专题强化四 力学三大观点的综合应用—2021高中物理一轮复习学案

专题强化四力学三大观点的综合应用

一、解动力学问题的三个基本观点

力的观点运用牛顿运动定律结合运动学知识解题，可处理匀变速直线运动问题能量观点用动能定理和能量守恒观点解题，可处理非匀变速运动问题

动量观点用动量定理和动量守恒观点解题，可处理非匀变速运动问题

相同点①研究对象都是相互作用的物体组成的系统

②研究过程都是某一运动过程

不同点动量守恒定律是矢量表达式，还可以写出分量表达式；而动能定理和能量守恒定律都是标量表达式，无分量表达式

(1)若研究对象为一个系统，应优先考虑应用动量守恒定律和能量守恒定律(机械能守恒定律)。

(2)若研究对象为单一物体，且涉及功和位移问题时，应优先考虑动能定理。

(3)若研究过程涉及时间，一般考虑用动量定理或运动学公式。

(4)因为动量守恒定律、能量守恒定律(机械能守恒定律)、动能定理都只考查一个物理过程的始末两个状态有关物理量间的关系，对过程的细节不予细究，这正是它们的方便之处。特别对于变力做功问题，就更显示出它们的优越性。

1．动力学方法的应用

若一个物体参与了多个运动过程，而运动过程只涉及运动和力的问题或只要求分析物体的动力学特点而不涉及能量问题，则常常用牛顿运动定律和运动学规律求解。

例1 (2019·河北衡水中学模拟)如图甲所示，水平地面上有一长为l＝1 m，高为h ＝0.8 m，质量M＝2 kg的木板，木板的右侧放置一个质量为m＝1 kg的木块(可视为质点)，已知木板与木块之间的动摩擦因数为μ1＝0.4，木板与地面之间的动摩擦因数为μ2＝0.6，初始时两者均静止。现对木板施加一水平向右的拉力F，拉力F随时间的变化如图乙所示，取g＝10 m/s2。求：

(1)前2 s内木板的加速度大小；

(2)木块落地时距离木板左侧的水平距离Δs。

[解析]本题根据F－t图象考查板块问题。

(1)设木块在木板上滑行的最大加速度为a 1，有

μ1mg ＝ma 1，

解得a 1＝4 m/s 2，

保持木块与木板一起做匀加速运动的最大拉力F m ＝μ2(M ＋m )g ＋(M ＋m )a 1＝30 N 。 因F 1＝24 N

F －μ2(M ＋m )g ＝(M ＋m )a ，

解得a ＝2 m/s 2。

(2)设2 s 末木块与木板的速度为v ，由运动学知识可得v ＝at 1＝4 m/s ，

2 s 后F 2＝34 N>F m ＝30 N ，木块和木板发生相对滑动，木块加速度为a 1，木板加速度为a 2，则有

F －μ1mg －μ2(M ＋m )g ＝Ma 2，

解得a 2＝6 m/s 2，

设经时间t 2二者分离，此时由运动学知识可得，

v t 2＋12a 2t 22－(v t 2＋12

a 1t 22)＝l ， 解得t 2＝1 s ，

此时木块的速度v 块＝v ＋a 1t 2，

木板的速度v 板＝v ＋a 2t 2，

木块与木板分离至滑落到地的时间设为t 3，由平抛运动知识可得，

h ＝12gt 23

， 在木块与木板分离至滑落到地的时间t 3内，木块在水平方向向前的位移为

s 块＝v 块t 3，

木块与木板分离后，木板的加速度设为a 3，由牛顿运动定律可得，

F －μ2Mg ＝Ma 3，

在木块与木板分离至滑落到地的时间t 3内，木板在水平方向的位移为s 板＝v 板t 3＋12

a 3t 23， 所以，木块落地时距离木板左侧的距离Δx ＝s 板－s 块，

联立以上式子解得Δs ＝1.68 m 。

[答案] (1)2 m/s 2 (2)1.68 m

2．能量观点的应用

若一个物体参与了多个运动过程，若该过程涉及能量转化问题，并且具有功能关系的特点，则往往用动能定理、能量守恒定律求解。

例 2 (2020·江西抚州七校联考)将一轻质弹簧竖直固定在水平地面上处于原长状

态，让一质量m 0＝20 g 的小球从弹簧上端由静止释放，小球最大下落高度h 1＝5 cm ，将该弹簧固定在如图所示的轨道左侧竖直墙壁上，轨道中部有一半径R ＝0.1 m 的竖直圆轨道，不同轨道的连接处均为平滑连接，小滑块可以从圆轨道最低点的一侧进入圆轨道，绕圆轨道一周后从最低点向另一侧运动。轨道上弹簧右侧的M 点到圆轨道左侧N 点的距离x MN ＝0.6 m 的范围内有摩擦，而其他部分均光滑。让另一质量m ＝10 g 的小滑块从轨道右侧高h 2(未知)处由静止释放，小滑块恰好能通过圆轨道最高点C ，且第一次恰好能把弹簧压缩5 cm ，现让该小滑块从轨道右侧h 3＝0.4 m 处由静止释放，已知重力加速度g ＝10 m/s 2，求：

(1)小滑块下落的高度h 2；

(2)小滑块停止时的位置到N 点的距离。

[解析] (1)小滑块恰好能过C 点，根据牛顿第二定律可得：mg ＝m v 2C R

由机械能守恒定律可得：mgh 2＝mg ·2R ＋12m v 2C

解得：h 2＝0.25 m 。

(2)弹簧竖直放置，被压缩h 1＝5 cm 时的弹性势能

E p ＝m 0gh 1＝0.01 J 。

由能量守恒可知，小滑块滑至第一次把弹簧压缩到最短时有：mgh 2＝μmgx MN ＋E ′p ， 其中E ′p ＝E p ＝0.01 J

解得：μmgx MN ＝0.015 J

当小滑块从h 3＝0.4 m 处下滑后，第二次通过N 点时的动能为：

E k N ＝mgh 3－2μmgx MN ＝0.01 J

此时小滑块动能小于0.015 J ，故小滑块不再与弹簧相碰

由能量守恒可得：E k N ＝μmgx

解得：x ＝0.4 m

小滑块最终停在N 点左侧0.4 m 处。

[答案] (1)0.25 m (2)0.4 m

3．力学三大观点的综合应用

这类模型各阶段的运动过程具有独立性，只要对不同过程分别选用相应规律即可，两个相邻的过程连接点的速度是联系两过程的纽带。

例3 (2019·福建莆田模拟)质量为m B ＝2 kg 的木板B 静止于光滑水平面上，质量

为m A ＝6 kg 的物块A 停在B 的左端，质量为m C ＝2 kg 的小球C 用长为l ＝0.8 m 的轻绳悬