節(jié)課將兩條主線以不同的表現(xiàn)風(fēng)格展示出來,一莊一諧?!敖庾x”是嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的,“歷險(xiǎn)”則是生動(dòng)詼諧的。用擬人化的手法和形象化的語言,將空洞抽象的理論用具體形象的小球在“歷險(xiǎn)”中“問題化”“情節(jié)化”,用大家熟悉的形式展現(xiàn)出來,又以插播廣告的方式總結(jié)出牛頓第二定律的有關(guān)規(guī)律,新穎別致、通俗易懂。而通過PPT等媒體教學(xué)手段,將問題逐步展示,不斷變化,一波三折、跌宕起伏,很好地吸引了學(xué)生的眼球、抓住了學(xué)生的思想,達(dá)到了很好的教學(xué)效果。
三 常用的教學(xué)主線
第一,“論文”型——旁征博引,嚴(yán)絲合縫。這種主線以“科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)”見長(zhǎng),通常適用于一些物理規(guī)律的教學(xué)。這樣的主線,脈絡(luò)分明、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn),擺事實(shí)、講道理、重發(fā)展,是物理規(guī)律教學(xué)的主要教學(xué)思路。
第二,“小說”型——曲徑通幽,懸念迭出。這種主線以“情節(jié)曲折”取勝,通常對(duì)一些以習(xí)題為主的課,可以采用這種主線??梢园此鶎W(xué)內(nèi)容的知識(shí)體系和內(nèi)在關(guān)系將問題系列化、情節(jié)化,將問題以“串聯(lián)”的方式組織起來。這種主線強(qiáng)調(diào)一題多解和一題多變,在“多解”中尋找解決問題的一般思路和最佳方案;在“多變”中領(lǐng)悟物理的變與不變的辯證關(guān)系。比如,本節(jié)課中的“小球歷險(xiǎn)”問題。有時(shí)也可以用物理中的一些“佯謬”“上當(dāng)題”“易錯(cuò)題”作為教學(xué)主線,讓學(xué)生在辨析中領(lǐng)悟真諦;在“上當(dāng)”中增長(zhǎng)知識(shí);在“錯(cuò)誤”中走向成功。這樣的教學(xué)主線,使枯燥沉悶的習(xí)題教學(xué)變得生動(dòng)形象、變化多彩,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生多方面的能力。
1正確理解牛頓第二定律的兩個(gè)特性――矢量性和瞬時(shí)性
1.1矢量性
力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式∑F=ma中,等號(hào)不僅表示左右兩邊數(shù)值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同。
1.2瞬時(shí)性
當(dāng)物體(質(zhì)量一定)所受外力發(fā)生突然變化時(shí),作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時(shí)發(fā)生突變;當(dāng)合外力為零時(shí),加速度同時(shí)為零,加速度與合外力保持一一 對(duì)應(yīng)關(guān)系。牛頓第二定律是一個(gè)瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的規(guī)律,表明了力的瞬間效應(yīng)。
例1一物體放在光滑水平面上,初速度為零,先對(duì)物體施加一向東的恒力F0(如圖1),歷時(shí)1s;隨即把此力改為向西,大小不變,歷時(shí)1s;接著又把此力改為向東,大小不變,歷時(shí)1s;如此反復(fù),只改變力的方向,共歷時(shí)60s。在此60s內(nèi)關(guān)于物體的運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是()
A.物體時(shí)而向東運(yùn)動(dòng),時(shí)而向西運(yùn)動(dòng),在60s末靜止于初始位置之東
B.物體時(shí)而向東運(yùn)動(dòng),時(shí)而向西運(yùn)動(dòng),在60s末靜止于初始位置
C.物體時(shí)而向東運(yùn)動(dòng).時(shí)而向西運(yùn)動(dòng),在60s末繼續(xù)向東運(yùn)動(dòng)
D.物體一直向東運(yùn)動(dòng),從不向西運(yùn)動(dòng),在60s末靜止于初始位置之東
解析本題關(guān)鍵在于抓住牛頓第二定律的矢量性和瞬時(shí)性,當(dāng)水平恒力改為向西時(shí),加速度也改為向西,物體立即做勻減速運(yùn)動(dòng),但速度方向仍然向東,加速度大小不變,經(jīng)1s速度為零,第3s運(yùn)動(dòng)與第1s相同為物體向東的加速運(yùn)動(dòng);第2s與第4s物體運(yùn)動(dòng)情況相同為向東減速運(yùn)動(dòng)……如此重復(fù)下去。由此可知,物體時(shí)而向東加速、時(shí)而向東減速,在60s末,物體剛好停止,故D正確。
說明正確理解牛頓第二定律,著重理解a和F的矢量性、瞬時(shí)性,同時(shí)還應(yīng)注意理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。
2合理應(yīng)用兩種處理力的手段――合成和分解
合成和分解是處理力的兩種常用手段。如果物體只受兩個(gè)力作用產(chǎn)生加速度,應(yīng)用力的合成法比較簡(jiǎn)單;當(dāng)物體受到兩個(gè)以上的力作用產(chǎn)生加速度時(shí),常應(yīng)用正交分解法解題。
例2如圖2所示,一傾角為30°的斜面上放一木塊,木塊上固定一支架,支架末端用絲線懸掛一小球,木塊在斜面下滑時(shí),小球與滑塊相對(duì)靜止共同運(yùn)動(dòng)。求絲線分別在以下三種情況下木塊下滑的加速度:(1)沿豎直方向,(2)沿與斜面垂直方向,(3)沿水平方向。
解析根據(jù)題意,小球與木塊的加速度相等,而加速度一定沿斜面方向。對(duì)小球受力分析分別有:
(1)如圖3(甲)所示,F(xiàn)T1和mg都是豎直方向,故不可能有加速度,故FT1-mg=0,a1=0,說明木塊沿斜面勻速下滑。
(2)如圖3(乙)所示,F(xiàn)T2和mg的合力一定為加速度的方向,即斜面方向,由平行四邊形定則,F(xiàn)合=mgsin30°,根據(jù)牛頓第二定律,加速度a2=gsin30°=g/2,方向沿斜面向下。
(3)如圖3(丙)所示,F(xiàn)T3和mg的合力也一定為斜面方向,由平行四邊形定則,F(xiàn)合=mg/sin30°,根據(jù)牛頓第二定律,加速度a3=g/sin30°=2g,方向沿斜面向下。
說明應(yīng)用力的合成法解牛頓第二定律問題時(shí),一定要注意:合力的方向就是加速度的方向。
例3物體m靜止在傾角θ的斜面上加速豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí),如圖4,則()
A. 物體m受到斜面的支持力增加
B.物體m受到斜面的支持力減小
C.物體m受到的摩擦力減小
D.物體m受到的摩擦力增加
3準(zhǔn)確選擇兩種受力分析的方法――隔離法和整體法
在處理連接體的受力分析對(duì)象時(shí),需靈活運(yùn)用整體法和隔離法。求解“內(nèi)力”問題通常先對(duì)整體運(yùn)用牛頓第二定律,求出系統(tǒng)的加速度,再用隔離法研究連接體中一個(gè)物體,即可求出物體間的相互作用力;求解“外力”問題,需先分析連接體中的―個(gè)物體,確定系統(tǒng)的加速度,再對(duì)整體運(yùn)用牛頓第二定律,即可求出“外力”。
例 4如圖6所示,質(zhì)量為2m的物體A與水平地面的摩擦可忽略不計(jì),質(zhì)量為m物塊B與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,在已知水平推力F作用下,AB一起做加速運(yùn)動(dòng),A和B間的作用力為_______。
說明求系統(tǒng)“外力”問題和系統(tǒng)的加速度,一般運(yùn)用整體法;求系統(tǒng)“內(nèi)力”問題,必須運(yùn)用隔離法,解題時(shí)往往需要兩種方法交叉使用。
4熟練掌握兩類動(dòng)力學(xué)問題――已知力求運(yùn)動(dòng)和已知運(yùn)動(dòng)求力
應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解答的主要問題,可以分為兩類。一是知道物體的全部受力,應(yīng)用牛頓第二定律求出加速度,再結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出物體的運(yùn)動(dòng)情況;另一類是知道物體的運(yùn)動(dòng)情況,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出物體的加速度,再應(yīng)用牛頓第二定律推斷或求出物體的受力情況。在上述兩種情況中,加速度起一個(gè)中間橋梁作用。
例5如圖7,AC、BC為位于豎直平面內(nèi)的兩根光滑細(xì)桿,A、B、C三點(diǎn)恰好位于同一圓周上,C為該圓周的最低點(diǎn),a、b為套在細(xì)桿上的兩個(gè)小環(huán),當(dāng)兩環(huán)同時(shí)從A、B點(diǎn)由靜止開始下落,則()
A.a(chǎn)環(huán)先到達(dá)c點(diǎn)
B.b環(huán)先到達(dá)c點(diǎn)
C.a(chǎn)、b環(huán)同時(shí)到達(dá)c點(diǎn)
D.不知道兩桿傾角,無法判斷
關(guān)鍵詞:物理 規(guī)律 教學(xué)方法
規(guī)律教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的中心任務(wù)。怎樣才能搞好規(guī)律教學(xué)呢?為此,我們進(jìn)行了專題研究,總結(jié)出了規(guī)律教學(xué)的一般規(guī)律。
一、物理規(guī)律的類型
1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律。物理學(xué)中的絕大多數(shù)規(guī)律,都是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過分析歸納總結(jié)出來的,我們把它們叫做實(shí)驗(yàn)規(guī)律。如牛頓第二定律、歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、氣體實(shí)驗(yàn)三定律等。2、理想規(guī)律。有些物理規(guī)律不能直接用實(shí)驗(yàn)來證明,但是具有足夠數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。如果把這些經(jīng)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行整理分析,去掉非主要因素,抓住主要因素,推理到理想的情況下,總結(jié)出來的規(guī)律,我們把它叫做理想規(guī)律。如牛頓第一定律。3、理論規(guī)律。有些物理規(guī)律是以已知的事實(shí)為根據(jù),通過推理總結(jié)出來的,我們把它叫做理論規(guī)律。
二、物理規(guī)律教學(xué)的基本方法
在物理規(guī)律的教學(xué)過程中,不僅要讓學(xué)生掌握規(guī)律本身,還要對(duì)規(guī)律的建立過程、研究問題的科學(xué)方法進(jìn)行深入了解,更重要的是如何應(yīng)用規(guī)律來解決具體問題。為此,對(duì)不同的物理規(guī)律應(yīng)采用不同的教學(xué)方法。1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律的教學(xué)方法。(1)探索實(shí)驗(yàn)法。探索實(shí)驗(yàn)法就是根據(jù)某些物理規(guī)律的特點(diǎn),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生通過自己做實(shí)驗(yàn),總結(jié)出有關(guān)的物理規(guī)律。采用探索實(shí)驗(yàn)法,不但能使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的規(guī)律深刻理解、牢固記憶,而且還能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣,更重要是通過這種方法使學(xué)生掌握了研究物理問題的基本方法。(2)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)法。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)法是采用證明規(guī)律的方法進(jìn)行教學(xué),從而使學(xué)生理解和掌握物理規(guī)律。具體實(shí)施時(shí)先由教師和學(xué)生一起提出問題,將物理規(guī)律直接告訴學(xué)生,然后教師指導(dǎo)學(xué)生并和學(xué)生一起通過觀察分析有關(guān)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)論,驗(yàn)證物理規(guī)律。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)法的最大特點(diǎn)是學(xué)生學(xué)習(xí)十分主動(dòng)。這是因?yàn)樵隍?yàn)證規(guī)律時(shí),學(xué)生已知問題的答案,對(duì)于下一步的學(xué)習(xí)目的及方法已經(jīng)清楚,所以更加有的放矢。(3)演示實(shí)驗(yàn)法。演示實(shí)驗(yàn)法就是教師通過精心設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生觀察,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,師生共同分析、歸納,總結(jié)出有關(guān)的物理規(guī)律。這種方法要充分發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用,增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的效果。2、理想規(guī)律的教學(xué)方法。理想規(guī)律是在物理事實(shí)的基礎(chǔ)上,通過合理推理至理想情況而總結(jié)出的物理規(guī)律。因此在教學(xué)中應(yīng)用“合理推理法”。如在牛頓第一定律的教學(xué)中,要引導(dǎo)學(xué)生通過在不同表面上做小車沿斜面下滑的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)平面越光滑,摩擦阻力越小,小車滑得越遠(yuǎn)。如果推理到平面光滑、沒有摩擦阻力的情況下,小車則將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去,且速度不變,做勻速直線運(yùn)動(dòng),從而總結(jié)出牛頓第一定律。又如理想氣體狀態(tài)方程也是在理想條件下得出的。3、理論規(guī)律的教學(xué)方法。 理論規(guī)律是由已知的物理規(guī)律經(jīng)過推導(dǎo),得出的新的物理規(guī)律。因此,在理論規(guī)律教學(xué)中應(yīng)采用“理論推導(dǎo)法”。如在“動(dòng)能定理”的教學(xué)中,教師提出問題:質(zhì)量為m的物體在外力f的作用下,由速度v1,經(jīng)過位移s,達(dá)到速度v2。請(qǐng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí),找出外力所做的功跟物體動(dòng)能變化的關(guān)系。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下,根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,都能運(yùn)用“理論推導(dǎo)法”推導(dǎo)出動(dòng)能定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
三、物理規(guī)律教學(xué)中應(yīng)注意的問題
關(guān)鍵詞:物理定律;教學(xué)方法;多種多樣
關(guān)鍵詞:是對(duì)物理規(guī)律的一種表達(dá)形式。通過大量的觀察、實(shí)驗(yàn)歸納而成的結(jié)論。反映物理現(xiàn)象在一定條件下發(fā)生變化過程的必然關(guān)系。物理定律的教學(xué)應(yīng)注意:首先要明確、掌握有關(guān)物理概念,再通過實(shí)驗(yàn)歸納出結(jié)論,或在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推理(如牛頓第一定律)。有些物理量的定義式與定律的表式相同,就必須加以區(qū)別(如電阻的定義式與歐姆定律的表式可具有同一形式R=U/I),且要弄清相關(guān)的物理定律之間的關(guān)系,還要明確定律的適用條件和范圍。
(1)牛頓第一定律采用邊講、邊討論、邊實(shí)驗(yàn)的教法,回顧“運(yùn)動(dòng)和力”的歷史。消除學(xué)生對(duì)力的作用效果的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí);培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的一種方法——理想實(shí)驗(yàn)加外推法。教學(xué)時(shí)應(yīng)明確:牛頓第一定律所描述的是一種理想化的狀態(tài),不能簡(jiǎn)單地按字面意義用實(shí)驗(yàn)直接加以驗(yàn)證。但大量客觀事實(shí)證實(shí)了它的正確性。第一定律確定了力的涵義,引入了慣性的概念,是研究整個(gè)力學(xué)的出發(fā)點(diǎn),不能把它當(dāng)作第二定律的特例;慣性質(zhì)量不是狀態(tài)量,也不是過程量,更不是一種力。慣性是物體的屬性,不因物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程而改變。在應(yīng)用牛頓第一定律解決實(shí)際問題時(shí),應(yīng)使學(xué)生理解和使用常用的措詞:“物體因慣性要保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),所以……”。教師還應(yīng)該明確,牛頓第一定律相對(duì)于慣性系才成立。地球不是精確的慣性系,但當(dāng)我們?cè)谝欢屋^短的時(shí)間內(nèi)研究力學(xué)問題時(shí),常??梢园训厍蚩闯山瞥潭认喈?dāng)好的慣性系。
(2)牛頓第二定律在第一定律的基礎(chǔ)上,從物體在外力作用下,它的加速度跟外力與本身的質(zhì)量存在什么關(guān)系引入課題。然后用控制變量的實(shí)驗(yàn)方法歸納出物體在單個(gè)力作用下的牛頓第二定律。再用推理分析法把結(jié)論推廣為一般的表達(dá):物體的加速度跟所受外力的合力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。教學(xué)時(shí)還應(yīng)請(qǐng)注意:公式F=Kma中,比例系數(shù)K不是在任何情況下都等于1;a隨F改變存在著瞬時(shí)關(guān)系;牛頓第二定律與第一定律、第三定律的關(guān)系,以及與運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)量、功和能等知識(shí)的聯(lián)系。教師應(yīng)明確牛頓定律的適用范圍。
(3)萬有引力定律教學(xué)時(shí)應(yīng)注意:①要充分利用牛頓總結(jié)萬有引力定律的過程,卡文迪許測(cè)定萬有引力恒量的實(shí)驗(yàn),海王星、冥王星的發(fā)現(xiàn)等物理學(xué)史料,對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法的教育。②要強(qiáng)調(diào)萬有引力跟質(zhì)點(diǎn)間的距離的平方成反比(平方反比定律),減少學(xué)生在解題中漏平方的錯(cuò)誤。③明確是萬有引力基本的、簡(jiǎn)單的表式,只適用于計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的萬有引力。萬有引力定律是自然界最普遍的定律之一。但在天文研究上,也發(fā)現(xiàn)了它的局限性。
(4)機(jī)械能守恒定律這個(gè)定律一般不用實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差太大。實(shí)驗(yàn)可作為驗(yàn)證。一般是根據(jù)功能原理,在外力和非保守內(nèi)力都不作功或所作的總功為零的條件下推導(dǎo)出來。高中教材是用實(shí)例總結(jié)出來再加以推廣。若不同形式的機(jī)械能之間不發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,就沒有守恒問題。機(jī)械能守恒定律表式中各項(xiàng)都是狀態(tài)量,用它來解決問題時(shí),就可以不涉及狀態(tài)變化的復(fù)雜過程(過程量被消去),使問題大大地簡(jiǎn)化。要特別注意定律的適用條件(只有系統(tǒng)內(nèi)部的重力和彈力做功)。這個(gè)定律不適用的問題,可以利用動(dòng)能定理或功能原理解決。(5)動(dòng)量守恒定律歷史上,牛頓第二定律是以F=dP/dt的形式提出來的。所以有人認(rèn)為動(dòng)量守恒定律不能從牛頓運(yùn)動(dòng)定律推導(dǎo)出來,主張從實(shí)驗(yàn)直接總結(jié)。但是實(shí)驗(yàn)要用到氣墊導(dǎo)軌和閃光照相,就目前中學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件來說,多數(shù)難以做到。即使做得到,要在課堂里準(zhǔn)確完成實(shí)驗(yàn)并總結(jié)出規(guī)律也非易事。故一般教材還是從牛頓運(yùn)動(dòng)定律導(dǎo)出,再安排一節(jié)“動(dòng)量和牛頓運(yùn)動(dòng)定律”。這樣既符合教學(xué)規(guī)律,也不違反科學(xué)規(guī)律。中學(xué)階段有關(guān)動(dòng)量的問題,相互作用的物體的所有動(dòng)量都在一條直線上,所以可以用代數(shù)式替代矢量式。學(xué)生在解題時(shí)最容易發(fā)生符號(hào)的錯(cuò)誤,應(yīng)該使他們明確,在同一個(gè)式子中必須規(guī)定統(tǒng)一的正方向。動(dòng)量守恒定律反映的是物體相互作用過程的狀態(tài)變化,表式中各項(xiàng)是過程始、末的動(dòng)量。用它來解決問題可以不過程物理量,使問題大大地簡(jiǎn)化。若物體不發(fā)生相互作用,就沒有守恒問題。在解決實(shí)際問題時(shí),如果質(zhì)點(diǎn)系內(nèi)部的相互作用力遠(yuǎn)比它們所受的外力大,就可略去外力的作用而用動(dòng)量守恒定律來處理。動(dòng)量守恒定律是自然界最重要、最普遍的規(guī)律之一。無論是宏觀系統(tǒng)或微觀粒子的相互作用,系統(tǒng)中有多少物體在相互作用,相互作用的形式如何,只要系統(tǒng)不受外力的作用(或某一方向上不受外力的作用),動(dòng)量守恒定律都是適用的。
傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是用體重計(jì)或者彈簧秤來觀察超重和失重現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)過程中,由于測(cè)量?jī)x器的示數(shù)變化不定,且瞬間即逝,難于觀察和探究,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能說明物體在豎直方向運(yùn)動(dòng)時(shí),出現(xiàn)了視重大于或者小于物體重力即超重和失重現(xiàn)象,但還不能很好地解釋產(chǎn)生現(xiàn)象的原因。筆者在教學(xué)中通常是把這種實(shí)驗(yàn)作為一種引入課題的手段,并就此提出超重和失重的概念即"物體對(duì)支持物的壓力(或懸掛物的拉力)大于物體重力的情況,稱為超重現(xiàn)象。物體對(duì)支持物的壓力(或懸掛物的拉力)小于物體重力的情況,稱為失重現(xiàn)象。"
"產(chǎn)生超重和失重的原因究竟是什么?",針對(duì)這一主要問題,筆者嘗試用力傳感器來完成超重與失重實(shí)驗(yàn),該方法既能適時(shí)觀察現(xiàn)象,又方便對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行理論探究,取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。
附圖1為自制的超重與失重的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置木質(zhì)支架高1.50m,寬0. 60m,用兩根銅絲豎直地固定在支架上作為小鐵盒上下運(yùn)動(dòng)的滑道,力傳感器固定在小鐵盒里,細(xì)線通過支架頂端的兩個(gè)小滑輪牽引鐵盒上升和下降,數(shù)據(jù)采集器固定在支架一側(cè),通過數(shù)據(jù)線與電腦相連。實(shí)驗(yàn)時(shí)把鉤碼掛在力傳感器的掛鉤上,力傳感器把受力大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào),數(shù)據(jù)采集器把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,畫出力F隨時(shí)間t的變化曲線,力隨時(shí)間的變化就永久記錄下來了。根據(jù) F—t圖象就可看出物體各時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)情況及對(duì)應(yīng)的視重變化情況。附圖2是某次實(shí)驗(yàn)中力隨時(shí)間的變化曲線的視頻截圖,所使用的鉤碼質(zhì)量為200g。
附圖1:自制超重與失重的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置
附圖2:力隨時(shí)間的變化曲線截圖
本圖縱軸表示鉤碼對(duì)力傳感器掛鉤的拉力大?。匆曋兀?,橫軸表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間。虛線OO'是鉤碼在靜止?fàn)顟B(tài)下記錄的圖線,表明鉤碼的的重力G大約為2N。A區(qū)內(nèi)圖線是鉤碼在上升階段的記錄結(jié)果,B區(qū)內(nèi)圖線是鉤碼在下降階段的記錄結(jié)果,視重大于G的部分表示鉤碼處于超重狀態(tài),視重小于G的部分表示鉤碼處于失重狀態(tài)。圖像清楚地告訴我們,不管鉤碼是上升還是下降,都能產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象,這說明不能用物體的運(yùn)動(dòng)方向來判斷超重和失重,為我們下一步的理論探究指明了方向,那就是探究"產(chǎn)生超重和失重的原因"必須用牛頓第二定律的分析方法來分析問題。
鉤碼超重時(shí),由牛頓第三定律可知,傳感器對(duì)鉤碼的向上的拉力F大于鉤碼的重力G,由牛頓第二定律可知:
F—G=ma
鉤碼所受合力向上,此時(shí)鉤碼具有向上的加速度(圖甲)。
鉤碼失重時(shí),由牛頓第三定律可知,傳感器對(duì)鉤碼的向上的拉力F小于鉤碼的重力G,由牛頓第二定律可知:
G — F =ma
鉤碼所受合力向下,此時(shí)鉤碼具有向下的加速度(圖乙)。
理論探究統(tǒng)計(jì)結(jié)果如附表1。
附表1:超重失重理論探究統(tǒng)計(jì)表
理論探究的結(jié)果表明:"產(chǎn)生超重和失重的原因是在豎直方向上存在加速度,加速度方向向上產(chǎn)生超重,加速度方向向下產(chǎn)生失重"。 并由此得出結(jié)論:物體處于超重還是失重狀態(tài),僅由豎直方向的加速度方向決定,與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)。
關(guān)鍵詞: 力學(xué) 實(shí)驗(yàn)專題 復(fù)習(xí)策略
一、近年高考對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查現(xiàn)狀
首先,近年高考物理實(shí)驗(yàn)題加強(qiáng)了對(duì)基本實(shí)驗(yàn)儀器使用和基本實(shí)驗(yàn)技能的考查,比如:刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、光電門、頻閃相機(jī)、傳感器等常見力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材。其次,要求學(xué)生都會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,會(huì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),會(huì)用圖像處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論。再次,學(xué)生要能發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并制訂解決方案,運(yùn)用已學(xué)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)器材處理問題,包括簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
二、創(chuàng)設(shè)情境,從不同的途徑總結(jié)歸類力學(xué)實(shí)驗(yàn)
1.對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn),總結(jié)出多種實(shí)驗(yàn)方案。比如速度的測(cè)量可以用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器精確測(cè)量,可以用頻閃相機(jī)精確測(cè)量,還可以用光電門進(jìn)行測(cè)量,針對(duì)不同方法設(shè)計(jì)一個(gè)小題訓(xùn)練。
2.對(duì)同一個(gè)儀器,總結(jié)出在哪些實(shí)驗(yàn)用到這種儀器。比如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用,涉及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)有研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律(求加速度,瞬時(shí)速度)、驗(yàn)證牛頓第二定律、探究動(dòng)能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。把每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、注意事項(xiàng)分別總結(jié)出來。
3.對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)P陀迷诙鄠€(gè)實(shí)驗(yàn)中,比如必修1中驗(yàn)證牛頓定律的實(shí)驗(yàn)裝置、可以驗(yàn)證動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒。對(duì)此,我提出以下問題:
問題1:可用此裝置完成的實(shí)驗(yàn)有哪些?問題2:研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律需要平衡摩擦力嗎?需要使鉤碼及吊盤質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量嗎?問題3:用此裝置做驗(yàn)證牛頓第二定律需要平衡摩擦力嗎?需要使鉤碼及吊盤質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量嗎?探究動(dòng)能定理呢?問題4:平衡摩擦力的方法有哪些?當(dāng)小車后的繩子上加上力傳感器后用該裝置做驗(yàn)證牛頓第二定律及動(dòng)能定理還需用平衡摩擦力?滿足鉤碼吊盤質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量嗎?
4.對(duì)同一個(gè)問題有多種數(shù)據(jù)處理方法,可以對(duì)各種數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析比較。比如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶數(shù)據(jù)處理注意事項(xiàng)和方法:①紙帶的選擇:紙帶上的點(diǎn)清晰,適當(dāng)舍棄開頭密集部分,適當(dāng)選取計(jì)數(shù)點(diǎn),弄清楚所選的時(shí)間間隔。②加速度的求解方法:逐差法。③用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),要求畫出圖像首先要選擇好標(biāo)度,然后描點(diǎn)、連線。若是題目中直接給出圖像,則要先推導(dǎo)出縱坐標(biāo)隨橫坐標(biāo)變化的函數(shù)表達(dá)式,明確圖像中斜率和截距表示的物理量,求相關(guān)問題。對(duì)頻閃照片的處理方法與紙帶的處理方法相同。
對(duì)同一種數(shù)據(jù)處理方法也可以用在不同實(shí)驗(yàn)中。比如描點(diǎn)作圖求斜率可以求解勻變速運(yùn)動(dòng)的加速度、勻速運(yùn)動(dòng)的速度、利用單擺周期的平方和擺長(zhǎng)函數(shù)圖像的斜率求重力加速度、圖像研究a和F的關(guān)系,等等。
通過對(duì)不同實(shí)驗(yàn)裝置及不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡谋容^讓學(xué)生對(duì)這類實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)更有深度和廣度。
三、精選題型精講精練
關(guān)鍵詞: 牛頓第二定律實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)誤差 摩擦力 質(zhì)量 加速度
牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)的目的是研究小車或滑塊的加速度a與其所受的合力F、小車質(zhì)量M的關(guān)系。采取控制變量的方法。按照課本上的實(shí)驗(yàn)步驟要求,很容易得到牛頓第二定律的結(jié)論:加速度與力成正比與質(zhì)量成反比。但是當(dāng)我們上完課后會(huì)感覺結(jié)論的得出不夠嚴(yán)謹(jǐn),還存在著一些問題。
1.摩擦力的平衡是否真的到位了?
小車所受的合外力等于小車受到的重力G、支持力N、摩擦力f和繩子拉力T的合力,若小車受到的G、N、f的合力為零,則小車的合外力等于繩子的拉力T。那么要想讓G、N、f的合力為零,教材中的做法是調(diào)節(jié)軌道面的傾斜角度,使小車在G、N、f的作用下做勻速運(yùn)動(dòng),也就是G在斜面方向上的分力與f相等,即平衡摩擦力。具體操作是,軌道長(zhǎng)木板的一端墊高一些,使之形成一個(gè)斜面,然后把實(shí)驗(yàn)小車放在長(zhǎng)木板上,輕推小車,給小車一個(gè)沿斜面向下的初速度,觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況,看是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)基本上可看做是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),則認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到平衡。在判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,僅靠目測(cè)是不夠的,一般我們會(huì)讓小車連接上紙帶,用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的點(diǎn)來判斷平衡摩擦力是否到位,如果打點(diǎn)均勻則小車做勻速直線運(yùn)動(dòng),恰好充分平衡摩擦力。但在平衡時(shí)增加了紙帶的摩擦和小車質(zhì)量的變化:
(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí),振針對(duì)紙帶的阻力是周期性變化的,所以,難以做到重力沿斜面方向的分力與阻力始終完全平衡,小車的運(yùn)動(dòng)也不是嚴(yán)格意義上的勻速直線運(yùn)動(dòng),紙帶上的點(diǎn)的間隔也不可能完全均勻。
(2)在實(shí)驗(yàn)前對(duì)摩擦力進(jìn)行了平衡以后,實(shí)驗(yàn)中需在小車上增加或減少砝碼,因?yàn)楦淖兞诵≤噷?duì)木板的壓力,從而使摩擦力出現(xiàn)了變化,有沒有必要重新平衡摩擦力?其實(shí)沒有必要,因?yàn)橛纱艘鸬哪Σ亮ψ兓菢O其微小的。從理論上講,在小車及其砝碼質(zhì)量變化時(shí),由力的分解可知,重力沿斜面向下的分力G和垂直斜面方向的分力G(大小等于對(duì)斜面的壓力),在斜面傾角不變的情況下是成比例增大或減小的,進(jìn)而重力沿斜面方向的分力G和摩擦力f成比例變化,仍能平衡。但實(shí)際情況是,紙帶所受阻力F′f,在平衡時(shí)有G=Ff+F′f,而當(dāng)F′f和Ff成比例變化后,前式不再相等,因而略有變化。另外,小車的軸與輪的摩擦力也會(huì)略有變化。在我們的實(shí)驗(yàn)中,質(zhì)量變化較小,所引起的誤差可忽略不計(jì)。
2.質(zhì)量和力選取的范圍是不是太小了?
事實(shí)上,砝碼與砝碼盤的重力mg與小車所受的拉力F是不相等的,這是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的原因,為此,必須根據(jù)牛頓第二定律分析mg和F在產(chǎn)生加速度問題上存在的差別。在小車所受的摩擦力已被平衡的條件下,設(shè)小車實(shí)際加速度為a,小車質(zhì)量為M,由牛頓第二定律可得mg=(m+M)a,即若視F=mg,設(shè)這種情況下小車的加速度為a′,則a′=mg/M。在本實(shí)驗(yàn)中,M保持不變,與mg(F)成正比,而實(shí)際加速度a與mg成非線性關(guān)系,且m越大圖像斜率越小。理想情況下,加速度a′與實(shí)際加速度a的差值為mg/M(M+m),由此可見,m取不同值,a不同,m越大,a越大,當(dāng)M?垌m時(shí),a≈a′,a0,這就是要求該實(shí)驗(yàn)必須滿足M?垌m的原因所在。我們可以將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量M的取值范圍擴(kuò)大,根據(jù)表達(dá)式a=mg/(m+M)通過計(jì)算機(jī)利用Excel作a與M的關(guān)系圖:m=0.1kg。
從做出的圖形來看當(dāng)a與1/M并不成正比,造成的原因?yàn)樯厦娣治龀龅南到y(tǒng)誤差。當(dāng)1/M的取值在0到5之間時(shí)圖形可以近似地看做是過原點(diǎn)的直線,即當(dāng)1/M取零時(shí)M趨近于無窮大,當(dāng)1/M取5時(shí)M約等于0.2kg為m兩倍,且1/M取得越小在圖形上截取的線段越接近于直線,即系統(tǒng)誤差越小。
因此滿足砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車和小車上的砝碼的總質(zhì)量M的目的就是為了減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差。此誤差可因?yàn)閙?垌M而減小,但不可能消去此誤差。但我們可以重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),即在計(jì)算質(zhì)量的時(shí)候用M=M+m,進(jìn)而研究F與M的關(guān)系,這樣就消除了系統(tǒng)誤差。
通過以上分析,學(xué)生能夠清楚地認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的取值范圍的恰當(dāng)是實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ),正確地處理造成實(shí)驗(yàn)的誤差和恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)誤差分析,能夠減少錯(cuò)誤結(jié)論的產(chǎn)生,從而增加成功的概率。通過以上分析,學(xué)生能夠很容易地知道為什么要讓小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于懸掛砝碼的質(zhì)量,以及怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)消除系統(tǒng)誤差,深刻體會(huì)到選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法對(duì)得到正確結(jié)論的重要性。
參考文獻(xiàn):
1.命題分析
直線運(yùn)動(dòng)、力與平衡、牛頓運(yùn)動(dòng)定律,是必考內(nèi)容,考查的重點(diǎn)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律、摩擦力、共點(diǎn)力的平衡以及牛頓第二定律的應(yīng)用,而構(gòu)建物理模型,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí),解決現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)中的實(shí)際問題,已成為近年高考命題的熱點(diǎn)。
2.備考策略
要注重運(yùn)動(dòng)學(xué)公式的靈活應(yīng)用以及運(yùn)動(dòng)圖像的分析,注重物體運(yùn)動(dòng)過程的分析,特別要關(guān)注多個(gè)運(yùn)動(dòng)階段與多個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)問題;要注重物體的受力分析,特別是摩擦力的分析與計(jì)算;要注重整體法與隔離法的合理應(yīng)用,特別要關(guān)注生活、生產(chǎn)與科技中的相關(guān)力學(xué)問題。
二、熱點(diǎn)題型探究
考點(diǎn)一:勻變速直線運(yùn)動(dòng)
要點(diǎn)提示:一套基本公式和關(guān)系式(v=v0+at,x=v0t+12at2,v2-v20=2ax,x=v0+v2t);兩個(gè)中間速度(v中時(shí)=v0+v2、v中位=v20+v22);一個(gè)重要推論(Δx=aT2);幾個(gè)比例關(guān)系(對(duì)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)適用);vt圖(圖線的斜率表示加速度,圖線與橫軸間的“面積”表示位移)。
例1一運(yùn)輸車往返于相距x的A、B兩站之間。若運(yùn)輸車在加速和制動(dòng)時(shí)能達(dá)到的最大加速度大小為a,且規(guī)定運(yùn)輸過程中速度大小不得超過v,求該運(yùn)輸車從A站啟動(dòng)到B站停止所需的最短時(shí)間t。
【分析】由于規(guī)定了運(yùn)輸過程中車速大小不得超過v,需分運(yùn)輸車的最大速度不超過限速和超過限速兩種情況討論。運(yùn)輸車的最大速度vm若不超過限速v,則運(yùn)輸車先加速后減速;若超過限速v,則運(yùn)輸車先加速至v,勻速運(yùn)動(dòng)一段路程后再減速。
本題涉及物體的多個(gè)運(yùn)動(dòng)階段,是一個(gè)開放型問題,若不注意運(yùn)輸車速度的限制,往往會(huì)漏解后一種情況。對(duì)此類問題,須注意各運(yùn)動(dòng)階段之間的聯(lián)系,并根據(jù)題給條件進(jìn)行周密的分析,全面考慮可能出現(xiàn)的多種情況,避免漏解。
考點(diǎn)二:共點(diǎn)力的平衡
要點(diǎn)提示:平衡狀態(tài)(靜止?fàn)顟B(tài)、勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài));平衡條件(F合=0,分量式為ΣFx=0與ΣFy=0);特殊規(guī)律(輕繩和二力桿件平衡時(shí)受力必沿繩或桿件方向,三力平衡時(shí)作用線必在共面且共點(diǎn));常用方法(平行四邊形定則分解法、平行四邊形定則合成法、正交分解法)。
例2如圖1,墻上有兩個(gè)釘子a和b,它們的連線與水平方向的夾角為45°,兩者的高度差為l。一條不可伸長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)繩一端固定于a點(diǎn),另一端跨過光滑釘子b懸掛一質(zhì)量為m1的重物。在繩子距a端的c點(diǎn)有一固定繩圈。若繩圈上懸掛質(zhì)量為m2的鉤碼,平衡后繩的ac段正好水平,則重物和鉤碼的質(zhì)量比m1[]m2為()
【分析】繩圈上懸掛鉤碼,平衡后繩圈受繩的ac段、bc段的拉力以及鉤碼的拉力,其中兩段繩子的拉力大小均為m1g,鉤碼的拉力大小為m2g。根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件,可求得重物和鉤碼的質(zhì)量比。
對(duì)于共點(diǎn)力的平衡問題,作出正確的受力分析,確定各個(gè)力的大小和方向是求解的關(guān)鍵。本題也可采用平行四邊形定則合成法,根據(jù)繩的ac段、bc段拉力的合力與鉤碼的拉力大小相等、方向相反求解;還可采用平行四邊形定則分解法,將鉤碼的拉力沿繩的ca方向和cb方向分解,再尋找關(guān)系求解。
考點(diǎn)三:牛頓第二定律
要點(diǎn)提示:數(shù)學(xué)表達(dá)式(F合=ma,分量式為ΣFx=max與ΣFy=may);定律的“四性”(同體性、矢量性、瞬時(shí)性和獨(dú)立性);適用范圍(慣性參考系,宏觀物體、低速運(yùn)動(dòng));兩類基本問題(由物體的受力情況確定運(yùn)動(dòng)情況,由物體的運(yùn)動(dòng)情況確定受力情況,加速度是聯(lián)系運(yùn)動(dòng)和力的紐帶)。
例3受水平外力F作用的物體,在粗糙水平面上做直線運(yùn)動(dòng),其vt圖線如圖2所示,則()
A.在0~t1秒內(nèi),外力F大小不斷增大
B.在t1時(shí)刻,外力F為零
C.在t1~t2秒內(nèi),外力F大小可能不斷減小
D.在t1~t2秒內(nèi),外力F大小可能先減小后增大
【分析】vt圖線的斜率表示加速度,由題給vt圖線可判斷物體加速度的變化情況,再根據(jù)牛頓第二定律,不難對(duì)外力F大小的變化情況作出正確判斷。