牛顿第二定律的瞬时性问题

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  摘 要:近几年高考考察了牛顿定律的力和加速度的瞬时关系,并且比重在不断增加。而这一问题恰好又是我们学生的难点。牛顿第二定律其中一个性质就是瞬时性,每一时刻的加速度只取决于这一时刻的合外力,而与这一时刻之前或之后的力无关。物体的加速度和它所受的合外力总是同时产生、同时变化的。
  关键词:牛顿第二定律 瞬时性 加速度 合外力 匀加速运动
  近几年高考考察了牛顿定律的力和加速度的瞬时关系,并且比重在不断增加。而这一问题恰好又是我们学生的难点。如何帮助学生来解决这一问题?本文从以下几个方面进行了阐述:
  一、弄清几个基本概念
  1.牛顿第二定律基本内容
  (1)内容:
  物体加速度的大小跟作用力成正比,跟物体的质量成反比。加速度的方向与作用力方向相同。
  (2)牛顿第二定律的“五性”:
  ①矢量性;②瞬时性;③因果性;④同一性;⑤独立性。其中牛顿第二定律的瞬时作用:牛顿第二定律揭示的加速度a与合外力F的正比关系是“瞬时”的依存关系。有力就有加速度,任一时刻的合外力对应着该时刻的瞬时加速度。力改变,加速度亦同时改变。
  2.几种常见的模型
  (1)物理中的“绳”和“线”、“轻杆”及“弹簧”和“橡皮绳”的特性:
  ①中学物理中的“绳”和“线”一般都是理想化模型,具有如下几个特性:a.轻,即绳(或线)的质量和重力均可视为零,同一根绳(或线)的两端及其中间各点的张力大小相等。b.软,即绳(或线)只能受拉力,不能承受压力(因绳能弯曲),由绳及其物体相互间作用力的方向是沿着繩且背离受力物体的方向。c.不可伸长,即无论绳所受拉力多大,绳子的长度不变,绳子中的张力可以突变。
  ②中学物理中的“轻杆”也是理想化模型,轻杆的质量可忽略不计,轻杆是硬的,能产生侧向力,它的劲度系数非常大,以致于认为受力形变极微,看作不可伸长或压缩。具有如下几个特性:a.轻杆各处受力相等,其力的方向不一定沿着杆的方向;b.轻杆不能伸长或压缩。c.轻杆受到的弹力的形式有拉力、压力或侧向力。
  ③中学物理中的“弹簧”和“橡皮绳”也是理想化模型,具有如下几个特性:a.轻,即弹簧(或橡皮绳)的质量和重力均可视为零。由此特点可知,同一弹簧两端及其中各点的弹力大小相等。b.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)。c.由于弹簧和橡皮绳受力时形变较大,发生形变需要一段时间,所以弹簧和橡皮绳中的弹力不会突变,但是,当弹簧或橡皮绳被剪断时,它们受的弹力立即消失。
  (2)我们用一个表格来加以对比:
  从以上可以看出这类问题只有两种模型,即:①“轻绳,轻线”和“轻杆”模型;②“轻弹簧”和“轻橡皮绳”模型。
  二、解决问题的关键
  1.先分析物体的受力情况及运动状态,其中物体的受力分析要先分析物体受力改变前,再分析物体受力改变后。
  2.由牛顿第二定律求出瞬时加速度。
  三、例题分析
  例1.(改编12年全国卷)如图所示,物块1、2间用刚性轻质杆连接,物块3、4间用轻质弹簧相连,物块1、3质量为m,2、4质量为M,两个系统均置于水平放置的光滑木板上,并处于静止状态。现将两木板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,物块1、2、3、4的加速度大小分别为a1、a2、a3、a4,重力加速度大小为g,则有( )。
  A.a1=a2=a3=a4=0
  B.a1=a2=a3=a4=g
  C.a1=a2=g,a3=0,a4= g
  D.a1=g,a2= g,a3=0,a4= g
  总之,力和加速度的瞬时对应性是高考的重点。物体的受力情况应符合物体的运动状态,当外界因素发生变化(如撤力、变力、断绳等)时,需重新进行运动分析和受力分析,切忌想当然!
  参考文献
  [1]中学数理化。
  [2]《物理教科书必修一》.教育科学出版社。
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