2020高中高考【物理】加速度分解的妙用-分析弹力的技巧

2g

R

a

F N

G

a

0 F f

加速度分解的妙用

——分析弹力的技巧

湖北省恩施高中 陈恩谱

在分析弹力大小及其变化的动力学问题中，分解加速度到弹力方向的方法，比分解力到加速度方向的 方法，得出答案更方便快捷。

【例1】如图所示，扶梯与水平面的夹角为30°，当电梯向上以加速度 a 运动时，则扶梯对人的支持力和摩擦力。

【解析】以人为研究对象，其受力如图所示，将加速度分解到水平、竖 直方向，由牛顿第二定律，有

F f = ma cos 30︒ ，

F N - mg = ma sin 30︒ a y a

解得

F f = 3

ma ， F = mg + 1

ma a x

2 N 2

【总结】这是一个分解加速度的经典例题。这种方法，显然比将力分解到平行、垂直加速度方向而言， 需要分解的量达到了最少，方程与计算都简单不少。

【例 2】倾角为θ、质量为 M 的斜面体放在光滑水平地面上，其上表面光滑，将质量 m 的物体放在斜面上，开始时系统处于静止状态。现对斜面体施加一水平推力，如图所示。要使物体 m 相对斜面静止，力F 应为多大？此时斜面对物体支持力为多大？

【解析】以 m 为研究对象，其受力如图所示，将系统加速度分解到垂直斜面 竖直方向，由牛顿第二定律，有

解得 a y = g

mg = ma y

g

F N

a x

则有

a = a y tan θ= g tan θ， a x = a y / cos θ= cos θ

则由牛顿第二定律，有 mg

对 m ：

F N = ma x =

cos θ

对整体： F = (M + m )a = (M + m )g tan θ

G

【总结】本题采用斜交分解，使得加速度直接求出，而支持力不需要分解，大大简化了计算。

【例 3】如图所示，半径为 R 的半球形陶罐，固定在可以绕竖直轴旋转的水平转台上，转台转轴与过陶罐球心 O 的对称轴 OO ′重合．转台以一定角速度ω匀速旋转，一质量为 m 的小物块落入陶罐内，经过一段时间后，小物块随陶罐一起转动且相对罐壁静止，它和 O 点的连线与 OO ′之间的夹角θ为 60°．重力加速度大小为 g ．

（1） 若ω=ω0，小物块受到的摩擦力恰好为零，求ω0；

（2） 若ω=2

，求小物块受到的摩擦力大小和方向．

【解析】（1）以 m 为研究对象，其受力如图所示，将系统加速度分解到陶罐半径方向、竖直方向，由牛顿第二定律，有

mg = ma y

解得 a y = g

则有

a = a y tan θ= g tan θ

F N

a x

而

a = ω2 R sin θ

a

解得

ω0=

G

a y

g

R

a y

a x a x

F f

（2）ω＞ω0，则滑块有沿斜面向上滑的趋势，摩擦力沿罐壁切线向下，如图所示，将重力、系统加速

度分解到陶罐半径方向、切线方向，由牛顿第二定律，有

F N F f + mg sin θ= ma y

其中 a y = a c os θ 而 a = ω2 R sin θ

a

F f

a y

解得

F f = 3 mg G

2

【总结】本题第（1）问采用斜交分解，使得加速度可直接求出，而第（2）问由于支持力、摩擦力两 力互相垂直，所以将加速度分解到这两个力的方向，从而可以少分解力，直接求出摩擦力，并且这里不需要求出支持力。这样使本题的求解，相较传统的水平竖直分解要简单许多。

【例 4】如图，水平地面上有一楔形物体 b ，b 的斜面上有一小物块 a ；a 与 b 之间、b 与地面之间均存在摩擦．已知楔形物体 b 静止时，a 静止在 b 的斜面上．现给 a 和 b 一个共同的向左的初速度，与 a 和b 都静止时相比，此时可能（ ）

A ．a 与 b 之间的压力减少，且 a 相对 b 向下滑动

B ．a 与 b 之间的压力增大，且 a 相对 b 向上滑动

C ．a 与 b 之间的压力增大，且 a 相对 b 静止不动

D ．b 与地面之间的压力不变，且 a 相对 b 向上滑动

【解析】假设 a 和 b 相对静止，一起向左减速，则其共同加速度向右，以物块 a 为研究对象，其受力如图所示（假设摩擦力沿斜面向上），将加速度分解到垂直、平行斜面方向，则由牛顿第二定律，有

F N - mg cos θ= m a x

mg sin θ- F f = ma y

解得

F N = mg cos θ+ ma x ， F f = mg sin θ- ma y

a

其中，加速度 a 从 0 增加到了 a .

a y

可以看出 F N 一定增大了，即压力增大了。 G

若 a 较小， a y < g sin θ，F f 方向向上； 若 a y = g sin θ，F f =0；

若 a 较大， a y > g sin θ，F f 方向向下；

若 a 太大，则 F f 可能超过最大静摩擦力，物块 a 就会相对斜面上滑。物块相对斜面上滑时，物块有竖直向上加速度，超重，因此整体对地压力大于整体重力。

本题选 BC.

【总结】本题若按常规将力分解到水平竖直方向，列、解方程较困难，而且也难以由结果一眼看出支 持力、摩擦力变化趋势。而将加速度分解到支持力、摩擦力方向时，问题就一目了然。

说明：本文收录于陈恩谱老师《物理原来可以这样学》2019 年 6 月第三次修订版。

F N