通常情况下,当把该定律应用于单一物体,或者是各个部分加速度完全相同的某系统时,定律的含义并不难理解:m为物体或系统的质量,为物体或系统所受到的所有外力的矢量和,而a则为物体或系统的国速度。但若将定律直接应用于各个部分加速度并不完全相同的某系统时,一方面定律的表现形式要相应修正为=;另一方面必须对定律的修正形式有一个正确的,同时也应该是更为深刻的理解:
mi为系统各部分的质量,为系统各部分所受到的来自系统外部物体所施加的力的矢量和,而ai则分别为系统各部分的不尽相同的加速度。
另外需要说明的是:尽管对于牛顿定律应用于加速度各不相同的系统时的修正形式,中学物理教学并未提出要求,但实际上我们确实会碰到大量的用“隔离法”(应用牛顿定律的原形)求解时非常复杂,而用“整体法”(应用牛顿定律的修正形式)则很简单的物理习题。
5.超重与失重。
(1)真重与视重。
如图1所示,在某一系统中(如升降机中)用。
弹簧秤测某一物体的重力,悬于弹簧秤挂钩下的物体静。
止时受到两个力的作用:地球给物体的竖直向上的重。
力mg和弹簧秤挂钩给物体的竖直向上的弹力f,这。
里,mg是物体实际受到的重力,称力物体的真重;
f是弹簧秤给物体的弹力,其大小将表现在弹簧秤的图1
示数上,称为物体的视重。
(2)起重与失重。
通常情况下测物体的重力时,视重等于真重,我们就以弹簧秤的示数作为物体重力大小的测量值。当系统(升降机)做变速运动时,有时会使得视重大于真重,此时称为超重现象;有时会使得视重大小真重,此时称为失重现象;甚至有时会做视重等于零,此时称为完全为重现象。
(3)超重与失重的条件。
由牛顿第二定律不难判断:当图8—1中的升降机做变速运动,有竖直向上的加速度a时,可由 f-mg=ma
得 f=m(g+a)>mg
在此条件下,系统处于超重状态;当图8—1中的升降机做变速运动,有竖直向上的加速度a时,可由。
mg-f=ma
得 f=m(g-a)<mg
在此条件下,系统处于失重状态;当图8—1中的升降机做变速运动,有竖直向下的加速度a且
a=g时,视重将为 f=0 在此条件下,系统处于完全失重状态。
三、典型例题。
例2.如图8—4所示,质量分别为15kg和5kg的长方形物体a和b静止叠放在水平桌面上。a与桌面以及a、b间动摩擦因数分别为μ1=0.1和μ2=0.
6,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。问:
1)水平作用力f作用在b上至少多大时,a、b之间能发生相对滑动?
2)当f=30n或40n时,a、b加速度分别各为多少?
图4图5分析:ab相对滑动的条件是:a、b之间的摩擦力达到最大静摩擦力,且加速度达到a可能的最大加速度a0,所以应先求出a0.
解:(1)以a为对象,它在水平方向受力如图8—5(a)所示,所以有。
maa0=μ2mbg-μ1(ma+mb)g,a0=g=×10m/s2=m/s2
再以b为对象,它在水平方向受力如图8—5(b)所示,加速度也为a0,所以有。
f-f2=mba0,f=f2+mba0=0.6×5×10n+5×n=33.3n.
即当f达到33.3n时,a、b间已达到最大静摩擦力。若f再增加,b加速度增大而a的加速度已无法增大,即发生相对滑动,因此,f至少应大于33.3n.
2)当f=30n,据上面分析可知不会发生相对滑动,故可用整体法求出共同加速度。
aa=ab==m/s2=0.5m/s2.
还可以进一步求得a、b间的静摩擦力为27.5n(同学们不妨一试).
当f= 40n时,a、b相对滑动,所以必须用隔离法分别求aa、ab,其实aa不必另求,aa=a0=m/s2.
以b为对象可求得。
ab==m/s2=2m/s2.
从上可看出,解决这类问题关键是找到情况发生变化的“临界条件”.各种问题临界条件不同,必须对具体问题进行具体分析。
例3.如图6(a)所示,质量为m的滑块与倾角为θ的斜面间的动摩擦因数为μ.滑动上安装一支架,在支架的o点处,用细线悬挂一质量为m的小球。当滑块匀加速下滑时,小球与滑块相对静止,则细线的方向将如何?
abc)图6
分析:要求细线的方向,就是要求细线拉力的方向,所以这还是一个求力的问题。可以用牛顿第二定律先以整体以求加速度a(因a相同),再用隔离法求拉力(方向).
解:以整体为研究对象,受力情况发图8—6(b)所示,根据牛顿第二定律有。
m+m)gsinθ-f=(m+m)a,n-(m+m)gcosθ=0. 而f=μn,故可解得 a=g(sinθ-μcosθ).
再以球为研究对象,受务情况如图8—6(c)表示,取x、y轴分别为水平、竖直方向(注意这里与前面不同,主要是为了求a方便).由于加速度a与x轴间的夹角为θ,根据牛顿第二定律有。
tsinα=macosθ,mg-tcosα=masinθ. 由此得 tanα==
为了对此解有个直观的认识,不妨以几个特殊μ值代入。
(1)μ=0,α=绳子正好与斜面垂直;
2)μ=tanθ,α00,此时物体匀速下滑,加速度为0,绳子自然下垂;
3)μ<tanθ,则α<θ物体加速下滑。
例5.如图9所示,升降机地板上有一木桶,桶内水面上漂浮着一个木块,当升降机静止时,木块有一半浸在水中,若升降机以a=g的加速度匀加速上升时,木块浸入水中的部分占总体积的。
分析:通常会有同学作出如下分析。
当升降机静止时,木块所受浮力f1与重力平衡,于是。
f1-mg=0 f1=ρvg
当升降机加速上升时,木块所受浮力f2比重大,此时有。
f2-mg=ma=mg f2=ρv/g
在此基础上可解得。
v/ :v=3 :4
但上述结论是错误的,正确解答如下。
解:当升降机静止时有。
f1-mg=0
f1=ρvg
当升降机加速上升时,系统处于超重状态,一方面所受浮力f2确实大于木块的重力mg,有。
f2-mg=ma=mg
另一方面所排开的体积为v/的水的视重大于其真重ρv/g,而等于。
f2=g排=ρv/(g+a)=ρv/g
由此解得 v/ :v=1 :2
即:浸入水中的部分仍占木块体积的一半。
09物理复习综合卷
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