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连接体问题专题详细讲解

连接体问题

一、连接体与隔离体

两个或两个以上物体相连接组成的物体系统,称为连接体。

如果把其中某个物体隔离出来,该物体即为隔离体。

二、外力和内力如果以物体系为研究对象,受到系统之外的作用力,这些力是系统受到的外力,而系统

内各物体间的相互作用力为内力。

应用牛顿第二定律列方程不考虑内力。

如果把物体隔离出来作为研究对象,则这些内力将转换为隔离体的外力。

三、连接体问题的分析方法

1.整体法连接体中的各物体如果加速度相同,求加速度时可以把连接体作为一个整体。

运用牛顿第二定律列方程求解。

2•隔离法如果要求连接体间的相互作用力,必须隔离其中一个物体,对该物体应用牛顿第二定律求解,此法称为隔离法。

3.整体法与隔离法是相对统一,相辅相成的。

本来单用隔离法就可以解决的连接体问题,但如果这两种方法交叉使用,则处理问题就更加方便。

如当系统中各物体有相同的加速度,求系统中某两物体间的相互作用力时,往往是先用整体法法求出加速度,再用隔离法法求物体受力。

简单连接体问题的分析方法

1•连接体:

两个(或两个以上)有相互作用的物体组成的具有相同大小加速度的整体。

2•“整体法”:

把整个系统作为一个研究对象来分析(即当做一个质点来考虑)。

注意:

此方法适用于系统中各部分物体的加速度大小方向相同情况。

3•“隔离法”:

把系统中各个部分(或某一部分)隔离作为一个单独的研究对象来分析。

注意:

此方法对于系统中各部分物体的加速度大小、方向相同或不相同情况均适用。

4.“整体法”和“隔离法”的选择

求各部分加速度相同的连结体的加速度或合外力时,优选考虑整体法”;如果还要求物体之间的作用

力,再用隔离法”,且一定是从要求作用力的那个作用面将物体进行隔离;如果连结体中各部分加速度不同,一般都是选用隔离法”。

5•若题中给出的物体运动状态(或过程)有多个,应对不同状态(或过程)用整体法”或隔离法”进行受

力分析,再列方程求解。

针对训练.

1•如图用轻质杆连接的物体AB沿斜面下滑,试分析在下列条件下,杆受到的力是拉力还是压力。

(1)斜面光滑;

(2)斜面粗糙。

〖解析〗解决这个问题的最好方法是假设法。

•即假定A、B间的杆不存在,此时同时释放A、B,若斜

面光滑,A、B运动的加速度均为a=gsi』,则以后的运动中A、B间的距离始终不变,此时若将杆再搭上,显然杆既不受拉力,也不受压力。

若斜面粗糙,A、B单独运动时的加速度都可表示为:

a=gsin(-gos0,

显然,若a、b两物体与斜面间的动摩擦因数妒阳,则有aA=aB,杆仍然不受力,若也〉伍,则aA

A、B间的距离会缩短,搭上杆后,杆会受到压力,若&<曲,贝VaA>aB杆便受到拉力。

〖答案〗

(1)斜面光滑杆既不受拉力,也不受压力

(2)斜面粗糙也〉由杆不受拉力,受压力

斜面粗糙&<用杆受拉力,不受压力

类型二、“假设法”分析物体受力

在一正方形的小盒内装一圆球,盒与球一起沿倾角为0的斜面下滑,如图所示,若不存在摩擦,

T及对方盒底面的压力N将如何变化?

(提示:

令T不为

1解析〗假设球与盒子分开各自下滑,则各自的加速度均为a=gsin0,即一样快

•••T=0

 

1.如图所示,火车箱中有一倾角为30。

的斜面,当火车以10m/s2的加速度沿水平方向向左运动时,斜面上

的物体m还是与车箱相对静止,分析物体m所受的摩擦力的方向。

 

〖解析〗

(1)方法一:

m受三个力作用:

重力mg,弹力N,静摩擦力的方向难以确定,我们可假定这个力不存在,

那么如图,mg与N在水平方向只能产生大小F=mgtg0的合力,此合力只能产生gtg30°■3g/3的加速度,小于题目给定的加速度,合力不足,故斜面对物体的静摩擦力沿斜面向下。

(2)方法二:

如图,假定所受的静摩擦力沿斜面向上,用正交分解法有:

Ncos30+fsin30=mg①

Nsin30-°fcos30=ma②

 

1答案〗静摩擦力沿斜面向下

类型一、“整体法”与“隔离法”

如图所示,A、B两个滑块用短细线(长度可以忽略)相连放在斜面上,从静止开始共同下滑,经过0.5s,细线自行断掉,求再经过1s,两个

滑块之间的距离。

已知:

滑块A的质量为3kg,与

斜面间的动摩擦因数是0.25;滑块B的质量为2kg,

与斜面间的动摩擦因数是0.75;

sin37=0.6,cos37=0.8。

斜面倾角

9=37°,斜面足够长,计算过程中取g=10m/s2。

1点拨〗此题考查“整体法”与“隔离法”。

1解析〗设A、B的质量分别为m“m2,与斜

面间动摩擦因数分别为忙炉细线未断之前,以

A、B整体为研究对象,设其加速度为a,根据牛顿

第二定律有

(口什m2)gsin9-^migcos9-比m2gcos9=(mi+m2)

a

.a(怖1+^m2)gCOSTc,,2

a=gsin9=2.4m/s

+m2

经0.5s细线自行断掉时的速度为v=ab=1.2m/s。

细线断掉后,以A为研究对象,设其加速度为a1,

根据牛顿第二定律有:

〖点拨〗整体法和隔离法的综合应用。

〖解析〗小球上升到最大高度后,小球与小车有相同的水平加速度a,以小球和车整体为研究对象,该整体在水平面上只受推力F的作用,则根据

牛顿第二定律,有:

F=(M+m)a①

以小球为研究对象,受力情况如图所示,则:

F合=mgcot9=ma②

而cot匸三瓯③

R—h

由②③式得:

a=10m/s2

将a代入①得:

F=50N。

〖答案〗50N

ggsinv-叫mgcost1

a1=

m1

2

=g(sin9-picos9)=4m/s。

滑块A在t2=1s时间内的位移为X1=vt2+吐,

2

又以B为研究对象,通过计算有

m2gsin9=pm2gcos9,贝Ua2=0,即卩B做匀速运动,它在t2=1s时间内的位移为

X2=Vt2,则两滑块之间的距离为

△x=X1-X2=vt2+

晅Vt2=

1答案〗2m

at

=2m

针对训练.

1•如图所示,一根轻质弹簧上端固定,下端挂一质量为m0的平盘,盘中有物体质量为m,当

盘静止时,弹簧伸长了I,今向下拉盘使弹簧再

伸长AI后停止,然后松手放开,设弹簧总处在弹性限度内,则刚刚松开手时盘对物体的支持力等于()

A•(1+f)(m+m°)g

B•(1+」)mg

I

C•mg

 

 

类型三、“整体法”和“隔离法”综合应用

【例题3】如图所示,一内表面光滑的凹形球面小车,半径R=28.2cm,车内有一小球,当小车以恒定加速度向右运动时,小球沿凹形球面上升的最大高度为8.2cm,若小球的质量m=0.5kg,小车质量M=4.5kg,应用多大水平力推车?

(水平面光滑)

D.(m+m°)g

I

〖解析〗题目描述主要有两个状态:

(1)未用手拉时盘处于静止状态;

(2)刚松手时盘处于向上加速状态。

对这两个状态分析即可:

(1)过程一:

当弹簧伸长I静止时,对整体有:

kl=(m+m0)g①

(2)过程二:

弹簧再伸长AI后静止(因向下拉力未知,故先不列式)。

(3)过程三:

刚松手瞬间,由于盘和物体的惯性,

 

F

在此瞬间可认为弹簧力不改变。

对整体有:

k(l+A)-(m+mo)g=(m+m°)a②对m有:

N-mg=ma③

由①②③解得:

N=(1+Al/l)mg。

〖答案〗B

2•如图所示,两个质量相同的物体1和2紧靠在

一起,放在光滑的水平桌面上,如果它们分别受到

水平推力Fi和F2作用,而且Fi>F2,则1施于2

]

2

卜1

N

B•卜2

r2

D•-

2

(F1-F)。

的作用力大小为(

A•Fi

1

C•—(F什F2)

2

1解析〗因两个物体同一方向以相同加速度运

动,因此可把两个物体当作一个整体,这个整体受力如图所示,设每个物体质量为m,则整体质量为

2m。

对整体:

F—-F2=2ma,二a=(F—-f2)/2m。

〖解析〗m与M间的最大静摩擦力

Ff=」mg=1.5N,当m与M恰好相对滑动时的加

F

速度为:

Ff=maa=3m/s2

m

(1)当a=1.2m/s2时,m未相对滑动,则

Ff=ma=0.6N

(2)当a=3.5m/s2时,m与M相对滑动,则

Ff=ma-1.5N,隔离M有F-Ff=MaF=Ff+Ma=8.5N

(3)当F=8.5N时,a车=3.5m/s2,a物=3m/s2,

2

a相对=a车-a物=0.5m/s

1

由L=a相对t,得t=2s。

2

〖答案〗

(1)0.6N

(2)8.5N(3)2s

针对训练

把1和2隔离,对2受力分析如图(也可以对

1受力分析,列式)

对2:

N2-F2=ma,

--N2=ma+F2=m(F1-F2)/2m+F2=(F1+F2)/2。

〖答案〗C

类型四、临界问题的处理方法

【例题4】如图所示,小车质量M为2.0kg,与水平地面阻力忽略不计,物体质量m=0.50kg,物体与小车间的动摩擦因数为0.3,则:

(1)小车在外力作用下以1.2m/s2的加速度向右运动时,物体受摩擦力是多大?

(2)欲使小车产生3.5m/s2的加速度,给小车需要提供多大的水平推力?

(3)若小车长L=1m,静止小车在8.5N水平推力

作用下,物体由车的右端向左滑动,滑离小

车需多长时间?

〖点拨〗本题考查连接体中的临界问题

1•如图所示,在倾角为B的光滑斜面上端系一劲度系数为k的轻弹簧,弹簧下端连有一质量为m的小球,球被一垂直于斜面的挡板

A挡住,此时弹簧没有形变。

若手

持挡板A以加速度a(avgsinB)沿斜面匀加速下

滑,求,

(1)从挡板开始运动到球与挡板分离所经历的时间;

(2)从挡板开始运动到球速达到最大,球所经过的最小路程。

〖解析〗

(1)当球与挡板分离时,挡板对球的作用力为零,对球由牛顿第二定律得mgsinv-kx=ma,

则球做匀加速运动的位移为x=m(gsin—a)。

k

当x=-at2得,从挡板开始运动到球与挡板分离

2

所经历的时间为t=?

=,2m(g;;耳。

(2)球速最大时,其加速度为零,则有

kx'mgsin0,

球从开始运动到球速最大,它所经历的最小路

程为

mgsinJ

x=_。

k

〖答案〗

(1)硕不口

(2)mgsin0k

ka

2•如图所示,自由下落的小球下落一段时间后,

 

 

与弹簧接触,从它接触弹簧开始,到弹簧压缩到最短的过程中,小球的速度、加速度、合外力的变化情况是怎样的?

(按论述题要求解答)

〖解析〗先用极限法”简单分析。

在弹簧的最上端:

•••小球合力向下(mg>kx),•••小球必加速向下;在弹簧最下端:

t末速为零,•必定有减速过程,亦即有合力向上(与v反向)的过程。

•此题并非一个过程,要用程序

法”分析。

具体分析如下:

小球接触弹簧时受两个力作用:

向下的重力和向上的弹力(其中重力为恒力)。

向下压缩过程可分为:

两个过程和一个临界点。

(1)过程一:

在接触的头一阶段,重力大于弹

力,小球合力向下,且不断变小(TF合=口9-心,而x增大),因而加速度减少(•••a=F合/m),由于a与v同向,因此速度继续变大。

(2)临界点:

当弹力增大到大小等于重力时,合外力为零,加速度为零,速度达到最大。

(3)过程二:

之后小球由于惯性仍向下运动,

但弹力大于重力,合力向上且逐渐变大(•••F合=

kx-mg)因而加速度向上且变大,因此速度减小至零。

(注意:

小球不会静止在最低点,将被弹簧上推向上运动,请同学们自己分析以后的运动情况)。

〖答案〗综上分析得:

小球向下压弹簧过程,F合方向先向下后向上,大小先变小后变大;a方向

先向下后向上,大小先变小后变大;v方向向下,

大小先变大后变小。

(向上推的过程也是先加速后减速)。

类型五、不同加速度时的“隔离法

【例题5】如图,底坐A上装有一根直立长杆,其总质量为M,杆上套有质量为m的环B,它与杆有摩擦,当环从底座以初速v向上飞起时(底座保持静止),环的加速度为a,求环在升起和下落的过程中,底座对水平面的压力分别是多大?

〖点拨〗不同加速度时的“隔离法”。

〖解析〗此题有两个物体又有两个过程,故用程序法”和隔离法”分析如下:

(1)环上升时这两个物体的受力如图所示。

对环:

f+mg=ma①■

丹丄6

对底座:

f'+-Mg=O②

而f'f=③

•-N^Mg—m(a-g)。

(2)环下落时,环和底座的受力如图所示。

对环:

环受到的动摩擦力大小不变。

对底座:

Mg+f'—d2=0④

联立①③④解得:

N2=Mg+m(a-g)

〖答案〗上升N1=Mg-m(a-g)

下降N2=Mg+m(a-g)

归纳:

通过例题的解答过程,可总结出解题以||

II下方法和步骤:

h

IIi•确定研究对象;

2•明确物理过程;II

"3•画好受力分析图;||

||4.用合成法或正交分解法求合力,列方程。

||

针对训练

1.如图所示,在倾角为B的光滑斜面上,有两个用轻质弹簧相连接的物块A和B,它们的

质量分别为mA、mB,弹簧的劲度系数为k,C为

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,求物块B刚要离开时物块C时物块A的加速度a,以及从开始到此时物块A的位移d,重力加速度为g。

〖解析〗此题有三个物体(A、B和轻弹簧)

和三个过程或状态。

下面用程序法"和隔离法"分

析:

(1)过程一(状态一):

弹簧被A压缩X1,A和B均静止

对A受力分析如图所示,

对A由平衡条件得:

kx1=mAgsin0①

(2)过程二:

A开始向上运动到弹簧恢复原长。

过程A向上位移为x1O

(3)过程三:

A从弹簧原长处向上运动X2,到

B刚离开C时。

B刚离开C时A、B受力分析如图所示,

F>20N

kx2=mBgsin0此时对A:

加速度向上,

F-mAgsin0kx2=mAa

由②③得:

a=F-(mA

mA

由①②式并代入d=X计X2解得:

(mAmB)gsinr

Hi

■■■■

ffF

对木板:

水平方向受力如图所示,

_F一f"F-kmg

a2=—

MM

要使m能从M上面滑落下来的条件是:

v2>v1,

即a2>a1,

•••F-"mg>4解得:

M

②只有一个过程

mA

d=(mA+mB)gsinT

2•如图所示,有一块木板静止在光滑且足够长的水平面上,木板质量

为M=4kg,长为L=1.4m;

木板右端放着一小滑块,

小滑块质量为m=1kg。

其尺寸远小于L。

小滑块与木板之间的动摩擦因数为尸0.4。

(g=10m/s2)

1现用恒力F作用在木板M上,为了使得m能从M上面滑落下来,求:

F大小的范围。

(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)

2其他条件不变,若恒力F=22.8N,且始终作用在

M上,使m最终能从M上面滑落下来。

求:

m

在M上面滑动的时间。

〖解析〗①只有一个过程,用隔离法”分析如

下:

对小滑块:

水平方向受力如图所示,

fMmg,,2

a1==g4m/s

mm

对小滑块(受力与①同)

对木板(受力方向与①同)

F—f2

a2==4.7m/s

M

1?

4.7?

X2=a2t=t

22

由图所示得:

X2-X1=L

解得:

即尹-2S

t=2s。

m

1答案①F>20N②t=2s

xi=lait2=2t2

2

 

o0-优化作业

1.如图光滑水平面上物块A和B以轻弹簧相

A-nAAAA—B

 

F时,A和B的加速度分

2.

6.

连接。

在水平拉力F作用下以加速度a作直线运动,设A和B的质量分别为mA和mB,当突然撤去外力别为()

0、0

a、0

mA

Aa

mB

如图A、B、C为三个完全相同的物体,当水平力F作用于B上,三物体可一起匀速运动。

撤去力F后,三物体仍可一起向前运动,设此时A、B间作用力为Fi,B、作用力为F2,则Fi和F2的大小为(

Fi=F2=0

F1=0,F2=F

F1=F,F2=2F

33

F1=F,F2=0如图所示,质量分别为叠放在固定的、倾角为面间、A与B之间的动摩擦因数分别为他,当A、B从静止开始以相同的加速度下滑时,B受到摩擦力()

A.等于零B.方向平行于斜面向上

C.大小为^mgcos0D.大小为竝mgcos0

水平面上运动,现在中间的B物体上加一个小物体,它和中间的物体一起运动,且原拉力F不变,那么加上物体以后,两段绳中的拉力Ta和Tb

的变化情况是

()

A.Ta增大

B.Tb增大

C.Ta变小

D.Tb不变

如图所示为杂技“顶竿”表演,一人站在地上,肩上扛一质量为M的竖直竹竿,当竿上一质量为m的人以加速度a加速下滑时,竿对“底人”的压力大小为(

(M+m)

D.

如图,在竖直立在水平面的轻弹簧上面固定一块质量不计的薄板,将薄

板上放一重物,并用手将重物往下压,然后突然将手撤去,重物即被弹射出去,则在弹射过程中,(即重物与弹簧脱离之前),重物的运动情况是()

A.一直加速

B.先减速,后加速

C.先加速、后减速

如图所示,木块A和B用一轻弹簧相连,竖直放在木块C上,三者静置于地面,它们的质量之比是1:

2:

3,设所有接触面都光滑,当沿水平方向抽出木块C的瞬时,别是0x=

如图所示,在前进的车厢的竖直后壁上放一个物体,物体与壁间的静摩擦因数尸

0.8,要使物体不致下滑,车厢至少应以多大的加速度前进?

=10m/s2)

10.如图所示,箱子的质量M=5.0kg,与水平

1.

地面的动摩擦因数尸0.22。

在箱子顶板处系一细线,悬挂一个质量m=1.0kg的小球,箱子受到水平恒力F的作用,使小球的悬线偏离竖直方向9=30°角,则F应为多少?

(g=10m/s)

能力提升

2

t满足关系式:

x=3t41,该物体运动的初速度v0=,物体的质量

g=。

若改用下图装置拉动m1,

使m1的运动状态与前面相同,则m2的

质量应为。

(不计摩擦)

F

mbm2

6.

m2

C.

F

mbm2

F

m1

m2

if1t

U/t

in

fi

如图所示,一细

线的一端固定于

的光

A的

细线

倾角为45°滑楔形滑块顶端P处,

P

A

45

mb

m2

m2,用与斜面平行的力F推mi,使两物加

2.如图所示,倾角为〉的斜面上放两物体mi和

速上滑,不管斜面是否光滑,两物体之间的

作用力总为

3•恒力F作用在甲物体上,可使甲从静止开始运动54m用3s时间,当该恒力作用在乙物体上,能使乙在3s内速度由8m/s变到一4m/s。

现把甲、乙绑在一起,在恒力F作

用下它们的加速度的大小是

从静止开始运动3s内的位移是

7.

的另一端拴一质量为m的小球。

当滑块至少以加速度a=_

向左运动时,小球对滑块的压力等于零。

当滑块以a=2g的加速度向左运动时,线的拉力大小F=

如图所示,质量为M的光滑斜面下滑,木板上站着一个质量为m的人,问

(1)为了保持木板与斜面相对静止,计算人运动的加速度?

(2)为了保持人与斜面相对静止,木板运动的加速度是多少?

 

 

8.

A、

4.如图所示,三个质量相同的木块顺次连接,放在水平桌面上,物体与平面间=02,

用力F拉三个物体,它们运动的加速度为1m/s2,若去掉最后一个物体,前两物体的加速度为m/s2。

5.如图所示,在水平力F=12N的作用下,放在光滑水平面上的mj,运动的位移x与时间

如图所示,质量分别为m和2m的两物体A、B叠放在一起,放在光滑的水平地面上,已知

B间的最大摩擦力为A物体重力的M咅,若用水平力分别作用在A或B上,使A、B保持相对静止做加速运动,则作用于上的最大拉力Fa与Fb之比为多少?

如图所示,质量为80kg的物体放在安装在小车上的水平磅称上,小车沿斜面无摩擦地

向下运动,现观察到物体在磅秤上读数只有600N,则斜面的倾角B为多少?

物体对磅秤的静摩擦力为多少?

10.如图所示,一根轻弹簧上端固定,下端挂一质量为m。

的平盘,盘中有一物体,质量为m,当盘静止时,弹簧的长度比自然长度伸长了L。

今向下拉盘使弹簧再伸长△L后停止,然后松手放开,设

弹簧总处在弹性限度以内,刚刚松开手时盘对物体的支持力等于多少?

综合应用

1.如图所示,,一根轻质弹簧上端固定,下端

挂一个质量为m0的平盘,盘中有一物体,

质量为m,当盘静止时,弹簧的长度比其自然长度伸长了I,今向下拉盘,使弹簧再伸长I后停止,然后松手,设弹簧总处在弹性限度内,支持力等于(

则刚松手时盘对物体的)

3.

4.

(〔:

l|)mg

(Vll)(mm))g

i

C.

B

5.

Dma+g(sin日+4so出)】cosT十Asin日

在无风的天气里,雨滴在空中竖直下落,由于受到空气的阻力,最后以某一恒定速

度下落,这个恒定的速度通常叫做收尾速度。

设空气阻力与雨滴的速度成正比,下

列对雨滴运动的加速度和速度的定性分析正确的是()

1雨滴质量越大,收尾速度越大

2雨滴收尾前做加速度减小速度增加的运

3雨滴收尾速度大小与雨滴质量无关

4雨滴收尾前做加速度增加速度也增加的运动

A.①②C.①④如图所示,

B.②④

D.②③

将一个质量为

l(mm°)g

2.质量为m的三角形木楔固定斜面上,如图所示,

A置于倾角为二的它与斜面间的动摩

擦因数为J,一水平力

F作用在木楔A的

竖直面上。

在力F的推动下,木楔A沿斜面以恒定的加速度a向上滑动,则F的大小为

mag(sin-cos^)】

cos-

ma-mgsin:

cos-sin-

C.

m的物体,放在台秤盘上一个倾角为-的光滑斜面上,则物体下滑过程中,台秤

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