物理整体法和隔离法专题

研究对象的选择选择研究对象是解决物理问题的首要环节。在很多物理问题中，研究对象的选择方案是多样的，研究对象的选取方法不同会影响求解的繁简程度。对于连结体问题，通常用隔离法，但有时也可采用整体法．如果能够运用整体法，我们应该优先采用整体法，这样涉及的研究对象少，未知量少，方程少，求解简便；不计物体间相互作用的内力，或物体系内的物体的运动状态相同，一般首先考虑整体法。对于大多数动力学问题，单纯采用整体法并不一定能解决，通常采用整体法与隔离法相结合的方法。例1、如图所示，在两块相同的竖直木板间，有质量均为m的四块相同的砖，用两个大小均为F的水平力压木板，使砖静止不动，则左边木板对第一块砖，第二块砖对第三块砖的摩擦力分别为：()A．4mg、2mgB．2mg、0C．2mg、mgD．4mg、mg4123FF解析：设左、右木板对砖摩擦力为f1，第3块砖对第2块砖摩擦为f2，则对四块砖作整体,画出受力图：f14mgf1由平衡条件有：2f1=4mg∴f1=2mg对1、2块砖画出受力图：2f22mg1f1平衡，有：f1+f2=2mg∴f2=0故B正确．B例2、如图所示，两个完全相同的重为G的球，两球与水平地面间的动摩擦因数都是μ，一根轻绳两端固接在两个球上，在绳的中点施加一个竖直向上的拉力，当绳被拉直后，两段绳间的夹角为θ。问当F至少多大时，两球将发生滑动？θFO解析：首先分析受力如图示，TfGNGNTf选用整体法，由平衡条件得F＋2N=2G①再隔离任一球，由平衡条件得Tsin(θ/2)=μN②对O点2·Tcos(θ/2)=F③①②③联立解之2122ctgGctgFBAC例3、如图示,A、B两个小球在水平放置的细杆上，相距为l，两下球各用一根长也是l的细绳连接C球，三个球的质量都是m，求杆对小球作用力的大小和方向。解：对C球，受力如图示：mgTT由平衡条件得2Tcos30°=mgmg33T对A球，受力如图示：mgfNAT由平衡条件得mg63Tsin30fNA=Tcos30°+mg=1.5mgFAθ杆对小球作用力的大小为FA1.53mgmgfNF22AA37tanθ=f/NA=0.1924θ=10.9°BAC解二：对C球，受力如图示：mgTT由平衡条件得2Tcos30°=mgmg33T对A球，受力如图示：FA为杆对A球的作用力(杆对A球的作用力是杆对A球的弹力和摩擦力的合力）mgTFA由平衡条件得mgmgmgmgTmgTFA53.13213730cos222例4、如图所示，半径为R，重为G的均匀球靠竖直墙放置，左下方有厚为h的木块，若不计摩擦，用至少多大的水平推力F推木块才能使球离开地面．·OF解析：以球为研究对象，受力如图所示。GN1N2θ由平衡条件N1cosθ=N2N1sinθ=Gsinθ=(R-h)/R再以整体为研究对象得：N2N2=F)2()()(1sincoscot222hRhhRGRhRRhRGGGNF例5、如下图所示，三个物体质量分别为m1、m2和m3，m3放在光滑水平面上，m1和m2用细绳跨过定滑轮相连不计滑轮和绳的质量及一切摩擦，为使3个物体没有相对运动，作用在m3上的水平推力F是。m1m2m3解：对m1分析受力如图示：m1gN1TT=m1a对m2分析受力如图示：m2gN2TT=m2gN2=m2a∴a=m2g/m1对整体分析：F=(m1+m2+m3)a=(m1+m2+m3)m2g/m1（m1+m2+m3）m2g/m1例6、如图示，人的质量为60kg，木板A的质量为30kg，滑轮及绳的质量不计，若人想通过绳子拉住木板，他必须用力的大小是（）A.225NB.300NC.450ND.600NA解：对人分析受力，如图示：MgNF由平衡条件得F+N=Mg对木板A分析受力，如图示mAg2FFNA由平衡条件得3F=mAg+N解得F=(mAg+Mg)/4=225N又解：对人和木板整体分析受力，AmAg2FFMgF由平衡条件得4F=mAg+Mg解得F=(mAg+Mg)/4=225NA例7、如图所示，A，B两物体的质量均为m，它们之间连接一个轻质弹簧，放在光滑水平面上，A紧靠墙壁.现用力F将B向左推，压缩弹簧，平衡后，突然将力撤去的瞬时，以下说法中正确的是（）(A)A的加速度为F/2m；(B)B的加速度为F/2m；(C)A的加速度为零；(D)B的加速度为F/m.CDABF87年高考、有一轻质弹簧上端固定，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，弹簧长度比自然长度伸长了L，如图。今向下拉盘使弹簧伸长ΔL后停止，然后松手放开，设弹簧总在弹性限度以内，则松开手时盘对物体支持力为。kLMg解：对弹簧问题一般都要画出弹簧的原长，如图示：伸长L时整体的受力如图示：kL=MgM=m+m0k/M=g/L再伸长ΔL时整体的受力如图示：Mgk(ΔL+L)ΔL+LLK(L+ΔL)－Mg=Ma∴a=kΔL/M=gΔL/L对m：N－mg=ma∴N=mg＋ma=mg(1＋ΔL/L）（1+ΔL/L）mg例8、如图所示，A、B两物体的质量分别是m1和m2，其接触面光滑，与水平面的夹角为θ，若A、B与水平地面的动摩擦系数都是μ，用水平力F推A，使A、B一起加速运动，求：（1）A、B间的相互作用力（2）为维持A、B间不发生相对滑动，力F的取值范围。分析与解：A在F的作用下，有沿A、B间斜面向上运动的趋势，据题意，A、B间恰好不发生相对滑动时，则A处恰好不脱离水平面，即A不受到水平面的支持力，此时A与水平面间的摩擦力为零。BAθF（1）对A受力分析如图所示:AθFm1gN因此有：Ncosθ=m1g[1]F-Nsinθ=m1a[2]∴N=m1g/cosθNcosθ=m1g①F-Nsinθ=m1a②（2）对B受力分析如图所示，则：m2gNN2f2BθN2=m2g+Ncosθ③f2=μN2④将[1]、[3]代入[4]式得：f2=μ(m1+m2)g取A、B组成的系统，有：F-f2=(m1+m2)a[5]由[1]、[2]、[5]式解得：F=m1g(m1+m2)(tgθ+μ)/m2故A、B不发生相对滑动时F的取值范围为：0＜F≤m1g(m1+m2)(tgθ+μ)/m2想一想：当A、B与水平地面间光滑时,且m1=m2=m时,则F的取值范围是多少？AθFm1gN（0＜F≤2mgtgθ）94年高考、如图所示,质量M=10千克的木楔ABC静置于粗糙水平地面上,滑动摩擦系数μ=0.02。在木楔的倾角θ为30°的斜面上，有一质量m=1.0千克的物块由静止开始沿斜面下滑。当滑行路程S=1.4米时，其速度v=1.4米/秒。在这过程中木楔没有动。求地面对木楔的摩擦力的大小和方向。重力加速度取g=10m/s2)θACBmM解：由匀加速运动公式v2=v02+2as,得物块沿斜面下滑的加速度为a=v2/2S=1.42/2.8=0.7m/s2①由于agsinθ=5m/s2,可知物块受到摩擦力作用.分析物块受力,它受三个力,如图所示,mgf1N1由牛顿定律,有mgsinθ-f1=ma②mgcosθ-N1=0③ABC分析木楔受力,它受五个力作用,如图所示,MgN1f1N2f2对于水平方向,由牛顿定律,有f2+f1cosθ-N1sinθ=0④由此可解得地面作用于木楔的摩擦力f2=N1sinθ-f1cosθ=mgcosθsinθ-(mgsinθ-ma)cosθ=macosθ=1×0.7×0.866=0.61N此力的方向与图中所设的一致(由C指向B的方向)θACBmMaxa又解：以系统为研究对象，木楔静止，物体有沿斜面的加速度a，一定受到沿斜面方向的合外力，由正交分解法,水平方向的加速度ax一定是地面对木楔的摩擦力产生的。∴f=max=macosθ=0.61N∴f1=mgsinθ-maN1=mgcosθ例9、如图所示，用轻质绝缘细线把两个带等量异种电荷的小球悬挂起来．今将该系统移至与水平方向成30°角斜向右上方向的匀强电场中，达到平衡时，表示平衡状态的图可能是：（）ABCDC例10、如图示，半径为R的细金属圆环中通有恒定电流I，圆环置于水平面上，处于竖直向下的匀强磁场中，求：圆环受到的张力。IRO解一：取上半段圆环AB作为研究对象，IROAB圆环AB受到安培力F，F的方向向上F的大小为FF=BI×2R（有效长度为2R）圆环AB两端受到的张力为T，方向沿切线，TT由平衡条件得F=2T∴T=BIR解二：取很小的一小段圆环CD作为研究对象，IROABCDα则CD所对的圆心角为α=2Δθ,圆弧长度ΔL=2RΔθCD受到安培力ΔF=BIΔL=2BIRΔθCD两端受到的张力为T，方向沿切线，如图示ΔFTT由平衡条件ΔFTTα2TsinΔθ=ΔF=2BIRΔθ角度很小时有sinΔθ=Δθ∴T=BIR上述方法称为微元法