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1、第4节 牛顿定律中动力学的两类基本问题 知识梳理应用牛顿运动定律求解的问题主要有两类：一类是已知受力情况求运动情况；另一类是已知运动情况求受力情况.在这两类问题中，加速度是联系力和运动的桥梁，受力分析是解决问题的关键. 例题评析【例11】 质量为m=2 kg的木块原来静止在粗糙水平地面上，现在第1、3、5奇数秒内给物体施加方向向右、大小为F1=6 N的水平推力，在第2、4、6偶数秒内给物体施加方向仍向右、大小为F2=2 N的水平推力.已知物体与地面间的动摩擦因数=0.1，取g=10 m/s2，问：（1）木块在奇数秒和偶数秒内各做什么运动?（2）经过多长时间，木块位移的大小等于40.25 m?【
2、分析与解答】：以木块为研究对象，它在竖直方向受力平衡，水平方向仅受推力F1（或F2）和摩擦力Ff的作用.由牛顿第二定律可判断出木块在奇数秒内和偶数秒内的运动，结合运动学公式，即可求出运动时间.（1）木块在奇数秒内的加速度为a1= m/s2=2 m/s2木块在偶数秒内的加速度为a2= m/s2=0所以，木块在奇数秒内做a=a1=2 m/s2的匀加速直线运动，在偶数秒内做匀速直线运动.（2）在第1 s内木块向右的位移为s1=at2=212 m=1 m至第1 s末木块的速度v1=at=21 m/s=2 m/s在第2 s内，木块以第1 s末的速度向右做匀速运动，在第2 s内木块的位移为s2=v1t=2
3、1 m=2 m至第2 s末木块的速度v2=v1=2 m/s在第3 s内，木块向右做初速度等于2 m/s的匀加速运动，在第3 s内的位移为s3=v2t+at2=21 m+212 m=3 m至第3 s末木块的速度v3=v2+at=2 m/s+21 m/s=4 m/s在第4 s内，木块以第3 s末的速度向右做匀速运动，在第4 s内木块的位移为s4=v2t=41 m=4 m至第4 s末木块的速度v4=v2=4 m/s由此可见，从第1 s起，连续各秒内木块的位移是从1开始的一个自然数列.因此，在n s内的总位移为sn=1+2+3+n=当sn=40.25 m时，n的值为8n9.取n=8，则8 s内木块的位
4、移共为s8= m=36 m至第8 s末，木块的速度为v8=8 m/s.设第8 s后，木块还需向右运动的时间为tx，对应的位移为sx=40.25 m36 m=4.25 m，由sx=v8tx+atx2，即4.25=8tx+2tx2解得tx=0.5 s所以，木块位移大小等于40.25 m时，需运动的时间T=8 s+0.5 s=8.5 s.点评：（1）本题属于已知受力情况求运动情况的问题，解题思路为先根据受力情况由牛顿第二定律求加速度，再根据运动规律求运动情况.（2）根据物体的受力特点，分析物体在各段时间内的运动情况，并找出位移的一般规律，是求解本题的关键.【例12】 如图所示，在倾角=37的足够长的
5、固定的斜面上，有一质量m=1 kg的物体，物体与斜面间动摩擦因数=0.2，物体受到沿平行于斜面向上的轻细线的拉力F=9.6 N的作用，从静止开始运动，经2 s绳子突然断了，求绳断后多长时间物体速度大小达到22 m/s.（sin37=0.6，g取10 m/s2）【分析与解答】：本题为典型的已知物体受力求物体运动情况的动力学问题，物体运动过程较为复杂，应分阶段进行过程分析，并找出各过程的相关量，从而将各过程有机地串接在一起.第一阶段：在最初2 s内，物体在F=9.6 N拉力作用下，从静止开始沿斜面做匀加速运动，据受力分析图324可知：沿斜面方向：FmgsinFf =ma1沿垂直斜面方向：FN=mg
6、cos且Ff=FN由得：a1=2 m/s22 s末绳断时瞬时速度v1=a1t1=4 m/s.第二阶段：从撤去F到物体继续沿斜面向上运动到达速度为零的过程，设加速度为a2，则a2=7.6 m/s2设从断绳到物体到达最高点所需时间为t2据运动学公式v2=v1+a2t2所以t2=0.53 s第三阶段：物体从最高点沿斜面下滑，在第三阶段物体加速度为a3，所需时间为t3.由牛顿第二定律可知：a3=gsingcos=4.4 m/s2，速度达到v3=22 m/s，所需时间t3=5 s综上所述：从绳断到速度为22 m/s所经历的总时间t=t2+t3=0.53 s+5 s=5.53 s.【例13】 如图 所示，
7、光滑水平面上静止放着长L=1.6 m、质量为M=3 kg的木板.一个质量为m=1 kg的小物体放在木板的最右端，m与M之间的动摩擦因数=0.1，今对木板施加一水平向右的拉力F.（1）施力F后，要想把木板从物体m的下方抽出来，求力F的大小应满足的条件；（2）如果所施力F=10 N，为了把木板从m的下方抽出来，此力的作用时间不得少于多少?（g取10 m/s2）【分析与解答】：（1）力F拉木板运动过程：对木块：mg=ma a=g a=1 m/s2对木板：Fmg=Ma1 a1=只要a1a就能抽出木板，即F （M+m）g所以F4 N.（2）当F =10 N，设拉力作用的最少时间为t1，加速度为a1，撤去
8、拉力后木板运动时间为t2，加速度为a2，那么：a1=3 m/s2 a2= m/s2木板从木块下穿出时：木块的速度：v=a（t1+t2）木块的位移：s=a（t1+t2）2木板的速度：v木板=a1t1a2t2木板的位移：s木板=a1t12+a1t1t2a2t22木板刚好从木块下穿出应满足：v木板=v s木板s=L可解得：t1=0.8 s【例14】 如图所示，传输带与水平面间的倾角为=37，皮带以10 m/s的速率运行，在传输带上端A处无初速地放上质量为0.5 kg的物体，它与传输带间的动摩擦因数为0.5.若传输带A到B的长度为16 m，则物体从A运动到B的时间为多少？【分析与解答】：首先判定与ta
9、n的大小关系，=0.5，tan=0.75，所以物体一定沿传输带对地下滑，不可能对地上滑或对地相对静止.其次皮带运行速度方向未知，而皮带运行速度方向影响物体所受摩擦力方向，所以应分别讨论.当皮带的上表面以10 m/s的速度向下运行时，刚放上的物体相对皮带有向上的相对速度，物体所受滑动摩擦力方向沿斜坡向下（如图所示），该阶段物体对地加速度a1=10 m/s2方向沿斜坡向下物体赶上皮带对地速度需时间t1=1 s在t1 s内物体沿斜坡对地位移s1=a1t12=5 m当物体速度超过皮带运行速度时物体所受滑动摩擦力沿斜面向上，物体对地加速度a2=2 m/s2物体以2 m/s2加速度运行剩下的11 m位移需
10、时间t2则s2=v t2+a2t22即11=10t2+2t22t2=1 s （t2=11 s舍去）所需总时间t=t1+t2=2 s当皮带上表面以10 m/s的速度向上运行时，物体相对于皮带一直具有沿斜面向下的相对速度，物体所受滑动摩擦力方向沿斜坡向上且不变.设加速度为a3则a3=2 m/s2物体从传输带顶滑到底所需时间为则s=a32 = s=4 s.点评：本题中物体在本身运动的传送带上的运动，因传输带运动方向的双向性而带来解答结果的多重性.物体所受滑动摩擦力的方向与物体相对于传输带的相对速度方向相反，而对物体进行动力学运算时，物体位移、速度、加速度则均需取地面为参考系.随堂演练（1）1A、B两
11、物体以相同的初速度在同一水平面上滑动，两物体与水平面间的动摩擦因数相同，且mA3mB，则它们所能滑行的距离xA、xB的关系为()AxAxBBxA3xBCxAxB DxA9xB【解析】物体沿水平面滑动时做匀减速直线运动，加速度ag与质量无关，由0v022ax和题设条件知xAxB.【答案】A2水平面上一个质量为m的物体，在一水平恒力F作用下，由静止开始做匀加速直线运动，经时间t后撤去外力，又经时间2t物体停了下来则物体受到的阻力应为下列四个答案中的哪一个()AF BF/2CF/3 DF/4【解析】设阻力为Ff，由牛顿第二定律得：FFfma1，Ffma2，va1t，va22t，以上四式联立可得：Ff
12、，只有C正确【答案】C3一个原来静止的物体，质量是7 kg，在14 N的恒力作用下，则 5 s末的速度及5 s内通过的路程为()A8 m/s25 m B2 m/s25 mC10 m/s25 m D10 m/s12.5 m【解析】物体受力情况已知，由静止开始运动，在恒力的作用下产生恒定的加速度，所以它做初速度为零的匀加速直线运动已知物体的质量和所受的恒力，根据牛顿第二定律公式，求出加速度，然后根据初速度为零的匀加速直线运动的公式，就可以求出5 s末的速度和5 s内通过的位移a m/s22 m/s2，vat25 m/s10 m/s，xat2225 m25 m.【答案】C4如右图所示，圆柱形的仓库内
13、有三块长度不同的滑板aO、bO、cO，其下端都固定于底部圆心O，而上端则搁在仓库侧壁上，三块滑板与水平面的夹角依次是30、45、60.若有三个小孩同时从a、b、c处开始下滑(忽略阻力)，则()Aa处小孩最先到O点Bb处小孩最后到O点Cc处小孩最先到O点Da、c处小孩同时到O点【答案】D5.跨过定滑轮的绳的一端挂一吊板，另一端被吊板上的人拉住，如右图所示已知人的质量为70 kg，吊板质量为10 kg，绳及定滑轮的质量、滑轮的摩擦均可不计g取10 m/s2.当人以440 N的力拉绳时，人与吊板的加速度a与人对吊板的压力FN分别为多少？【解析】以人和吊板组成的整体为研究对象，人以440 N的力拉绳时
14、，该整体受到向上的拉力FT=2440 N=880 N，重力G=mg=(70+10)10 N=800 N，其合力为F=FT-G=880 N-800 N=80 N，由牛顿第二定律F=ma，联立解得a=1.0 m/s2.以人为研究对象，人受到重力m人g=700 N，受到吊板的支持力FN及绳对其向上的拉力FT=440 N，由牛顿第二定律得FT+FN-m人g=m人a，解得FN=330 N.根据牛顿第三定律，人对吊板的压力FN与吊板对人的支持力FN等大反向，故FN=330 N.【答案】1.0 m/s2330 N6.如右图所示，一儿童玩具静止在水平地面上，一个幼儿用与水平面成53角的恒力拉着它沿水平面做直线运动，已知拉力F=3.0 N，玩具的质量m=0.5 kg，经时间t=2.0 s，玩具移动了s=4 m，这时幼儿松开手，问玩具还能运动多远？(取g=10 m/s2，sin 53=0.8，cos 53=0.6)【解析】一阶段s=at2所以a=2 m/s2Fcos 53-(mg-Fsin 53)=ma所以=v=at=4 m/s二阶段Ff=mg所以-Ffs=0-mv2s=2.6 m.【答案】2.6 m1光滑水平面上静止一个物体，现有水平恒力F作用在物体上，使物体的位移为x0时，立刻换成4F的力，作用相同时间，此刻物体的位移为()Ax0Bx0C0
