第二章 牛頓定律

　　一、主要內(nèi)容

　　本章內(nèi)容包括力的概念及其計(jì)算方法，重力、彈力、摩擦力的概念及其計(jì)算，牛頓運(yùn)動(dòng)定律，物體的平衡，失重和超重等概念和規(guī)律。其中重點(diǎn)內(nèi)容重力、彈力和摩擦力在牛頓第二定律中的應(yīng)用，這其中要求學(xué)生要能夠建立起正確的“運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系”。因此，深刻理解牛頓第一定律，則是本章中運(yùn)用牛頓第二定律解決具體的物理問(wèn)題的基礎(chǔ)。

　　二、基本方法

　　本章中所涉及到的基本方法有：力的分解與合成的平行四邊形法則，這是所有矢量進(jìn)行加、減法運(yùn)算過(guò)程的通用法則;運(yùn)用牛頓第二定律解決具體實(shí)際問(wèn)題時(shí)，常需要將某一個(gè)物體從眾多其他物體中隔離出來(lái)進(jìn)行受力分析的“隔離法”，隔離法是分析物體受力情況的基礎(chǔ)，而對(duì)物體的受力情況進(jìn)行分析又是應(yīng)用牛頓第二定律的基礎(chǔ)。因此，這種從復(fù)雜的對(duì)象中隔離出某一孤立的物體進(jìn)行研究的方法，在本章中便顯得十分重要。

　　三、錯(cuò)解分析

　　在本章知識(shí)應(yīng)用的過(guò)程中，初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤主要表現(xiàn)在：對(duì)物體受力情況不能進(jìn)行正確的分析，其原因通常出現(xiàn)在對(duì)彈力和摩擦力的分析與計(jì)算方面，特別是對(duì)摩擦力(尤其是對(duì)靜摩擦力)的分析;對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系不能準(zhǔn)確地把握，如在運(yùn)用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解決問(wèn)題時(shí)，常表現(xiàn)出用矢量公式計(jì)算時(shí)出現(xiàn)正、負(fù)號(hào)的錯(cuò)誤，其本質(zhì)原因就是對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系沒(méi)能正確掌握，誤以為物體受到什么方向的合外力，則物體就向那個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

　　例1 甲、乙兩人手拉手玩拔河游戲，結(jié)果甲勝乙敗，那么甲乙兩人誰(shuí)受拉力大?

　　「錯(cuò)解」因?yàn)榧讋僖?，所以甲?duì)乙的拉力比乙對(duì)甲的拉力大。就像拔河一樣，甲方勝一定是甲方對(duì)乙方的拉力大。

　　「錯(cuò)解原因」產(chǎn)生上述錯(cuò)解原因是學(xué)生憑主觀想像，而不是按物理規(guī)律分析問(wèn)題。按照物理規(guī)律我們知道物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不是由哪一個(gè)力決定的而是由合外力決定的。甲勝乙是因?yàn)榧资芎贤饬?duì)甲作用的結(jié)果。甲、乙兩人之間的拉力根據(jù)牛頓第三定律是相互作用力，甲、乙二人拉力一樣大。

　　「分析解答」甲、乙兩人相互之間的拉力是相互作用力，根據(jù)牛頓第三定律，大小相等，方向相反，作用在甲、乙兩人身上。

　　「評(píng)析」生活中有一些感覺(jué)不總是正確的，不能把生活中的經(jīng)驗(yàn)，感覺(jué)當(dāng)成規(guī)律來(lái)用，要運(yùn)用物理規(guī)律來(lái)解決問(wèn)題。

　　例2 如圖2-1所示，一木塊放在水平桌面上，在水平方向上共受三個(gè)力，F(xiàn)1，F(xiàn)2和摩擦力，處于靜止?fàn)顟B(tài)。其中F1=10N，F(xiàn)2=2N.若撤去力F1則木塊在水平方向受到的合外力為( )

　　A.10N向左 B.6N向右 C.2N向左 D.0

　　「錯(cuò)解」木塊在三個(gè)力作用下保持靜止。當(dāng)撤去F1后，另外兩個(gè)力的合力與撤去力大小相等，方向相反。故A正確。

　　「錯(cuò)解原因」造成上述錯(cuò)解的原因是不加分析生搬硬套運(yùn)用“物體在幾個(gè)力作用下處于平衡狀態(tài)，如果某時(shí)刻去掉一個(gè)力，則其他幾個(gè)力的合力大小等于去掉這個(gè)力的大小，方向與這個(gè)力的方向相反”的結(jié)論的結(jié)果。實(shí)際上這個(gè)規(guī)律成立要有一個(gè)前提條件，就是去掉其中一個(gè)力，而其他力不變。本題中去掉F1后，由于摩擦力發(fā)生變化，所以結(jié)論不成立。

　　「分析解答」由于木塊原來(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以所受摩擦力為靜摩擦力。依據(jù)牛二定律有F1-F2-f=0此時(shí)靜摩擦力為8N方向向左。撤去F1后，木塊水平方向受到向左2N的力，有向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，由于F2小于最大靜摩擦力，所以所受摩擦力仍為靜摩擦力。此時(shí)—F2+f′=0即合力為零。故D選項(xiàng)正確。

　　「評(píng)析」摩擦力問(wèn)題主要應(yīng)用在分析物體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，所謂運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，一般被解釋為物體要?jiǎng)舆€未動(dòng)這樣的狀態(tài)。沒(méi)動(dòng)是因?yàn)橛徐o摩擦力存在，阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，使物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為一種趨勢(shì)。由此可以確定運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向的方法是假設(shè)靜摩擦力不存在，判斷物體沿哪個(gè)方向產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向就是運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向。如果去掉靜摩擦力無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，靜摩擦力就不存在。

　　例3 如圖2-2所示水平放置的粗糙的長(zhǎng)木板上放置一個(gè)物體m，當(dāng)用于緩慢抬起一端時(shí)，木板受到的壓力和摩擦力將怎樣變化?

　　「錯(cuò)解」以木板上的物體為研究對(duì)象。物體受重力、摩擦力、支持力。因?yàn)槲矬w靜止，則根據(jù)牛頓第二定律有

　　錯(cuò)解一：據(jù)式②知道θ增加，f增加。

　　錯(cuò)解二：另有錯(cuò)解認(rèn)為據(jù)式②知θ增加，N減小則f=μN(yùn)說(shuō)明f減少。

　　「錯(cuò)解原因」錯(cuò)解一和錯(cuò)解二都沒(méi)能把木板緩慢抬起的全過(guò)程認(rèn)識(shí)透。只抓住一個(gè)側(cè)面，缺乏對(duì)物理情景的分析。若能從木塊相對(duì)木板靜止入手，分析出再抬高會(huì)相對(duì)滑動(dòng)，就會(huì)避免錯(cuò)解一的錯(cuò)誤。若想到f=μN(yùn)是滑動(dòng)摩擦力的判據(jù)，就應(yīng)考慮滑動(dòng)之前怎樣，也就會(huì)避免錯(cuò)解二。

　　「分析解答」以物體為研究對(duì)象，如圖2-3物體受重力、摩擦力、支持力。物體在緩慢抬起過(guò)程中先靜止后滑動(dòng)。靜止時(shí)可以依據(jù)錯(cuò)解一中的解法，可知θ增加，靜摩擦力增加。當(dāng)物體在斜面上滑動(dòng)時(shí)，可以同錯(cuò)解二中的方法，據(jù)f=μN(yùn)，分析N的變化，知f滑的變化。θ增加，滑動(dòng)摩擦力減小。在整個(gè)緩慢抬起過(guò)程中y方向的方程關(guān)系不變。依據(jù)錯(cuò)解中式②知壓力一直減小。所以抬起木板的過(guò)程中，摩擦力的變化是先增加后減小。壓力一直減小。

　　「評(píng)析」物理問(wèn)題中有一些變化過(guò)程，不是單調(diào)變化的。在平衡問(wèn)題中可算是一類(lèi)問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題應(yīng)抓住研究變量與不變量的關(guān)系?？蓮氖芰Ψ治鋈胧郑衅胶夥匠陶谊P(guān)系，也可以利用圖解，用矢量三角形法則解決問(wèn)題。如此題物體在未滑動(dòng)時(shí)，處于平衡狀態(tài)，加速度為零。所受三個(gè)力圍成一閉合三角形。如圖2-4.類(lèi)似問(wèn)題如圖2-5用繩將球掛在光滑的墻面上，繩子變短時(shí)，繩的拉力和球?qū)Φ膲毫⑷绾巫兓?。從?duì)應(yīng)的矢量三角形圖2-6不難看出，當(dāng)繩子變短時(shí)，θ角增大，N增大，T變大。圖2-7在AC繩上懸掛一重物G，在AC繩的中部O點(diǎn)系一繩BO，以水平力F牽動(dòng)繩BO，保持AO方向不變，使BO繩沿虛線所示方向緩緩向上移動(dòng)。在這過(guò)程中，力F和AO繩上的拉力變化情況怎樣?用矢量三角形(如圖2-8)可以看出T變小，F(xiàn)先變小后變大。這類(lèi)題的特點(diǎn)是三個(gè)共點(diǎn)力平衡，通常其中一個(gè)力大小、方向均不變，另一個(gè)力方向不變，大小變，第三個(gè)力大小、方向均改變。還有時(shí)是一個(gè)力大小、方向不變，另一個(gè)力大小不變，方向變，第三個(gè)力大小、方向都改變。

　　例4 如圖2-9物體靜止在斜面上，現(xiàn)用水平外力F推物體，在外力F由零逐漸增加的過(guò)程中，物體始終保持靜止，物體所受摩擦力怎樣變化?

　　「錯(cuò)解」錯(cuò)解一：以斜面上的物體為研究對(duì)象，物體受力如圖2-10，物體受重力mg，推力F，支持力N，靜摩擦力f，由于推力F水平向右，所以物體有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，摩擦力f的方向沿斜面向下。根據(jù)牛頓第二定律列方程

　　f+mgsinθ=Fcosθ ①

　　N-Fsinθ-mgcosθ=0 ②

　　由式①可知，F(xiàn)增加f也增加。所以在變化過(guò)程中摩擦力是增加的。

　　錯(cuò)解二：有一些同學(xué)認(rèn)為摩擦力的方向沿斜面向上，則有F增加摩擦力減少。

　　「錯(cuò)解原因」上述錯(cuò)解的原因是對(duì)靜摩擦力認(rèn)識(shí)不清，因此不能分析出在外力變化過(guò)程中摩擦力的變化。

　　「分析解答」本題的關(guān)鍵在確定摩擦力方向。由于外力的變化物體在斜面上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)有所變化，如圖2-10，當(dāng)外力較小時(shí)(Fcosθmgsinθ)物體有向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，摩擦力的方向沿斜面向下，外力增加，摩擦力增加。當(dāng)Fcosθ=mgsinθ時(shí)，摩擦力為零。所以在外力由零逐漸增加的過(guò)程中，摩擦力的變化是先減小后增加。

　　「評(píng)析」若斜面上物體沿斜面下滑，質(zhì)量為m，物體與斜面間的摩擦因數(shù)為μ，我們可以考慮兩個(gè)問(wèn)題鞏固前面的分析方法。

　　(1) F為怎樣的值時(shí)，物體會(huì)保持靜止。

　　(2)F為怎樣的值時(shí)，物體從靜止開(kāi)始沿斜面以加速度a運(yùn)動(dòng)。

　　受前面問(wèn)題的啟發(fā)，我們可以想到F的值應(yīng)是一個(gè)范圍。

　　首先以物體為研究對(duì)象，當(dāng)F較小時(shí)，如圖2-10物體受重力mg、支持力N、斜向上的摩擦力f和F.物體剛好靜止時(shí)，應(yīng)是F的邊界值，此時(shí)的摩擦力為最大靜摩擦力，可近似看成f靜=μN(yùn)(最大靜摩擦力)如圖建立坐標(biāo)，據(jù)牛頓第二定律列方程

　　當(dāng)F從此值開(kāi)始增加時(shí)，靜摩擦力方向開(kāi)始仍然斜向上，但大小減小，當(dāng)F增加到FCOSθ=mgsinθ時(shí)，即F=mg.tgθ時(shí)，F(xiàn)再增加，摩擦力方向改為斜向下，仍可以根據(jù)受力分析圖2-11列出方程

　　隨著F增加，靜摩擦力增加，F(xiàn)最大值對(duì)應(yīng)斜向下的最大靜摩擦力。

　　要使物體靜止F的值應(yīng)為

　　關(guān)于第二個(gè)問(wèn)題提醒讀者注意題中并未提出以加速度a向上還是向下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)考慮兩解，此處不詳解此，給出答案供參考。

　　例5 如圖2-12，m和M保持相對(duì)靜止，一起沿傾角為θ的光滑斜面下滑，則M和m間的摩擦力大小是多少?

　　「錯(cuò)解」以m為研究對(duì)象，如圖2-13物體受重力mg、支持力N、摩擦力f，如圖建立坐標(biāo)有

　　再以m+N為研究對(duì)象分析受力，如圖2-14，(m+M)g.sinθ=(M+m)a③

　　據(jù)式①，②，③解得f=0

　　所以m與M間無(wú)摩擦力。

　　「錯(cuò)解原因」造成錯(cuò)解主要是沒(méi)有好的解題習(xí)慣，只是盲目的模仿，似乎解題步驟不少，但思維沒(méi)有跟上。要分析摩擦力就要找接觸面，摩擦力方向一定與接觸面相切，這一步是堵住錯(cuò)誤的起點(diǎn)。犯以上錯(cuò)誤的客觀原因是思維定勢(shì)，一見(jiàn)斜面摩擦力就沿斜面方向。歸結(jié)還是對(duì)物理過(guò)程分析不清。

　　「分析解答」因?yàn)閙和M保持相對(duì)靜止，所以可以將(m+M)整體視為研究對(duì)象。受力，如圖2-14，受重力(M十m)g、支持力N′如圖建立坐標(biāo)，根據(jù)牛頓第二定律列方程

　　x：(M+n)gsinθ=(M+m)a ①

　　解得a=gsinθ

　　沿斜面向下。因?yàn)橐髆和M間的相互作用力，再以m為研究對(duì)象，受力如圖2-15.

　　根據(jù)牛頓第二定律列方程

　　因?yàn)閙，M的加速度是沿斜面方向。需將其分解為水平方向和豎直方向如圖2-16.

　　由式②，③，④，⑤解得f=mgsinθ。cosθ

　　方向沿水平方向m受向左的摩擦力，M受向右的摩擦力。

　　「評(píng)析」 此題可以視為連接件問(wèn)題。連接件問(wèn)題對(duì)在解題過(guò)程中選取研究對(duì)象很重要。有時(shí)以整體為研究對(duì)象，有時(shí)以單個(gè)物體為研究對(duì)象。整體作為研究對(duì)象可以將不知道的相互作用力去掉，單個(gè)物體作研究對(duì)象主要解決相互作用力。單個(gè)物體的選取應(yīng)以它接觸的物體最少為最好。如m只和M接觸，而M和m還和斜面接觸。

　　另外需指出的是，在應(yīng)用牛頓第二定律解題時(shí)，有時(shí)需要分解力，有時(shí)需要分解加速度，具體情況分析，不要形成只分解力的認(rèn)識(shí)。

　　例6 如圖2-17物體A疊放在物體B上，B置于光滑水平面上。A，B質(zhì)量分別為mA=6kg，mB=2kg，A，B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2，開(kāi)始時(shí)F=10N，此后逐漸增加，在增大到45N的過(guò)程中，則

　　[ ]

　　A.當(dāng)拉力F<12N時(shí)，兩物體均保持靜止?fàn)顟B(tài)

　　B.兩物體開(kāi)始沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)拉力超過(guò)12N時(shí)，開(kāi)始相對(duì)滑動(dòng)

　　C.兩物體間從受力開(kāi)始就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)

　　D.兩物體間始終沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)

　　「錯(cuò)解」 因?yàn)殪o摩擦力的最大值近似等于滑動(dòng)摩擦力。fmax=μN(yùn)=0.2×6=12(N)。所以當(dāng)F>12N時(shí)，A物體就相對(duì)B物體運(yùn)動(dòng)。F<12N時(shí)，A相對(duì)B不運(yùn)動(dòng)。所以A，B選項(xiàng)正確。

　　「錯(cuò)解分析」 產(chǎn)生上述錯(cuò)誤的原因一致是對(duì)A選項(xiàng)的理解不正確，A中說(shuō)兩物體均保持靜止?fàn)顟B(tài)，是以地為參考物，顯然當(dāng)有力F作用在A物體上，A，B兩物體對(duì)地來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的。二是受物體在地面上運(yùn)動(dòng)情況的影響，而實(shí)際中物體在不固定物體上運(yùn)動(dòng)的情況是不同的。

　　「分析解答」 首先以A，B整體為研究對(duì)象。受力如圖2-18，在水平方向只受拉力F，根據(jù)牛頓第二定律列方程

　　F=(mA+mB)a ①

　　再以B為研究對(duì)象，如圖2-19，B水平方向受摩擦力

　　f=mBa ②

　　代入式①F=(6+2)×6=48N

　　由此可以看出當(dāng)F<48N時(shí)A，B間的摩擦力都達(dá)不到最大靜摩擦力，也就是說(shuō)，A，B間不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以D選項(xiàng)正確。

　　「評(píng)析」 物理解題中必須非常嚴(yán)密，一點(diǎn)的疏忽都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。避免錯(cuò)誤發(fā)生的最好方法就是按規(guī)范解題。每一步都要有依據(jù)。

　　例7 如圖2-20，用繩AC和 BC吊起一重物，繩與豎直方向夾角分別為30°和60°，AC繩能承受的最大的拉力為150N，而B(niǎo)C繩能承受的最大的拉力為100N，求物體最大重力不能超過(guò)多少?

　　「錯(cuò)解」以重物為研究對(duì)象，重物受力如圖2-21.由于重物靜止，則有

　　TACsin30°=TBCsin60°

　　TACcos30°+TBCcos60°=G

　　將TAC=150N，TBC=100N代入式解得G=200N.

　　「錯(cuò)解原因」以上錯(cuò)解的原因是學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為當(dāng)TAC=150N時(shí)，TBC=100N，而沒(méi)有認(rèn)真分析力之間的關(guān)系。實(shí)際當(dāng)TBC=100N時(shí)，TBC已經(jīng)超過(guò)150N.

　　「分析解答」以重物為研究對(duì)象。重物受力如圖2-21，重物靜止，加速度為零。據(jù)牛頓第二定律列方程

　　TACsin30°-TBCsin60°=0 ①

　　TACcos30°+TBCcos60°-G=0 ②

　　而當(dāng)TAC=150N時(shí)，TBC=86.6<100N

　　將TAC=150N，TBC=86.6N代入式②解得G=173.32N.

　　所以重物的最大重力不能超過(guò)173.2N.

　　例8 如圖2-22質(zhì)量為M，傾角為α的楔形物A放在水平地面上。質(zhì)量為m的B物體從楔形物的光滑斜面上由靜止釋放，在B物體加速下滑過(guò)程中，A物體保持靜止。地面受到的壓力多大?

　　「錯(cuò)解」以A，B整體為研究對(duì)象。受力如圖2-23，因?yàn)锳物體靜止，所以N=G=(M+m)g.

　　「錯(cuò)解原因」由于A，B的加速度不同，所以不能將二者視為同一物體。忽視了這一點(diǎn)就會(huì)造成錯(cuò)解。

　　「分析解答」分別以A，B物體為研究對(duì)象。A，B物體受力分別如圖2-24a，2-24b.根據(jù)牛頓第二定律列運(yùn)動(dòng)方程，A物體靜止，加速度為零。

　　x：Nlsinα-f=0 ①

　　y：N-Mg-Nlcosα=0 ②

　　B物體下滑的加速度為a，

　　x：mgsinα=ma ③

　　y：Nl-mgcosα=0 ④

　　由式①，②，③，④解得N=Mg+mgcosα

　　根據(jù)牛頓第三定律地面受到的壓力為Mg十mgcosα。

　　「評(píng)析」 在解決物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，在選取研究對(duì)象時(shí)，若要將幾個(gè)物體視為一個(gè)整體做為研究對(duì)象，應(yīng)該注意這幾個(gè)物體必須有相同的加速度。

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