用质点系的牛顿第二定律分析作用力

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  若研究对象是质点系,牛顿第二定律的形式可以表述为:在任意的x方向上,设质点系受到的合外力为F,质点系中的n个物体的质量分别为m1 、m2…mn,x方向上的加速度分别有ɑ1、ɑ2、…ɑn,则Fx=m1ɑ1+m2ɑ2+…+mnɑn,上式在任意方向上的质点系的牛顿第二定律公式。
  讨论一:质量为m的物块恰好沿斜面匀速下滑,斜面体M静止不动,分析地面对斜面体的支持力和摩擦力。
  分析:对由M和m组成的整体进行受力分析,并建立如图1所示的直角坐标系。由于物块m做匀速运动,在x方向和y方向上的加速度分别为0,由质点系的牛顿第二定律列方程得Fx=0,Fy=(M+m)g-FN=0。
  图1
  因此地面对斜面体的支持力为(M+m)g,摩擦力为0。
  变式:物块沿斜面向下运动,现给物块施加沿斜面向下的恒力F1,分析地面对斜面的摩擦力Ff和支持力FN。
  解析:当m在斜面上匀速下滑时有mgsinθ=μmgcosθ,解得μ=tanθ;
  当物块在F1的作用下滑动时,设加速度为a,斜面对物块的支持力为FN,应用牛顿第二定律得
  图2
  F1+mgsinθ-μmgcos θ=μma=tanθ,解得F1=ma。
  把M和m组成的整体看成研究对象,进行受力分析并建立如图2所示的直角坐标系,将加速度a分解在x方向和y方向,得
  ax=acosθ,ay=asinθ。斜面体M不动,加速度为零。由质点系的牛顿第二定律得(m+M)g-FN-F1cosθ=may。
  假设地面对斜面的摩擦力向右,则F1sinθ+Ff=max。
  解得Ff=0,FN=(m+M)g。
  讨论二:滑块在作用水平向右的力F4作用下沿着斜面向上运动,分析地面对斜面的摩擦力Ff和支持力FN。
  分析:設加速度为a,斜面对物块的支持力为N,滑块与斜面之间的摩擦力f,应用牛顿第二定律得F4cosθ-mgsinθ-μN=ma,
  N-mgcosθ-F4sinθ=0,μ=tanθ,
  图3
  解得ma=F4cosθ-2mgsinθ-F4tanθsinθ。
  把M和m组成的整体看成研究对象,进行受力分析并建立如图3所示的直角坐标系,将加速度a分解在x方向和y方向,得ax=acosθ,ay=asinθ。由质点系的牛顿第二定律得
  FN-(m+M)g=may,F4-Ff=max。
  解得Ff=F4-(F4cos2θ-2mgsinθcosθ-F4sin2θ),
  若Ff>0方向向右,若Ff<0方向向左。
  FN=(m+M)g+F4sinθcosθ-F4sin2θtanθ-2mgsin2θ。
  讨论三:质量为m的滑块沿斜面匀加速下滑,分析地面对斜面体的摩擦力Ff和支持力FN。
  分析:设加速度为a,斜面对物块的支持力为N,应用牛顿第二定律得
  mgsinθ-μmgcosθ=ma。把M和m组成的整体看成研究对象,进行受力分析并建立如图4
  图4
  所示的直角坐标系,将加速度a分解在x方向和y方向,得ax=acosθ,ay=asinθ。
  由质点系的牛顿第二定律得(m+M)g-FN=may,
  Ff=max,解得Ff=(mgsinθ-μmgcosθ)cosθ,FN=(m+M)g+(mgsinθ-μmgcosθ)sinθ。
  作者单位:甘肃陇西县第一中学
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