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牛顿第二定律是力学的基本规律,是力学的核心知识,在整个物理学中占有非常重要的地位,是高考命题的热点。近几年来的高考物理试题,每年都有涉及本专题的知识,各种题型均有,侧重于考查物体的受力和运动情况的分析及计算,而且与实际联系紧密。下面归类例析,供复习参考。
1、隔离法和整体法
(1) 隔离法和整体法是解决动力学有关问题的一种常用方法,尤其是对于连接体而言,运用隔离法和整体法是很有必要。
(2) 隔离法是指当我们所研究的问题涉及多个物体组成的系统时,需要求连接体内各部分间的相互作用力,从研究方便出发,把某个物体从系统中隔离出来,作为研究对象,分析受力情况,再利用牛顿第二定律列方程求解。
整体法是指系统内(即连接体内)物体间无相对运动时(具有相同加速度),可以把连接体内所有物体组成的系统作为整体考虑,分析其受力情况,对整体列出牛顿第二定律方程求解。
(3)隔离法和整体法的选择
求各部分加速度相同的连接体的加速度或合外力时,优先考虑“整体法”。
如果还要求物体之间的作用力,再用隔离法,且一定要从要求作用力的那个作用面将物体进行隔离。
如果连接体中各部分加速度不相同,一般选用“隔离法”。
(4) 用整体法时,只需考虑整体所受的各个外力,不考虑系统内各物体间的“内力”;用隔离法时,必须分析隔离体所受到的各个力,也就是说,在利用整体法和隔离法解决问题时,一定要把外力和内力区分清楚。
例1 如图1(A)所示,质量为M=50千克的人在小车上跑动,小车质量为m=25千克,恰好静止在倾角 的光滑斜面上。试求此人跑动的加速度。

分析:人必须给与小车沿斜面向上的作用力,即应加速向下跑,小车才有可能静止。
解法1:(隔离法)
先隔离小车,分析受力结合平衡条件可知,车受重力的下滑分力被人对车的摩擦力所平衡,即
①
再隔离人,受力分析如图1(B)所示,向下的重力Mg、车叶人的支持力FN和摩擦力Ff 。建立图示的直角坐标系,由牛顿第二定律,得:

②
又根据牛顿第三定律 ③
解①②③得 
解法2:(整体法)
选人、小车系统为研究对象,受力分析如图1(C)所示,根据牛顿第二定律系统表达式有

所以,人的加速度应为 
点评:本题用隔离法分析,则需两次隔离:小车、人,解答过程比较繁冗。而应用整体法分析,则抓住了问题的实质,且求解简明快捷。
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2、正交分解法
即把一个矢量分解在两个互相垂直的坐标轴上的方法。
(1) 正交分解法是解决动力学问题的最基本方法,物体在受到三个或三个以上的不在同一直线上的力作用时,一般都采用正交分解法。
(2) 牛顿第二定律的分量式:
(3) 说明:为了减少矢量的分解,建立坐标系时,确定x轴正方向有两种方法:
1) 分解力而不分解加速度,此种方法一般规定a方向为x轴正方向;
2) 分解加速度而不分解力,把加速度分解在x轴和Y轴上。
在建立正交坐标轴时,不管选取哪个方向为x轴正方向所得的最后结果都是一样的,但是为了使解题方便,应考虑尽量减少矢量的分解,即要尽量使较多的矢量在坐标轴上。
例2 如图2(A)所示,一自动电梯与水平面之间的夹角
,当电梯加速向上运动时,人对梯面的压力使其重力的
,试求:人与梯面之间的摩擦力是其重力的多少倍?

分析:人随电梯一起加速向上运动,人和电梯保持相对静止,二者是有相同的加速度a,对人进行受力分析,人受重力mg,支持力FN, 以及人与梯面之间的静摩擦力。由于梯面是水平的,因此梯面给人的静摩擦力方向必然沿水平方向,且方向向右,其受力如图2(B)所示。
解:建立直角坐标系:取水平向右(即Ff的方向)为x轴正方向,竖直方向为y轴正方向,如图2(B)所示。
将加速度a分解在x轴和y轴方向上,则有

由牛顿第二定律可得

X轴方向:
Y轴方向: 
又
联立可得 
点评:当研究对象所受的力都是互相垂直的,通常采用分解加速度的方法,可以使解题过程更为简化。
3、瞬时分析法
牛顿第二定律描述了力对物体的瞬时效应,“瞬时性”是指加速度与合外力存在瞬时对应的关系,即加速度是力作用在物体上的瞬时效果,每一瞬时加速度只取决于这一瞬时的合外力,而与这一瞬时力之前之后的力无关,从这个意义上讲,运用牛顿第二定律解题的分析法都是瞬时分析法。然而,物体相互之间的作用力在有些情况可以发生突变,有些不能突变,在实际解题过程中这两种情况往往交织在一起,容易混淆,造成解题错误,此时瞬时分析法就显得尤为重要和有效。
这里要特别注意,轻线、轻绳与轻弹簧、橡皮绳的本质差异。
( 1 )“绳”和“线”一般都是理想模型,具有如下几个特点:
1) 轻:即绳和线的质量和重力均可视为等于零,由此特点可知,同一根绳或线的两端及其中间各点的张力大小相等。
2) 软:即绳和线只能承受拉力,不能承受压力,由此特点可知,绳及其物体间相互作用力的方向是沿着绳子且背离受力物体的方向。
3) 不可伸长:即无论绳所受拉力多大,绳子的长度不变,由此特点可知,绳子中的张力可以突变。
( 2 ) “弹簧”和“橡皮绳”也是理想化模型,具有如下几个特点:
1) 轻:即弹簧或橡皮绳的质量和重力均可视为等于零,由此特点可知,同一弹簧或橡皮绳的两端及其中间各点的弹力大小相等。
2) 弹簧既能受拉力,也能受压力(沿弹簧的轴线),橡皮绳只能受拉力,不能承受压力(因橡皮绳能弯曲)。
3) 由于弹簧和橡皮绳受力时,其形变较大,发生形变需要一段时间,所以弹簧和橡皮绳中的弹力不能突变,但是当弹簧或橡皮绳本身被剪断时,它们所受的弹力则立即消失。
( 3 ) 桌面、斜面、墙壁以及坚硬的物体,一般都是理想化模型,当它们受力之后形变很小,可忽略不计,它们产生的弹力可以突变。
( 4 ) 确定物体瞬时加速度的关键在于正确确定瞬时作用力。

分析:当细绳烧断的瞬间,弹簧由于来不及发生形变,弹簧的弹力不能发生突变,将暂时保持不变,但是当弹簧在C处脱开时,细绳上的弹力则可以发生突变。若对每个瞬时进行受力分析,即可分析求出其加速度的大小。
解:设小球静止时,细绳上的弹力为F1,弹簧上的拉力为F2,
由三力平衡的正弦定理可得:


当细绳烧断的瞬间,小球所受的合力与F1大小相等、方向相反,由牛顿第二定律可得小球加速度
方向与
相反。
当弹簧在C处脱开时,细绳上的拉力由
突变为
,由牛顿第
二定律可得小球的加速度
,方向是沿垂直细绳AC向下的方向。
点评:“瞬时性”的问题是动力学的一种重要题型,必须根据细绳子与弹簧产生弹力的特点,正确判断力有无“突变”的特性,结合受力分析运用牛顿第二定律求解即可。
例3 一个轻弹簧,B端固定,另一端C与细绳的一端共同拉住一个质量为m的小球,细绳的另一端A也固定,如图3所示,且AC,BC与竖直方向的夹角分别为
和
,则烧断细绳的瞬间,小球的加速度
= ,若弹簧在C处与小球脱开,则脱开瞬间小球的加速度
= 。
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