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牛顿第二定律的变形及其应用

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【摘要】根据牛顿第二定律的变形式,本文提出对变化的力进行受力分析的方法,尤其适合当物体的受力发生变化时。常见题型有弹簧类问题、电流天平测磁感应强度问题、瞬时类问题等。

【关键词】牛顿第二定律;受力分析;受力变化

一、牛顿第二定律的变形式

对物体进行受力分析,根据牛顿第二定律F=m,常规方法是分析物体受到的所有力,或者某个方向上的所有力,从而计算物体的加速度。然而,根据牛顿第二定律的变形式?F=m?,分析物体受力的变化,计算出物体对应的加速度变化量,也可得到物体的加速度。

分析变化的力,其实并不陌生,以例1为例。

方法一是对沿斜面方向的所有力进行分析,相比方法一,方法二其实更常见。方法二的本质是根据?F=m?,对变化的力进行分析。但其本质没有被重视,以至于对稍微难一些的题目,尤其是涉及弹簧的题目,学生不能灵活运用方法二。如例2所示。

二、弹簧类问题

例2:如图2所示,质量为m的物块放在一个轻弹簧上面,处于静止状态。弹簧的下端固定于地面上,弹簧的劲度系数为k。t=0时刻,给物块一个竖直方向上的作用力F,使得物块以加速度匀加速上升,求作用力F关于时间t的表达式。

由例2可知,分析变化的力,可以避免重复分析不变的力,极大简化解题思路和步骤。利用这种方法,可以快速解决例3。

例3:如图3所示,在倾角为θ的光滑斜面上有两个用轻弹簧相连接的物块A、B,它们的质量分别为m1、m2,弹簧劲度系数为k,C为一固定挡板,系统处于静止状态。现开始用一恒力F沿斜面方向拉物块A使之向上运动,当物块B刚要离开C时,物块A运动的距离为d,速度为v。重力加速度为g,求此时物块A的加速度大小。

分析变化的力,不是新鲜的方法,只是不被师生重视,疏于归纳和总结。在利用电流天平测磁感应强度中,也可以看到这种方法的应用。如例4。

三、电流天平测磁感应强度问题

四、瞬时类问题

牛顿第二定律的应用,“瞬时类问题”是一个常考点,其核心就是受力变化,尤其适合用本文的方法分析。以例5为例。

对A、B项,烧断轻绳,A物体和B物体受力的变化量均为轻绳的拉力2mg sinθ,根据2mg sinθ=m,得A和B的加速度大小均为2gsinθ,A正确,B错误。

对C、D项,剪断弹簧、撤去外力,因为轻绳拉力可突变,为避免分析未知的轻绳拉力,需对AB整体分析。

若剪断弹簧,则AB整体受力的变化量为弹簧弹力mg sinθ,根据mg sinθ=2m,得AB的加速度为,C正确。

若撤去外力,则AB整体受力的变化量为外力3mg sinθ,根据3mg sinθ=2m,得AB的加速度为,D错误。答案为AC。

综上所述,分析变化的力是受力分析的一种有效的方法。在学生熟练掌握受力分析后,教师可以有意识的引导学生理解和掌握这种方法。

参考文献:

[1]张大昌.物理必修一[M].北京:人民教育出版社.2010:74.

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