淺析運動分析和受力分析在高中物理解題過程中的應用

1、淺析運動分析和受力分析在高中物理解題過程中的應用【摘 要】運動分析和受力分析在高中物理學習的過程中非常關(guān)鍵。在解答高中物理的各個模塊的題目時，往往都需要借助運動分析和受力分析。有時候在面對一道題目毫無頭緒時，通過對物理過程進行運動分析和受力分析，問題就可以迎刃而解。所以說，運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】 運動分析 受力分析 高中物理主干知識包括：力學中的直線與曲線運動、力、牛頓運動定律、機械能、動量等；電學中的電場、恒定電流、磁場、電磁感應等。顯然能熟練掌握這些物理主干知識，高中物理的學習就完成已經(jīng)了大部分。在學習這些主干知識時，如果能緊扣運動分析和受力分析，對這些

2、主干知識的掌握就能夠起到事半功倍的效果。物理學是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運動規(guī)律的自然科學。而運動規(guī)律和物質(zhì)相互作用可以在運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行運動分析和受力分析，然后結(jié)合物理情景應用物理公式、定理、定律，就能夠很好地解答物理題目。下面分成如下幾點，通過具體題目來更進一步認識運動分析和受力分析。一、 運動分析的單獨應用要對物體運動分析，關(guān)鍵必須掌握好兩個要點：狀態(tài)和過程。因為在運動學的運動規(guī)律和運動公式里面，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，符合了什么樣的運動規(guī)律和運動公式，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，此時汽車距離停車線18m。該車加速時最大加速度大小為，減速時最大加速度大小為。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動參量有：初速度V0、運動時間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動：勻加速直線運動、勻

4、速直線運動、勻減直線速運動。（勻速直線運動根據(jù)選項可先排除）（3）應用勻變速直線運動的公式，汽車如果立即做勻加速直線運動，t1=2s內(nèi)的位移=20m18m，此時汽車的速度為12m/smgcos，故tan，故AB錯誤；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項錯誤。小結(jié)：對物體受力分析需要準確抓住狀態(tài)，因為狀態(tài)變化受力可能也不同。三、運動分析和受力分析的綜合應用整個高中物理的主干知識，幾乎可以用運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） 運動分析和受力分析在曲線運動的應用物體做曲線運動的條件是：物體所受合力的方向與運動方向不在同一直線上。從物體做曲線運動的條件就可以看出了力和運動的關(guān)系。例（09年廣東物理）如圖所示，一個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。求當筒不轉(zhuǎn)動時，物塊靜止在筒壁A點受到的摩擦力和支持力的

6、大??；當物塊在A點隨筒做勻速轉(zhuǎn)動，且其受到的摩擦力為零時，筒轉(zhuǎn)動的角速度。（題目略有改動）解析當筒不轉(zhuǎn)動時，物塊靜止在筒壁A點時受到的重力、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 支持力的大小當物塊在A點隨筒做勻速轉(zhuǎn)動，且其所受到的摩擦力為零時，物塊在筒壁A點時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)：各種特殊曲線運動都要滿足一定的受力條件。（二） 運動分析和受力分析在牛頓運動定律中的應用牛頓運動定律闡述的是物體運動和受力的關(guān)系，所以牛頓運動定律是整個經(jīng)典物理學的基石。例（09年江蘇卷）航模興趣小組設(shè)計出一架遙控飛

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，飛行器從地面由靜止開始豎直上升。設(shè)飛行器飛行時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 時到達高度H = 64 m。求飛行器所阻力f的大小； （2）第二次試飛，飛行器飛行t2 = 6 s 時遙控器出現(xiàn)故障，飛行器立即失去升力。求飛行器能達到的最大高度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升力的最長時間t3 。解析：（1）第一次飛行中，設(shè)加速度為勻加速運動由牛頓第二定律解得（2）第二次飛行中，設(shè)失去升力時的速度為，上升的高度為勻加速運動設(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；恢復升力后加速度為，恢復升力時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)：應用牛頓運動定律解題，運動分析和受力分析成了唯一線索。（三） 運動分析和受力分析在機械能、動量中的應用機械能和動量解題需要將整個經(jīng)典力學的知識綜合運用起來，題目往往比較復雜。但是如果能夠把握好運動分析和受力分析這兩大主線，可以將復雜問題簡單化。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)，與運動和力也有密切關(guān)系。（四） 運動分析和受力分析在電場中的應用在高中階段對于電、磁的學習，主要也是從運動和力方面來學習的，只不過是再增加幾種性質(zhì)的力而已。例（09年全國卷）圖中虛線為勻強電場中與場強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點以相同速率射出，兩粒子在電場中運動的軌跡分別如圖中兩條實線所示。點a、b、c為實線與虛線的交點，已知O點電勢高于c 點。若不計重力，則A. M帶負電荷，N帶正電荷B. N在a點的速度與M在c點的速度大小相同C. N在從O點運動至a點

11、的過程中克服電場力做功D. M在從O點運動至b點的過程中，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動.圖中的虛線為等勢線,所以M點從O點到b點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,電荷的正負不清楚但為異種電荷.A錯.o到a的電勢差等于o到c的兩點的電勢差,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兩點的速度大小相同,但方向不同,B對。（五）運動分析和受力分析在磁場中的應用例（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，進入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交

12、的勻強磁場和勻強電場的強度分別為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下方有強度為B0的勻強磁場。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，帶電粒子進入磁場做勻速圓周運動則有，可見當v相同時，

13、所以可以用來區(qū)分同位素，且R越大，比荷就越大，D錯誤。（六）運動分析和受力分析在電磁感應中的應用例（09年上海物理）如圖，光滑的平行金屬導軌水平放置，電阻不計，導軌間距為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置于導軌上，與導軌垂直且接觸良好，受到F0.5v0.4（N）（v為金屬棒運動速度）的水平力作用，從磁場的左邊界由靜止開始運動，測得電阻兩端電壓隨時間均勻增大。（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動；（2）求磁感應強度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，且棒在運動到ef處時恰好靜止，則外力F作用的時間為多少？（4）若在棒未出磁場區(qū)域時撤去外力，畫出棒在整個運動過程中速度隨位移的變化所對應的各種可能的圖線。解析：（1）金屬棒做勻加速運動，R兩端電壓UIev，U隨時間均勻增大，即v隨時間均勻增大，加速度為恒量；（2）Fma，以F0.5v0.4代