高中奥林匹克物理竞赛题解及练习 高中奥林匹克物理竞赛题解赛题精讲例1：如图1—1所示，人和车的质量分别为m 和M ，人用水平力F 拉绳子，图中两端绳子均处于水平方向，不计滑轮质量及摩擦，若人和车保持相对静止，且水平地面是光滑的，则车的加速度为 .解析：要求车的加速度，似乎需将车隔离出来才能求解，事实上，人和车保持相对静止，即人和车有相同的加速度，所以可将人和车看做一个整体，对整体用牛顿第二定律求解即可.将人和车整体作为研究对象，整体受到重力、水平面的支持力和两条绳的拉力.在竖直方向重力与支持力平衡，水平方向绳的拉力为2F ，所以有：2F=(M+m)a ，解得：mM F a +=2 例2 用轻质细线把两个质量未知的小球悬挂起来，如图1—2所示，今对小球a 持续施加一个向左偏下30°的恒力，并 对小球b 持续施加一个向右偏上30°的同样大小的恒力，最后达到平衡，表示平衡状态的图可能是 （ ）解析 表示平衡状态的图是哪一个，关键是要求出两条轻质细绳对小球a 和小球b 的拉力的方向，只要拉力方向求出后，图就确定了先以小球a 、b 及连线组成的系统为研究对象，系统共受五个力的作用，即两个重力(m a +m b )g ，作用在两个小球上的恒力F a 、F b 和上端细线对系统的拉力T 1.因为系统处于平衡状态，所受合力必为零，由于F a 、F b 大小相等，方向相反，可以抵消，而(m a +m b )g 的方向竖直向下，所以悬线对系统的拉力T 1的方向必然竖直向上.再以b 球为研究对象，b 球在重力m b g 、恒力F b 和连线拉力T 2三个力的作用下处于平衡状态，已知恒力向右偏上30°，重力竖直向下，所以平衡时连线拉力T 2的方向必与恒力F b 和重力m b g 的合力方向相反，如图所示，故应选A.例3 有一个直角架AOB ，OA 水平放置，表面粗糙，OB 竖直向下，表面光滑，OA 上套有小环P ，OB 上套有小环Q ，两个环的质量均为m ，两环间由一根质量可忽略、不何伸长的细绳相连，并在某一位置平衡，如图1—4所示.现将P 环向左移动一段距离，两环再次达到平衡，那么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态相比，OA 杆对P 环的支持力N 和细绳上的拉力T 的变化情况是 （ ）A ．N 不变，T 变大B ．N 不变，T 变小C ．N 变大，T 变小D ．N 变大，T 变大解析 先把P 、Q 看成一个整体，受力如图1—4—甲所示，则绳对两环的拉力为内力，不必考虑，又因OB 杆光滑，则杆在竖直方向上对Q 无力的作用，所以整体在竖直方向上只受重力和OA 杆对它的支持力，所以N 不变，始终等于P 、Q 的重力之和。
再以Q 为研究对象，因OB 杆光滑，所以细绳拉力的竖直分量等于Q 环的重力，当P 环向左移动一段距离后，发现细绳和竖直方向夹角a 变小，所以在细绳拉力的竖直分量不变的情况下，拉力T 应变小.由以上分析可知应选B.例4 如图1—5所示，质量为M 的劈块，其左右劈面的倾角分别为θ1=30°、θ2=45°，质量分别为m 1=3kg 和m 2=2.0kg 的两物块，同时分别从左右劈面的顶端从静止开始下滑，劈块始终与水平面保持相对静止，各相互接触 面之间的动摩擦因数均为μ=0.20，求两物块下滑过程中(m 1和m 2均未达到底端)劈块受到地面的摩擦力g=10m/s 2）解析 选M 、m 1和m 2构成的整体为研究对象，把在相同时间内，M 保持静止、m 1和m 2分别以不同的加速度下滑三个过程视为一个整体过程来研究根据各种性质的力产生的条件，在水平方向，整体除受到地面的静摩擦力外，不可能再受到其他力；如果受到静摩擦力，那么此力便是整体在水平方向受到的合外力根据系统牛顿第二定律，取水平向左的方向为正方向，则有 （ ） F 合x=Ma ′+m 1a 1x －m 2a 2x其中a ′、a 1x 和a 2x 分别为M 、m 1和m 2在水平方向的加速度的大小，而a ′=0， a 1x =g(sin30°－μcos30°)·cos30°a 2x = g(sin45°－μcos45°)·cos45°F 合=m 1g(sin30°－μcos30°)·cos30°－m 2g(sin45°－μcos45°)·cos45°∴22)223.022(100.223)232.021(103?-??-??-?? =－2.3N负号表示整体在水平方向受到的合外力的方向与选定的正方向相反.所以劈块受到地面的摩擦力的大小为2.3N ，方向水平向右.例5 如图1—6所示，质量为M 的平板小车放在倾角为θ的光滑斜面上（斜面固定），一质量为m 的人在车上沿平板向下运动时，车恰好静止，求人的加速度.解析 以人、车整体为研究对象，根据系统牛顿运动定律求解。
如图1—6—甲，由系统牛顿第二定律得：(M+m)gsin θ=ma解得人的加速度为a=θsin )(g mm M + 例6 如图1—7所示，质量M=10kg 的木块ABC 静置 于粗糙的水平地面上，滑动摩擦因数μ=0.02，在木块的倾角θ为30°的斜面上，有一质量m=1.0kg 的物块静止开始沿斜面下滑，当滑行路程s=1.4m 时，其速度v=1.4m/s ，在这个过程中木块没有动，求地面对木块的摩擦力的大小和方向.（重力加速度取g=10/s 2）解析 物块m 由静止开始沿木块的斜面下滑，受重力、弹力、摩擦力，在这三个恒力的作用下做匀加速直线运动，由运动学公式可以求出下滑的加速度，物块m 是处于不平衡状态，说明木块M 一定受到地面给它的摩察力，其大小、方向可根据力的平衡条件求解此题也可以将物块m 、木块M 视为一个整体，根据系统的牛顿第二定律求解由运动学公式得物块m 沿斜面下滑的加速度：./7.02222202s m sv s v v a t t ==-= 以m 和M 为研究对象，受力如图1—7—甲所示由系统的牛顿第二定律可解得地面对木块M 的摩擦力为f=macos θ=0.61N ，方向水平向左.图1—8乙例7 有一轻质木板AB 长为L ，A 端用铰链固定在竖直墙上，另一端用水平轻绳CB 拉住。
板上依次放着A 、B 、C 三个圆柱体，半径均为r ，重均为G ，木板与墙的夹角为θ，如图1—8所示，不计一切摩擦，求BC 绳上的张力解析 以木板为研究对象，木板处于力矩平衡状态，若分别以圆柱体A 、B 、C 为研究对象，求A 、B 、C 对木板的压力，非常麻烦，且容易出错若将A 、B 、C 整体作为研究对象，则会使问题简单化以A 、B 、C 整体为研究对象，整体受到重力3G 、木板的支持力F 和墙对整体的支持力F N ，其中重力的方向竖直向下，如图1—8—甲所示合重力经过圆柱B 的轴心，墙的支持力F N 垂直于墙面，并经过圆柱C 的轴心，木板给的支持力F 垂直于木板由于整体处于平衡状态，此三力不平行必共点，即木板给的支持力F 必然过合重力墙的支持力F N 的交点.根据共点力平衡的条件：∑F=0，可得：F=3G/sin θ.由几何关系可求出F 的力臂 L=2rsin 2θ+r/sin θ+r ·cot θ以木板为研究对象，受力如图1—8—乙所示，选A 点为转轴，根据力矩平衡条件∑M=0，有：F ·L=T ·Lcos θ 即θθθθθcos sin )cot sin /1sin 2(32??=++L T Gr 解得绳CB 的能力：)cos sin cos 1tan 2(32θθθθ?++=L Gr T 例8 质量为1.0kg 的小球从高20m 处自由下落到软垫上，反弹后上升的最大高度为5.0m ，小球与软垫接触的时间为1.0s ，在接触时间内小球受合力的冲量大小为（空气阻力不计，取g=10m/s 2） （ ）A ．10N ·sB ．20N ·sC ．30N ·sD ．40N ·s解析 小球从静止释放后，经下落、接触软垫、反弹上升三个过程后到达最高点。
动量没有变化，初、末动量均为零，如图1—9所示这时不要分开过程求解，而是要把小球运动的三个过程作为一个整体来求解设小球与软垫接触时间内小球受到合力的冲量大小为I ，下落高度为H 1，下落时间为t 1，接触反弹上升的高度为H 2，上升的时间为t 2，则以竖直向上为正方向，根据动量定理得：sN gH gH I g H t g H t mgt I t mg ?=+====-+-3022(220)(21221121故而答案C例9 总质量为M 的列车以匀速率v 0在平直轨道上行驶，各车厢受的阻力都是车重的k 倍，而与车速无关.某时刻列车后部质量为m 的车厢脱钩，而机车的牵引力不变，则脱钩的车厢刚停下的瞬间，前面列车的速度是多少？解析 此题求脱钩的车厢刚停下的瞬间，前面列车的速度，就机车来说，在车厢脱钩后，开始做匀加速直线运动，而脱钩后的车厢做匀减速运动，由此可见，求机车的速度可用匀变速直线运动公式和牛顿第二定律求解.现在若把整个列车当作一个整体，整个列车在脱钩前后所受合外力都为零，所以整个列车动量守恒，因而可用动量守恒定律求解.根据动量守恒定律，得：Mv 0=(M －m)V V=Mv 0/(M －m)即脱钩的车厢刚停下的瞬间，前面列车的速度为Mv 0/(M －m).【说明】显然此题用整体法以列车整体为研究对象，应用动量守恒定律求解比用运动学公式和牛顿第二定律求简单、快速.例10 总质量为M 的列车沿水平直轨道匀速前进，其末节车厢质量为m ，中途脱钩，司机发觉时，机车已走了距离L ，于是立即关闭油门，撤去牵引力，设运动中阻力与质量成正比，机车的牵引力是恒定的，求，当列车两部分 都静止时，它们的距离是多少？解析 本题若分别以机车和末节车厢为研究对象用运动学、牛顿第二定律求解，比较复杂，若以整体为研究对象，研究整个过程，则比较简单。
假设末节车厢刚脱钩时，机车就撤去牵引力，则机车与末节车厢同时减速，因为阻力与质量成正比，减速过程中它们的加速度相同，所以同时停止，它们之间无位移差事实是机车多走了距离L 才关闭油门，相应的牵引力对机车多做了FL 的功，这就要求机车相对于末节车厢多走一段距离△S ，依靠摩擦力做功，将因牵引力多做功而增加的动能消耗掉，使机车与末节车厢最后达到相同的静止状态所以有：FL=f ·△S其中F=μMg, f=μ(M －m)g代入上式得两部分都静止时，它们之间的距离：△S=ML/(M －m)例11 如图1—10所示，细绳绕过两个定滑轮A 和B ，在两端各挂 个重为P 的物体，现在A 、B 的中点C 处挂一个重为Q 的小球，Q解析 选小球Q 和两重物P 构成的整体为研究对象，该整体的速率从零开始逐渐增为最大，紧接着从最大又逐渐减小为零（此时小球下降的距离最大为h ），如图1—10—甲在整过程中，只有重力做功，机械能守恒因重为Q 的小球可能下降的最大距离为h ，所以重为P 的两物体分别上升的最大距离均为.22L L h -+考虑到整体初、末位置的速率均为零，故根据机械能守恒定律知，重为Q 的小球重力势能的减少量等于重为P 的两个物体重力势能的增加量，即)(222L L h P Qh --= 从而解得22224)8(2P Q Q Q P PL h ---=例12 如图1—11所示，三个带电小球质量相等，均静止在光滑的水平面上，若只释放A 球，它有加速度a A =1m/s 2，方向向右；若只释放B 球，它有加速度a B =3m/。