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        高中物理連接體模型透視

        2020-12-11 09:16:27高峰
        中學教學參考·理科版 2020年12期
        關(guān)鍵詞:連接體高中物理模型

        高峰

        [摘要]連接體模型大致分為懸掛類、支架類、斜面類、板塊類,文章采擷幾則典例,對相關(guān)問題進行分析點評,以引導學生分類認識連接體模型,并在問題的分析、比較過程中適當歸納總結(jié),以提升學生的解題能力。

        [關(guān)鍵詞]連接體;模型;高中物理

        [中圖分類號]G633.7

        [文獻標識碼] A

        [文章編號] 1674-6058( 2020)35-0057-02

        連接體是指兩個或兩個以上相互作用的物體組成的系統(tǒng)。在高考試卷中,經(jīng)常出現(xiàn)連接體模型,甚至在壓軸題中也會出現(xiàn)。連接體問題變化多端,考查內(nèi)容多,能力要求高,很多學生在處理時感覺難度較大。因此,在實際教學時,教師要引導學生分類認識連接體模型,并歸類分析各類連接體問題的解題思路,提升學生的解題能力。下面結(jié)合實例對典型的連接體問題進行分類例析。

        一、懸掛類

        懸掛類問題,一般牽涉繩,而繩對物體的作用力一定沿繩,要解決這類問題,可以靈活采用整體法和隔離法,并運用牛頓第二定律或平衡知識解決問題。

        [例1]如圖1,圓環(huán)A穿在一根水平放置的細桿上,用輕質(zhì)細繩將小球B與圓環(huán)A連接起來。已知圓環(huán)A的質(zhì)量是mA,小球B的質(zhì)量是mB。因為存在水平向右的風,圓環(huán)A與小球B一起向

        右勻速運動。此時,輕質(zhì)細繩與豎直方向的夾角為θ,則( )。

        A.風對小球B的作用力為F=mBgtanθ

        B.突然風增大,小球B受到繩的作用力仍然不變

        C.如果風力增加,水平桿對圓環(huán)A的力增大

        D.桿和圓環(huán)A之間的動摩擦因數(shù)為mB/mA+mB

        解析:如圖2,分析小球B的受力可知:風的作用力為F=mBgtanθ,細繩對小球B的拉力為T=mBg/cosθ,因此A正確;假如風變大,根據(jù)T=mBg/cosθ,θ角變大,拉力也變大,因此B錯誤;將圓環(huán)A和小球B視為整體分析,整體重力為G總、水平桿對圓環(huán)A有向上的支持力Ⅳ、風力F水平向右、圓環(huán)A受到桿向左的摩擦力f。由平衡條件可得N=G總,f=F,因此桿對圓環(huán)A的支持力保持不變,可知C不正確;由N=G總=(mA+mB)g,f=F,F(xiàn)=

        mBtanθmbgtan θ,f =μN得/μ=mA+mB,因此D錯誤。

        點評:本題結(jié)合實際,考查懸掛類平衡問題。解決的辦法是:運用整體法和隔離法,先用隔離法,并以掛件為入手點,分析掛件的受力情況,再以整體為研究對象,分析整體的受力情況。

        二、支架類

        支架類問題,一般牽涉輕桿。輕桿對物體的作用力一般沿桿.可以是拉力,也可以是支持力,解題時要具體分析。輕桿連接兩球同軸轉(zhuǎn)動時,兩球具有相同的角速度,兩球構(gòu)成的系統(tǒng)機械能守恒(單個球機械能不守恒)。

        [例2]如圖3所示,在豎直平面內(nèi),將一個半徑為R的環(huán)形槽固定住。已知環(huán)形槽內(nèi)部光滑。將小球甲連接在一根輕桿上,已知輕桿的長度是√2R.球甲的質(zhì)量是m。再在輕桿的另外一邊固定一個小球乙,已知小球乙的質(zhì)量是2m。將連接兩個小球的輕桿放置在環(huán)形槽中。小球乙此時處于環(huán)形槽的最低端。將連接兩個小球的輕桿由靜止釋放,則( )。

        A.在下滑中,小球乙機械能的增加量等于小球甲機械能的減少量

        B.在下滑中,小球乙重力勢能的增加量等于小球甲重力勢能的減少量

        C.小球甲能夠到達環(huán)形槽的最下端

        D.從右向左返回時,小球乙能夠回到環(huán)形槽最低端

        解析:甲、乙物體組成的系統(tǒng)只有重力做功,機械能守恒。因此,下滑過程中甲球減少的機械能總是等于乙球增加的機械能,選項A正確;由于下滑過程中甲、乙物體的速度在變化,因此甲球減少的重力勢能總是等于乙球增加的重力勢能說法錯誤,選項B錯誤;若甲到凹槽的最低點時,乙到達與O點同一水平面的位置,顯然機械能增加,選項C錯誤;桿從右向左滑回時,乙回到凹槽的最低點時機械能不變,選項D正確,答案選AD。

        點評:解決支架類問題,常用系統(tǒng)機械能守恒、功能原理及牛頓第二定律等知識解決問題。

        三、斜面類

        斜面類問題,歷來是高考命題的熱點,可以考查斜面上物體的平衡,也可考查斜面整體的平衡,還可以考查加速問題。解題時應注意整體法和隔離法。

        [例3]如圖4,將一個斜面體放在水平面上。已知水平面粗糙,斜面體質(zhì)量是M,傾角是θ。將一個物體放在斜面體上,用力F沿著斜面向下拉動物塊。已知物體做勻速直線運動,斜面體保持靜止,則下面選項正確的是( )。

        A.斜面體有相對地面向右的運動趨勢

        B.斜面體受到地面的摩擦力為Fcosθ

        C.斜面體受到地面的支持力是(M+m)g

        D.物塊受到斜面體的摩擦力為F

        解析:可以用整體法分析,將斜面體與物塊當成整體,整體的重力為G(大小等于mg+ Mg),地面對斜面的支持力為Ⅳ,對物塊的拉力為F,斜面對地面的摩擦力為^,整體平衡,可以得到:f地 向右,大小是f地=Fcosθ,N=(M+m)g+ Fsinθ,因而B正確,A和C都是錯誤的。如圖5,再將物體隔離開來,F(xiàn)+ mgsinθ=f,因此D錯誤。

        點評:(1)幾個物體都靜止;(2)幾個物體都勻速運動;(3)整體內(nèi)一部分靜止,其他勻速運動。這三種情況可以嘗試使用整體法。

        四、板塊類

        板塊類問題是一類重要的連接體模型,牽涉兩個物體的相對運動,解題時,要根據(jù)兩物體的受力特點、運動特點,判斷兩物體是否發(fā)生相對運動,然后,運用整體法和隔離法解決問題。

        [例4]如圖6(a)所示,在水平桌面上放一塊長木板,已知桌面和長木板間沒有摩擦力。從0時刻開始,一個小物塊獲得了一個速度v0,沖上了長木板。圖6(b)所示為長木板和小物塊的速度一時間圖像,其中t1、v0、v1都是已知的。重力加速度為g。根據(jù)這些信息能求得( )。

        A.長木板的長度

        B.小物塊質(zhì)量與長木板質(zhì)量的比值

        C.長木板與小物塊間的動摩擦因數(shù)

        D.t1時刻長木板的動能

        解析:由v-t圖像的面積表示位移,可以求得從t=0開始到t1時刻物塊比木板多發(fā)生的位移,但不能求得木板的長度;由v-t圖可得木板和物塊的加速度大小的比,物塊和木板所受合外力都為物塊和木板間的滑動摩擦力,因此物塊和木板的質(zhì)量比等于二者加速度的反比,選項B正確;物塊的加速度大小為a=v0-v1/t1,對物塊應用牛頓第二定律μmg=ma可得物 塊與木板之間的動摩擦因數(shù),選項C正確;由于不能求得木板的質(zhì)量,因此不能求得木板獲得的動能,選項D錯誤。

        點評:物塊和木板都在恒力作用下做勻變速直線運動,v-t圖像的面積表示位移,v-t圖像的斜率表示加速度,本題可利用比值法和圖像法解決。

        解決連接體問題,要利用整體法和隔離法進行分析。具體解題時,首先要搞清物體間的連接關(guān)系,然后分析清楚物體的運動情況,如果屬于平衡類問題,一般從力的觀點選擇研究對象后求解;如果不屬于平衡類問題,一般利用牛頓第二定律,確定物體間的運動關(guān)系后解方程求解;對于曲線運動和部分不牽涉加速度和時間的直線運動問題,常用能的觀點解決問題。

        (責任編輯 易志毅)

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