由牛顿第二定律可知,加速度是由合外力决定的,即有什么样的合外力,就有什么样的加速度与之相对应。当合外力变化时,加速度也随之变化,某一时刻的瞬时加速度是由那一时刻物体所受合外力决定的,因此确定瞬时加速度的关键是正确确定瞬时作用力。
牛顿第二定律的瞬时性
所谓瞬时性,就是物体的加速度a与其所受的合外力F有瞬时对应的关系,每一瞬时的加速度只取决于这一瞬时的合外力。也就是物体一旦受到不为零的合外力的作用,物体立即产生加速度;当合外力的方向、大小改变时,物体的加速度方向、大小也立即发生相应的改变;当物体的合外力为零时,物体的加速度也立即为零。由此可知,力和加速度之间是瞬时对应的。
瞬时加速度的求解
分析物体在在某一时刻的瞬时加速度,关键是分析瞬时前后的受力情况及运动状态,再由牛顿第二定律求出瞬时加速度。
常见情景
项目 |
情景1 |
情景2 |
情景3 |
情景4 |
情景5 |
图示 |
|
|
|
|
|
说明 |
几个物体叠放在一起并处于平衡状态,突然抽出下方木板的瞬间 |
在推力F作用下,A、B共同以加速度a做匀加速直线运动,突然撤去推力F的瞬间 |
两小球A、B用轻弹簧连接,通过细线悬挂于天花板处于静止状态,剪断细线的瞬间 |
用手提一轻弹簧,弹簧下端挂一个金属球,在将整个装置匀加速上提的过程中,手突然停止不动的瞬间 |
小球用水平弹簧系住,并用倾角为θ的光滑板AB托着,当板AB突然向下撤离的瞬间 |
一、把握两种模型
1、轻绳、轻杆和接触面
不发生明显形变就能产生弹力,剪断或脱离后,不需要时间恢复形变,弹力立即消失或改变。
2、弹簧、蹦床和橡皮筋
当弹簧的两端与物体相连时,由于物体有惯性,弹簧的长度不会发生突变,所以在瞬时问题中,其弹力大小认为是不变的。
二、求瞬时加速度的一般思路
(1)分析原状态(给定状态)下物体的受力情况,求出各力大小(若物体处于平衡状态,则利用平衡条件;若处于加速状态则利用牛顿运动定律);(2)分析当状态变化时(如:烧断细线、剪断弹簧、抽出木板、撤去某个力等),哪些力变化,哪些力不变,哪些力消失(如:被剪断的绳、弹簧中的弹力,发生在被撤去物接触面上的弹力都立即消失);(3)求物体在状态变化后所受的合外力,利用牛顿第二定律,求出瞬时加速度。解题时应注意两种基本模型的建立:
例题:(多选)如图所示,竖直光滑杆上套有一个小球和两根轻质弹簧,两弹簧的一端各与小球相连,另一端分别用销钉M、N固定于杆上,小球处于静止状态.若拔去销钉M的瞬间,小球的加速度大小为12 m/s2,若不拔去销钉M而拔去销钉N的瞬间,小球的加速度可能为(g取10 m/s2)( )
归纳总结:求解此类问题的关键是要知道加速度与力的变化具有瞬时对应关系,因此必须认真分析变化前后物体的受力情况,特别是注意区别牛顿第二定律瞬时性的两种模型:
1.刚性绳(或接触面)——不发生明显形变就能产生弹力的物体,剪断(或脱离)后,其弹力立即消失,不需要形变恢复时间;
2.弹簧(或橡皮绳)——两端同时连接(或附着)有物体的弹簧(或橡皮绳),特点是形变量大,其形变恢复需要较长时间,在瞬时性问题中,其弹力的大小往往可以看成保持不变。
经典例题
解析
1答案
2答案
方法归纳
1.其他力改变时,弹簧的弹力不能在瞬间发生突变
2.其他力改变时,细绳上的弹力可以在瞬间发生突变
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,物块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a1、a2、a3、a4。重力加速度大小为g,则有( )