课外拓展



对瞬时性的再认识

  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。

例、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θ1和θ2,则烧断细绳的瞬间,小球的加速度a1=________,若弹簧在C处与小球脱开,则脱开瞬间小球的加速度a2=________。

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

  解得

  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F1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。

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