中学物理竞赛辅导讲义-动力学

1广东省汕头市潮阳第一中学物理竞赛辅导讲义第三部分：动力学第一课时：复习高考（理科综合）知识点一、考点内容1．牛顿第一定律，惯性。2．牛顿第二定律，质量。3．牛顿第三定律，牛顿运动定律的应用。4．超重和失重。二、知识结构三、复习思路牛顿运动定律是力学的核心，也是研究电磁学的重要武器。在新高考中，涉及本单元的题目每年必出，考查重点为牛顿第二定律，而牛顿第一定律、第三定律在第二定律的应用中得到完美体现。在复习中，应注重对概念的全方位理解、对规律建立过程的分析，通过适当定量计算，掌握利用牛顿运动定律解题的技巧规律，强化联系实际和跨学科综合题目的训练，培养提取物理模型，迁移物理规律的解题能力。基础习题回顾1．汽车及车床等出现轴承磨损的原因之一是所用滚珠不是绝对呈球形，在下面哪种情况下生产滚珠最好：A、在真空中生产B、在完全失重状态下生产C、改造打磨技术D、用塑料生产同性质同时性相互性特征牛顿第三定律运动情况；超重和失重受力情况本问题：应用：动力学的两类基或表达式牛顿第二定律量度性，质量是惯性大小的惯性是物体的固有属物体运动状态的原因，的原因，而不是维持力是改变物体运动状态牛顿第一定律牛顿运动定律合/FFamaFmaFmaFyyxx22．一个人站在医用体重计的测盘上，在人下蹲的全过程中，指针示数变化应是：A、先减小，后还原B、先增加，后还原C、始终不变D、先减小，后增加，再还原3．如图所示，ad、bd、cd是竖直面内三根固定的光滑细杆，a、b、c、d位于同一圆周上，a点为圆周的最高点，d点为最低点。每根杆上都套着一个小滑环(图中未画出)，三个滑环分别从a、b、c处释放(初速度为零)，用t1、t2、t3依次表示滑环到达d所用的时间，则：A、t1t2t3B、t1t2t3C、t3t1t2D、t1=t2=t34．有一箱装得很满的土豆（如上图），以一定的初速度在动摩擦因数为的水平面上向左做匀减速运动（不计其它外力和空气阻力），其中有一质量为m的土豆，则其它土豆对它的总作用力大小是：A、mgB、mgC、21mgD、21mg5．在一次火灾事故中，因情况特殊别无选择，某人只能利用一根绳子从高处逃生，他估计这根绳子所能承受的最大拉力小于他的重量，于是，他将绳子的一端固定，然后沿着这根绳子从高处竖直下滑。为了使他更加安全落地，避免绳断人伤，此人应该：A．尽量以最大的速度匀速下滑B．尽量以最大的加速度加速下滑C．小心翼翼地、慢慢地下滑D．最好是能够减速下滑6．（2003年春季高考全国理综）在滑冰场上，甲、乙两小孩分别坐在滑冰板上，原来静止不动，在相互猛推一下后分别向相反方向运动。假定两板与冰面间的摩擦因数相同。已知甲在冰上滑行的距离比乙远，这是由于：A、在推的过程中，甲推乙的力小于乙推甲的力B、在推的过程中，甲推乙的时间小于乙推甲的时间C、在刚分开时，甲的初速度大于乙的初速度D、在分开后，甲的加速度的大小小于乙的加速度的大小7．2005年高考理综全国卷Ⅲ（陕西、四川、云南等用）如图所示，一物块位于光滑水平桌面上，用一大小为F、方向如图所示的力去推它，使它以加速度a右运动。若保持力的方向不变而增大力的大小，则：A、a变大B、不变C、a变小D、因为物块质量未知，故不能确定a变化的趋势8．吊在降落伞下的“神舟”五号载人飞船返回舱下落速度仍达14m/s，为实现软着陆，在返回舱离地面约为1.5m时开动5个反推力小火箭，若返回舱重3吨，则每支火箭的平Fabcd3均推力为牛。（保留两位有效数字）9．煤矿安全问题至关重要。某煤矿通过铁轨车送工人到地下工作。假设铁轨是一条倾斜向下的直线铁轨，长1公里。铁轨车在该铁轨上从地下到安全出口的最快速度为2m/s，加速和减速时铁轨车的最大合外力都为车重（包括人）的0.05倍，则工人安全脱离的最少时间需要______s。（设铁轨车从静止开始加速，到达安全出口时速度刚好为0，g取10m/s2）。10．某校课外活动小组，自制一枚土火箭，设火箭发射实验时，始终在垂直于地面的方向上运动，火箭点火后经过4s到达离地面40m高处燃料恰好用完。若空气阻力忽略不计，g取10m/s.求：（1）火箭的平均推力与重力的比值是多大？（2）火箭能到达的离地面的最大高度是多少？11．某同学有一次坐汽车，当汽车沿着直线公路向前行驶并处于某一稳定的运动状态时，发现车厢内用细绳悬吊的小球向车后偏离了竖直位置，且正好与竖直方向成300，如图所示，巳知小球质量为0.1kg，g＝10m／s2，回答下列问题：⑴该汽车的运动状态如何?⑵计算汽车的加速度。⑶若绳于某时期突然断了，而小车的运动状态不变，则该同学看到的小球将作什么运动？（小球未碰到车厢之前）12．一列质量为103t的列车，机车牵引力为3.5×105N运动中所受阻力为车重的0.01倍。列车由静止开始作匀加速直线运动，速度变为180km/h需要多少时间？此过程中前进了多少km？（g取10m/s2）13．（2005年广州二摸大综合）一辆小汽车在平直的高速公路上以v0=108km／h的速度匀速行驶，突然驾驶员发现正前方s＝110m处有一辆因故障停在路上维修的货车，于是急刹车．已知驾驶员的反应时间（从发现危险到踩下刹车踏板的时间）为0.6s．设刹车过程中车轮停止转动，汽车作匀减速运动．求车轮与地面间的动摩擦因数μ至少要有多大才不会发生碰撞事故．414．(2000上海)如图所示,长度相同的三根轻杆构成一个正三角形支架,在A处固定质量为2m的小球，B处固定质量为m的小球,支架悬挂在O点,可绕过O点并与支架所在平面相垂直的固定轴转动,开始时OB与地面相垂直,放手后开始运动,在不计任何阻力的情况下,下列说法正确的是：（A）A球到达最低点时速度为零。（B）A球机械能减少量等于B球机械能增加量。（C）B球向左摆动所能达到的最高位置应高于A球开始运动时的高度。（D）当支架从左向右回摆动时，A球一定能回到起始高度。动力学（初赛要求）第二课时：初赛知识要点分析一、牛顿运动定律（1）牛顿运动定律一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。在牛顿运动定律中，第一定律有它独立的地位。它揭示了这样一条规律：运动是物体的固有属性，力是改变物体运动状态的原因，认为“牛顿第一定律是牛顿第二定律在加速度为零时的特殊情况”的说法是错误的，它掩饰了牛顿第一定律的独立地位。物体保持原有运动状态（即保持静止或匀速直线运动状态）的性质叫做惯性。因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。但二者不是一回事。牛顿第一定律谈的是物体在某种特定条件下（不受任何外力时）将做什么运动，是一种理想情况，而惯性谈的是物体的一种固有属性。一切物体都有惯性，处于一切运动状态下的物体都有惯性，物体不受外力时，惯性的表现是它保持静止状态或匀速直线运动状态。物体所受合外力不为零时，它的运动状态就会发生改变，即速度的大小、方向发生改变。此时，惯性的表现是物体运动状态难以改变，无论在什么条件下，都可以说，物体惯性的表现是物体的速度改变需要时间。质量是物体惯性大小的量度。（2）牛顿第二定律物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比。加速度的方向跟合外力方向相同，这就是牛顿第二定律。它的数学表达式为amF牛顿第二定律反映了加速度跟合外力、质量的定量关系，从这个意义上来说，牛顿第二定律的表达式写成mFa更为准确。不能将公式amF理解为：物体所受合外力跟加速度成正比，与物体质量成正比，而公式aFm的物理意义是：对于同一物体，加速度与合外力成正比，其比值保持为某一特定值，这比值反映了该物体保持原有运动状态的能力。5力与加速度相连系而不是同速度相连系。从公式atvv0可以看出，物体在某一时刻的即时速度，同初速度、外力和外力的作用时间都有关。物体的速度方向不一定同所受合外力方向一致，只有速度的变化量（矢量差）的方向才同合外力方向一致。牛顿第二定律反映了外力的瞬时作用效果。物体所受合外力一旦发生变化，加速度立即发生相应的变化。例如，物体因受摩擦力而做匀变速运动时，摩擦力一旦消失，加速度立即消失。刹车过程中的汽车当速度减小到零以后，不再具有加速度，它绝不会从速度为零的位置自行后退。（3）牛顿第三定律两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。作用力与反作用力具有六个特点：等值、反向、共线、同时、同性质、作用点不共物。要善于将一对平衡力与一对作用力和反作用力相区别。平衡力性质不一定相同，且作用点一定在同一物体上。二、力和运动的关系物体所受合外力为零时，物体处于静止或匀速直线运动状态。物体所受合外力不为零时，产生加速度，物体做变速运动。若合外力恒定，则加速度大小、方向都保持不变，物体做匀变速运动。匀变速运动的轨迹可以是直线，也可以是曲线。物体所受恒力与速度方向处于同一直线时，物体做匀变速直线运动。根据力与速度同向或反向又可进一步分为匀加速运动和匀减速运动，自由落体运动和竖直上抛运动就是例子。若物体所受恒力与速度方向成角度，物体做匀变速曲线运动。例如，平抛运动和斜抛运动。物体受到一个大小不变，方向始终与速度方向垂直的外力作用时，物体做匀速圆周运动。此时，外力仅改变速度的方向，不改变速度的大小。物体受到一个与位移方向相反的周期性外力作用时，做机械振动。综上所述：判断一个物体做什么运动，一看受什么样的力，二看初速度与合外力方向的关系。三、力的独立作用原理物体同时受到几个外力时，每个力各自独立地产生一个加速度，就像别的力不存在一样，这个性质叫做力的独立作用原理。物体的实际加速度就是这几个分加速度的矢量和。根据力的独立作用原理解题时，有时采用牛顿第二定律的分量形式xxmaFyymaF分力、合力及加速度的关系是22)()(yxFFF22yxaaa在实际应用中，适用选择坐标系，让加速度的某一个分量为零，可以使计算较为简捷。通常沿实际加速度方向来选取坐标，这种解题方法称为正交分解法。如图所示，质量为m的物体，置于倾角为的固定斜面上，在水平推力F的作用下，沿斜面向上运动。物体与斜面间的滑动摩擦为，若要求物体的加速度，可先做出物体的6受力图（如图所示）。沿加速度方向建立坐标并写出牛顿第二定律的分量形式mamgfFFxsincos0cossinmgFNFyNf物体的加速度mFmgcoamgFa)sin(sincos对于物体受三个力或三个以上力的问题，采用正交分解法可以减少错误。做受力分析时要避免“丢三拉四”。四、即时加速度中学物理课本中，匀变速运动的加速度公式tvvat/)(0，实际上是平均加速度公式。只是在匀变速运动中，加速度保持恒定，才可以用此式计算它的即时加速度。但对于做变加速运动的物体，即时加速度并不一定等于平均加速度。根据牛顿第二定律计算出的加速度是即使加速度。它的大小和方向都随着合外力的即时值发生相应的变化。例如，在恒定功率状态下行驶的汽车，若阻力也保持恒定，则它的加速度mfvpmfFa)(0随速度的增大而逐渐减小。当fF时，加速度为零，速度达到最大值fpFpvm00因此，提高车速的办法是：加大额定功率，减小阻力。再如图所示，电梯中有质量相同的A、B两球，用轻质弹簧相连，并用细绳系于电梯天花板上。该电梯正以大小为a的加速度向上做匀减速运动（ga）。若突然细绳断裂。让我们来求此时两小球的瞬时加速度。7做出两球受力图，并标出加速度方向（如图所示）。根据牛顿第二定律可以写出对A：maTTmg12对B：maTmg2注意到22TT，并注意到悬绳与弹簧的区别：物理学中的细绳常可以看作刚性绳，它受力后形变可以忽略不计，因而取消外力后，恢复过程所用时间可以不计。而弹簧受力后会发生明显的形变，外力取消后，恢复过程需要一定的时间。因此，绳的张力可以突变，而弹簧的弹力不能突变。细绳断裂后，系在A上方