在一类特殊题中整体法的应用

(整期优先)网络出版时间:2012-08-18
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在一类特殊题中整体法的应用

张立功

陕西省礼泉县逸夫初中张立功

抓住两点:①分析系统受外力。②分析系统内各物体加速度大小和方向。牛顿定律在动力学中占很重要的地位,每题(动力学)的求解都要用到牛顿定律。有这样一类题,系统受合力不为零,但系统内某个物体受力平衡,解这类题用整体法较为简便。

例1一只质量为m的小猫,跳起抓住悬在天花板上质量为M的竖直木杆,在这瞬间,悬木杆的绳断了。设木杆足够长,由于小猫不断向上爬,可使小猫离地高度不变,则木杆下落的加速度是多少?

解答把木杆和猫视为一个整体,线断后,这个整体合外力是(M+m)g,小猫离地高度不变,对地加速度为零,设木杆加速度为a,

对整体由牛顿第二定律得:F=Ma,即(M+m)g=Ma

则a=(M+m)g/M,方向竖直向下。

例2如下图所示,质量M=10kg的三角形木块ABC静置于粗糙水平地面上,μ=0.02,在三角形木块ABC倾角θ为300的斜面上,有质量m=1.0kg的物块由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,三角形木块ABC没有动,求地面对三角形木块ABC的摩擦力大小和方向。(g=10m/s2)

应用牛顿运动定律得:mgsinθ-f1=ma,N-mgcosθ=0

能使三角形木块ABC沿水平方向产生运动趋势的力只能是物块对三角形木块ABC的反作用力f1、N,将f1和N沿水平方向、竖直方向进行分解。

设地面对三角形木块ABC的静摩擦力f2水平向左,对三角形木块ABC列平衡方程:

f2+f1cosθ-Nsinθ=0

联立代值解得:f2=0.61N

可以看出,用隔离法解这道题比较复杂,但用整体法就简便了。

解法二整体法

由运动学公式可得物块沿斜面下滑得加速度:a=vt2/2s=1.42/(2×1.4)=0.7m/s2

将加速度a沿水平方向、竖直方向分解得:ax=acosθ,ay=asinθ

物块和三角形木块整体受重力(M+m)g,地面对它们的支持力FN、静摩擦力Ff

对整体用牛顿第二定律得:Ff=max=macosθ=1.0×0.7×/2=0.61N

可以看出,第二种解法简便得多,因为整体法分析外力,可减少内力,使列式方便、简捷。以上这种方法,我们称之为“整体法”。