淺析運(yùn)動分析和受力分析在高中物理解題過程中的應(yīng)用

1、淺析運(yùn)動分析和受力分析在高中物理解題過程中的應(yīng)用【摘 要】運(yùn)動分析和受力分析在高中物理學(xué)習(xí)的過程中非常關(guān)鍵。在解答高中物理的各個(gè)模塊的題目時(shí)，往往都需要借助運(yùn)動分析和受力分析。有時(shí)候在面對一道題目毫無頭緒時(shí)，通過對物理過程進(jìn)行運(yùn)動分析和受力分析，問題就可以迎刃而解。所以說，運(yùn)動分析和受力分析就是打開高中物理題庫的金鑰匙?！娟P(guān)鍵詞】 運(yùn)動分析 受力分析 高中物理主干知識包括：力學(xué)中的直線與曲線運(yùn)動、力、牛頓運(yùn)動定律、機(jī)械能、動量等；電學(xué)中的電場、恒定電流、磁場、電磁感應(yīng)等。顯然能熟練掌握這些物理主干知識，高中物理的學(xué)習(xí)就完成已經(jīng)了大部分。在學(xué)習(xí)這些主干知識時(shí)，如果能緊扣運(yùn)動分析和受力分析，對這些

2、主干知識的掌握就能夠起到事半功倍的效果。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動規(guī)律的自然科學(xué)。而運(yùn)動規(guī)律和物質(zhì)相互作用可以在運(yùn)動分析和受力分析中得到體現(xiàn)，所以能夠熟練地對物理問題進(jìn)行運(yùn)動分析和受力分析，然后結(jié)合物理情景應(yīng)用物理公式、定理、定律，就能夠很好地解答物理題目。下面分成如下幾點(diǎn)，通過具體題目來更進(jìn)一步認(rèn)識運(yùn)動分析和受力分析。一、 運(yùn)動分析的單獨(dú)應(yīng)用要對物體運(yùn)動分析，關(guān)鍵必須掌握好兩個(gè)要點(diǎn)：狀態(tài)和過程。因?yàn)樵谶\(yùn)動學(xué)的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動公式里面，所涉及的物理量不是狀態(tài)量就是過程量，只要能夠確定運(yùn)動物體從初始狀態(tài)到末狀態(tài)，是經(jīng)歷了什么樣的過程，符合了什么樣的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動公式，問題往往就迎刃而

3、解。例（09年江蘇物理）如圖所示，以勻速行駛的汽車即將通過路口，綠燈還有2 s將熄滅，此時(shí)汽車距離停車線18m。該車加速時(shí)最大加速度大小為，減速時(shí)最大加速度大小為。此路段允許行駛的最大速度為，下列說法中正確的有 A如果立即做勻加速運(yùn)動，在綠燈熄滅前汽車可能通過停車線 B如果立即做勻加速運(yùn)動，在綠燈熄滅前通過停車線汽車一定超速 C如果立即做勻減速運(yùn)動，在綠燈熄滅前汽車一定不能通過停車線 D如果距停車線處減速，汽車能停在停車線處答案：AC分析：（1）弄清題意，知道題目涉及到的運(yùn)動參量有：初速度V0、運(yùn)動時(shí)間t、加速度a加a減、位移x、最大速度Vm（2）根據(jù)題意汽車可能作三種運(yùn)動：勻加速直線運(yùn)動、勻

4、速直線運(yùn)動、勻減直線速運(yùn)動。（勻速直線運(yùn)動根據(jù)選項(xiàng)可先排除）（3）應(yīng)用勻變速直線運(yùn)動的公式，汽車如果立即做勻加速直線運(yùn)動，t1=2s內(nèi)的位移=20m18m，此時(shí)汽車的速度為12m/smgcos，故tan，故AB錯(cuò)誤；若要使物塊在平行于斜面向上的拉力F的作用下沿斜面勻速上滑，由平衡條件有：F-mgsin-mgcos=0故F= mgsin+mgcos，若=tan，則mgsin=mgcos， 即F=2mgsin故C項(xiàng)正確；若要使物塊在平行于斜面向下的拉力F作用下沿斜面向下勻速滑動，由平衡條件有：F+mgsin-mgcos=0 則 F=mgcos- mgsin 若=tan，則mgsin=mgcos，即

5、F=0，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。小結(jié)：對物體受力分析需要準(zhǔn)確抓住狀態(tài)，因?yàn)闋顟B(tài)變化受力可能也不同。三、運(yùn)動分析和受力分析的綜合應(yīng)用整個(gè)高中物理的主干知識，幾乎可以用運(yùn)動分析和受力分析把它們給貫穿起來，下面通過具體例子來加深了解。（一） 運(yùn)動分析和受力分析在曲線運(yùn)動的應(yīng)用物體做曲線運(yùn)動的條件是：物體所受合力的方向與運(yùn)動方向不在同一直線上。從物體做曲線運(yùn)動的條件就可以看出了力和運(yùn)動的關(guān)系。例（09年廣東物理）如圖所示，一個(gè)豎直放置的圓錐筒可繞其中心OO轉(zhuǎn)動，筒內(nèi)壁粗糙，筒口半徑和筒高分別為R和H，筒內(nèi)壁A點(diǎn)的高度為筒高的一半。內(nèi)壁上有一質(zhì)量為m的小物塊。求當(dāng)筒不轉(zhuǎn)動時(shí)，物塊靜止在筒壁A點(diǎn)受到的摩擦力和支持力的

6、大??；當(dāng)物塊在A點(diǎn)隨筒做勻速轉(zhuǎn)動，且其受到的摩擦力為零時(shí)，筒轉(zhuǎn)動的角速度。（題目略有改動）解析當(dāng)筒不轉(zhuǎn)動時(shí)，物塊靜止在筒壁A點(diǎn)時(shí)受到的重力、摩擦力和支持力三力作用而平衡，由平衡條件得 摩擦力的大小 支持力的大小當(dāng)物塊在A點(diǎn)隨筒做勻速轉(zhuǎn)動，且其所受到的摩擦力為零時(shí)，物塊在筒壁A點(diǎn)時(shí)受到的重力和支持力作用，它們的合力提供向心力，設(shè)筒轉(zhuǎn)動的角速度為有 由幾何關(guān)系得 聯(lián)立以上各式解得小結(jié)：各種特殊曲線運(yùn)動都要滿足一定的受力條件。（二） 運(yùn)動分析和受力分析在牛頓運(yùn)動定律中的應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律闡述的是物體運(yùn)動和受力的關(guān)系，所以牛頓運(yùn)動定律是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的基石。例（09年江蘇卷）航模興趣小組設(shè)計(jì)出一架遙控飛

7、行器，其質(zhì)量m =2，動力系統(tǒng)提供的恒定升力F =28 N。試飛時(shí)，飛行器從地面由靜止開始豎直上升。設(shè)飛行器飛行時(shí)所受的阻力大小不變，g取10m/s2。 （1）第一次試飛，飛行器飛行t1 = 8 s 時(shí)到達(dá)高度H = 64 m。求飛行器所阻力f的大?。?（2）第二次試飛，飛行器飛行t2 = 6 s 時(shí)遙控器出現(xiàn)故障，飛行器立即失去升力。求飛行器能達(dá)到的最大高度h；（3）為了使飛行器不致墜落到地面，求飛行器從開始下落到恢復(fù)升力的最長時(shí)間t3 。解析：（1）第一次飛行中，設(shè)加速度為勻加速運(yùn)動由牛頓第二定律解得（2）第二次飛行中，設(shè)失去升力時(shí)的速度為，上升的高度為勻加速運(yùn)動設(shè)失去升力后的速度為，上升

8、的高度為由牛頓第二定律解得（3）設(shè)失去升力下降階段加速度為；恢復(fù)升力后加速度為，恢復(fù)升力時(shí)速度為由牛頓第二定律 F+f-mg=ma4且V3=a3t3解得t3=(s)(或2.1s)小結(jié)：應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律解題，運(yùn)動分析和受力分析成了唯一線索。（三） 運(yùn)動分析和受力分析在機(jī)械能、動量中的應(yīng)用機(jī)械能和動量解題需要將整個(gè)經(jīng)典力學(xué)的知識綜合運(yùn)用起來，題目往往比較復(fù)雜。但是如果能夠把握好運(yùn)動分析和受力分析這兩大主線，可以將復(fù)雜問題簡單化。例（09年天津卷）如圖所示，質(zhì)量m1=0.3 kg 的小車靜止在光滑的水平面上，車長L=15 m,現(xiàn)有質(zhì)量m2=0.2 kg可視為質(zhì)點(diǎn)的物塊，以水平向右的速度v0=2 m/

9、s從左端滑上小車，最后在車面上某處與小車保持相對靜止。物塊與車面間的動摩擦因數(shù)=0.5,取g=10 m/s2，求（1） 物塊在車面上滑行的時(shí)間t;（2） 要使物塊不從小車右端滑出，物塊滑上小車左端的速度v0不超過多少。解析：本題考查摩擦拖動類的動量和能量問題。涉及動量守恒定律、動量定理和功能關(guān)系這些物理規(guī)律的運(yùn)用。（1）設(shè)物塊與小車的共同速度為v，以水平向右為正方向，根據(jù)動量守恒定律有 設(shè)物塊與車面間的滑動摩擦力為F，對物塊應(yīng)用動量定理有 其中 解得代入數(shù)據(jù)得 （2）要使物塊恰好不從車廂滑出，須物塊到車面右端時(shí)與小車有共同的速度v，則 由功能關(guān)系有 代入數(shù)據(jù)解得 =5m/s故要使物塊不從小車右

10、端滑出，物塊滑上小車的速度v0不能超過5m/s。小結(jié)：物體的能、量狀態(tài)，與運(yùn)動和力也有密切關(guān)系。（四） 運(yùn)動分析和受力分析在電場中的應(yīng)用在高中階段對于電、磁的學(xué)習(xí)，主要也是從運(yùn)動和力方面來學(xué)習(xí)的，只不過是再增加幾種性質(zhì)的力而已。例（09年全國卷）圖中虛線為勻強(qiáng)電場中與場強(qiáng)方向垂直的等間距平行直線。兩粒子M、N質(zhì)量相等，所帶電荷的絕對值也相等?，F(xiàn)將M、N從虛線上的O點(diǎn)以相同速率射出，兩粒子在電場中運(yùn)動的軌跡分別如圖中兩條實(shí)線所示。點(diǎn)a、b、c為實(shí)線與虛線的交點(diǎn)，已知O點(diǎn)電勢高于c 點(diǎn)。若不計(jì)重力，則A. M帶負(fù)電荷，N帶正電荷B. N在a點(diǎn)的速度與M在c點(diǎn)的速度大小相同C. N在從O點(diǎn)運(yùn)動至a點(diǎn)

11、的過程中克服電場力做功D. M在從O點(diǎn)運(yùn)動至b點(diǎn)的過程中，電場力對它做的功等于零答案：BD解析：本題考查帶電粒子在電場中的運(yùn)動.圖中的虛線為等勢線,所以M點(diǎn)從O點(diǎn)到b點(diǎn)的過程中電場力對粒子做功等于零,D正確.根據(jù)MN粒子的運(yùn)動軌跡可知N受到的電場力向上M受到的電場力向下,電荷的正負(fù)不清楚但為異種電荷.A錯(cuò).o到a的電勢差等于o到c的兩點(diǎn)的電勢差,而且電荷和質(zhì)量大小相等,而且電場力都做的是正功根據(jù)動能定理得a與c兩點(diǎn)的速度大小相同,但方向不同,B對。（五）運(yùn)動分析和受力分析在磁場中的應(yīng)用例（09年廣東物理）圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場加速后，進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交

12、的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場的強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場。下列表述正確的是A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C能通過的狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BD粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小答案：ABC解析：由加速電場可見粒子所受電場力向下，即粒子帶正電，在速度選擇器中，電場力水平向右，洛倫茲力水平向左，如圖所示，因此速度選擇器中磁場方向垂直紙面向外B正確；經(jīng)過速度選擇器時(shí)滿足，可知能通過的狹縫P的帶電粒子的速率等于E/B，帶電粒子進(jìn)入磁場做勻速圓周運(yùn)動則有，可見當(dāng)v相同時(shí)，

13、所以可以用來區(qū)分同位素，且R越大，比荷就越大，D錯(cuò)誤。（六）運(yùn)動分析和受力分析在電磁感應(yīng)中的應(yīng)用例（09年上海物理）如圖，光滑的平行金屬導(dǎo)軌水平放置，電阻不計(jì)，導(dǎo)軌間距為l，左側(cè)接一阻值為R的電阻。區(qū)域cdef內(nèi)存在垂直軌道平面向下的有界勻強(qiáng)磁場，磁場寬度為s。一質(zhì)量為m，電阻為r的金屬棒MN置于導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，受到F0.5v0.4（N）（v為金屬棒運(yùn)動速度）的水平力作用，從磁場的左邊界由靜止開始運(yùn)動，測得電阻兩端電壓隨時(shí)間均勻增大。（已知l1m，m1kg，R0.3W，r0.2W，s1m）（1）分析并說明該金屬棒在磁場中做何種運(yùn)動；（2）求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??；（3）若撤去外力后棒的速度v隨位移x的變化規(guī)律滿足vv0x，且棒在運(yùn)動到ef處時(shí)恰好靜止，則外力F作用的時(shí)間為多少？（4）若在棒未出磁場區(qū)域時(shí)撤去外力，畫出棒在整個(gè)運(yùn)動過程中速度隨位移的變化所對應(yīng)的各種可能的圖線。解析：（1）金屬棒做勻加速運(yùn)動，R兩端電壓UIev，U隨時(shí)間均勻增大，即v隨時(shí)間均勻增大，加速度為恒量；（2）Fma，以F0.5v0.4代