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        高中物理“力與運動”常見問題探微

        2017-09-17 21:16:43王紅燕
        黑龍江教育·中學 2017年7期
        關鍵詞:分力物塊天體

        王紅燕

        高中物理“力與運動”包括靜力學、動力學、運動學三個板塊,占據(jù)很重要的地位,同樣也是學生很容易產(chǎn)生困擾的內(nèi)容。將力學和運動學結合在一起,體現(xiàn)了知識的連接性,能更好地培養(yǎng)學生的理解能力和思考能力。本文將通過對物體平衡狀態(tài)、勻變速運動、平拋運動、天體運動內(nèi)容的講解,將運動性質與運動過程緊密結合在一起,進而讓學生對此部分知識有更深入的理解,為之后學習電場、磁場知識打下堅實的基礎。

        一、物體平衡,正交分解

        物體的平衡狀態(tài)一般是作為題目中的條件來讓學生解讀的,要想研究物體的平衡狀態(tài),需要對其進行受力分析,然后找到平衡的條件,再進行正交分解。

        例1:把質量為m的物體放在傾角為?夼的固定斜面上,滑塊和斜面表面之間的動摩擦因數(shù)為μ。假設物塊的滑動摩擦力大小就是最大的靜摩擦力,重力加速度取g,則( )。

        A.物塊從靜止往下滑動,如果μ>tan?夼,滑塊將不動

        B.滑塊起初有初速度,如果μ

        C.沿斜面方向去拉物塊,讓其勻速滑動,如果μ=tan?夼,拉力大小應為mgsin?夼

        D.沿斜面方向向上拉物塊,使其勻速運動,如果μ=tan?夼,拉力大小應是2mgsin?夼

        將滑塊由靜止釋放,如果滑塊下滑,說明重力沿斜面向下的分力大于最大靜摩擦力,進而打破了平衡狀態(tài),重力的分力為mgsin?夼,那么最大靜摩擦力的大小μmgcos?夼就要小于mgsin?夼,即μ需小于tan?夼。當給滑塊沿斜面向下的初速度,當μ

        在平衡問題中,還有一類問題是動態(tài)平衡問題。這類題目只要掌握了技巧,就會變得很簡單。圖中的桿件都是輕桿,并且全是光滑的,在將細繩慢慢往左拉的過程中,兩桿之間的夾角?夼就會逐漸減小,此時研究拉力F以及BO桿所受壓力的改變。解決的方法就是尋找相似三角形,力FN的邊對應的是桿OB的長度,所以大小是恒定不變的。而FN與物體的重力G的合力在逐漸減小,說明拉力F也在逐漸減小。

        對物體平衡狀態(tài)進行研究,需要找尋促使物體達到平衡的各個力,然后去分析力之間的關系,包括方向和大小。學生只有掌握方法,問題才會迎刃而解。

        二、直線運動,變速情景

        在高中階段引入了加速度的概念。運動的物體由于受到力的作用,進而表現(xiàn)出不平衡的狀態(tài),速度會不斷變化。解決這類問題,需要分析、整理整個過程,配合必要的物理計算來輔助思考,會使問題變得簡單。

        例2:兩物體甲和乙在同一條線路上進行運動,0-0.4s的v-t圖如下。如果只有這兩物體之間相互影響,那么物體甲與乙的質量之比和圖中時間t1分別為多少?

        從圖像中可以讀出一些必要的信息,乙在做勻減速運動,甲在做勻加速運動,在t1的時間內(nèi),乙的速度變化量是甲速度變化量的3倍,也就是說a乙=3a甲。根據(jù)牛頓第二定律可知,F(xiàn)=ma,兩物體間是存在相互作用的,可能發(fā)生的是速度交換,F(xiàn)的大小是相同的,那么就是m甲=3m乙。由圖中的條件可以得出,乙的加速度為10m/s2,當速度減為1m/s的時候,需要0.1s,速度就會變?yōu)?,所以t1=0.30s。兩個物體之間力的作用引起了運動狀態(tài)的改變。當一個物體受到多個力的作用時,如“一個木塊在光滑的水平面上受到恒力作用而運動,前方固定有一勁度系數(shù)足夠大的水平彈簧,當木塊接觸到彈簧后……”可以想到,在這個過程中,物塊的運動狀態(tài)發(fā)生了多次改變,需要仔細研究。開始沒有接觸到彈簧的時候,物塊在水平方向只受到F的作用,做勻加速直線運動。當接觸到彈簧的時候,物塊是有速度的,此時的彈簧開始慢慢壓縮,產(chǎn)生與力F方向相反的彈力,此時物塊受到的合力還是沿力F的方向,但是在逐漸減小,加速度a也在逐漸減小,而速度v還是在增大。直到彈簧的彈力與力F的大小相同時,物塊受到的合力為0,速度達到最大,物塊還會繼續(xù)運動。之后物塊所受的合力方向就會與運動方向相反,開始做減速運動,直到速度為0,然后運動的方向就會發(fā)生改變。

        解決這類問題的時候,每一步都要萬分小心,不能急功近利,需要把每次的狀態(tài)改變都找出來。教師要指導學生學會分析,進而提高物理學科素養(yǎng)。

        三、圓周運動,知識遷移

        解決圓周運動問題要緊緊抓住運動的合成與分解,在分析的過程中深思熟慮。圓周運動是高中物理中非常重要的運動狀態(tài),不僅僅會在運動學中考查,在電磁場的綜合研究中也會考查,須要學生掌握。

        對圓周運動進行研究,需要找出提供向心力的那個力,還需要分析物理量之間的關系。

        例3:在水平轉盤上有質量為m的物體,當物體到轉軸的距離為r時,連接物塊和轉軸的繩剛好被拉直(繩上的張力為零)。物體和轉盤間的最大靜摩擦力是其正壓力的μ倍。當轉盤的速度為■和■時,分別求此時繩子的拉力。

        當轉盤開始轉動的時候,首先由摩擦力來提供向心力,如果角速度再增大,細繩就需要有拉力的作用了。比如當轉盤的角速度變?yōu)椤鰰r,首先要考慮由最大靜摩擦力來提供向心力,μmg=mw2r,解得w=■,此時繩子不用提高拉力就能滿足要求。但是當w變?yōu)椤鰰r,就需要拉力了,F(xiàn)+μmg=mw2r,解得F=■。而有些問題就需要對物體進行受力分析,有時候是力的分量來提供向心力,而且還要注意物體做圓周運動的半徑,避免步入陷阱中去。

        在解決圓周運動的問題時,首先要掌握線速度、角速度、向心加速度等物理量之間的關系。教師應將這些問題的情況總結出來,讓學生熟練掌握。

        四、天體運動,萬有引力

        天體運動的知識是高考的必考點,它建立在圓周運動的基礎上,是對圓周運動更深層次的研究。在研究天體運動的時候,要注意分析運動性質。

        在“天體運動”的教學中,我讓學生嘗試著去推導天體的密度。根據(jù)密度公式?籽=■得出V=■?仔R3。然后結合萬有引力公式,■=■R,得M=■R3,再將M代入到密度公式里就可以了,其實這就是以前學過的知識的簡單結合。學生之所以感覺難,是因為教師將所有的工作都做了,學生對教師太依賴。另外,還有一種過程很簡單,但是學生在接觸時很難想明白的問題——多星問題。天體之間的運動是遵循萬有引力定律的,憑借學過的知識踏踏實實去思考就能解決。比如說“雙星問題”,兩個天體圍繞著它們連線上的一點做勻速圓周運動,用彼此的吸引力來提供向心力,角速度是相等的。兩個天體之間的距離為r,r=r1+r2。通過萬有引力提供向心力來列公式,G■=m1w2r1,G■=m2w2r2,將式子進行聯(lián)立就能得出r1=■r,這樣問題就能得到解決了。三星、四星問題也是通過同樣的思維方式來解決的。

        對于天體運動問題,學生必須自己動手才能弄清思路,單純地記結論是不可能將知識理解透徹并熟練掌握的。在平時的學習中,我要求學生必須認真對待每一道題,不要感覺簡單就不動筆。

        總而言之,力與運動之間的關系非常緊密。由于力的存在,物體的運動狀態(tài)才會發(fā)生改變,包含的情況較多,學生容易思維混亂。教師只有將每種情況的思考方式都傳授給學生,引導學生動腦思考,才能提高學生的物理學科素養(yǎng)。

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