利用力学知识解题的几种题型

2022-04-26蔡龚辉

数理化解题研究 2022年12期

蔡龚辉

(江苏省通州高级中学 226300)

1 运动与力相结合

例题1 将一煤块水平放置在一个与地面平行的浅色的长传送带上，可将煤块视为质点，已知该煤块和传送带之间的动摩擦因数用μ来表示.最开始的时候，煤块和传送带的速度都等于零.现在小明打开电源，让传送带以稳定不变的加速度a0开始运动，等传送带的速度到达v0时，便让传送带一直保持这个速度运动.经过一段时间以后，传送带被煤块留下了一端黑色的印记，并且煤块的速度和传送带保持相对静止.求这个黑色的印记的长度为多少.

分析由题意可知，因为传送带被煤块留下了一端黑色的印记，因此煤块和传送带之间一定发生了相对滑动，并且煤块的加速度a一定比传送带的加速度a0小.利用牛顿第二定律可知：a=μg①，假设经过的时间用t表示，那么传送带从速度等于零开始加速到速度等于v0，煤块的速度则是从零增大到v，那么就有：v0=a0t②、v=at③

因为已知a

从这时起，煤块的速度和传送带的速度保持一致，即等价于传送带不再滑动，因此也不会有新的印记产生.

那么传送带上被留下的黑色印记的长度就为：

l=s0-s⑦

评析这个题目属于典型的传送带问题，根据煤块的受力分析求运动情况，解决这类问题的突破口就在于：首先需要将研究的物体进行全面且正确的受力分析，并且要特别注意分析题目中出现的弹力和摩擦力等被动力.例题1中煤块受到的摩擦力随着煤块与传送带的相对运动状态的变化而变化，即相对运动状态到静止状态、从滑动摩擦力不等于零到等于零.其次就是将物体间相对运动和对地面的运用之间的关系进行准确的分析.例如这个题目中传送带和煤块的对地面的位移的差就等价于它们两者之间的相对位移.再者就是要学会充分发掘题目中隐藏的条件，例如本题中“煤块的速度和传送带保持相对静止”等对解题具有帮助的物理条件.

2 力学与能量相结合

图1 图2

(1)小铁块被水平扔出时的初速度v0；

(2)在细绳被拉直的一瞬间，固定点O受到的冲量I的大小；

(3)当小铁块处于竖直方向的最低处时，细绳受到的拉力T的大小.

分析(1)分析题意可得，已知小铁块在细绳被拉直以前都做的是平抛运动，那么设做平抛运动的时间为t，那么就有：

在水平方向上：lsin60°=v0t

①

在竖直方向上：

②

根据①、②式联立，解之得：

v和竖直方向有一夹角设为Ø,即

因为小铁块被细绳拉直，那么在那一瞬间，细绳对小铁块的拉力做的是负功，动能逐渐减少到0为止.所以小铁块在被细绳拉直的时候开始向下摆动的时刻，因为这个瞬间在沿着圆弧切线方向上没有分量，因此它的动量等于0，从这时起小铁块向下摆动，遵循机械能守恒.

根据机械能守恒定律可得：

v′2=2gl(1-cos60°)=gl

评析例题2是将平抛运动、运动的合成、冲量和机械能守恒定律及其应用相结合起来考查的一道题.这个题目主要有两个难点：第一个是求细绳的冲量；第二个是求小铁块刚开始下摆时的初动能.值得注意的是，这个题目有一个特点，就是当细绳在刚被拉直的一瞬间，小铁块的速度的方向，即在平抛运动的最后一刻的速度方向刚好和细绳在同一条直线上.所以当小铁块的速度在细绳被拉直以后会等于零，此时细绳对小铁块做的是负功.由于在被拉直的一瞬间小铁块在竖直方向上是没有速度分量的，因此在这以后小铁块做圆弧运动的初动能大小等于0.当细绳被小铁块拉直的一瞬间，小铁块的机械能会减少，细绳对小铁块做的是负功，这一点是很多学生暂时不能弄明白的困难之处，但也恰恰是解答第(3)小题的突破口.

图3

3 力学与电学相结合

例题3 如图4所示，在一个平面xoy中存在着两根距离为d的平行金属导轨，在这两根金属导轨中一端接有阻值为R的电阻，在一侧存在着一个非均匀、竖直方向的磁场，此时x>0，其中磁场的强度B会随着x的增大而增大，并且B=kx，k是一个常量.将一根金属直杆与金属导轨进行垂直放置，这样就能够使得金属直杆能够在导轨上进行滑动.当t=0时是位于x=0的地方，此时的速度为v0，方向沿着X轴的正方向.在运动的过程中，有一个外力F能够对其进行调节，使得金属杆的速度恒定，大小为a，方向是沿着负x轴的方向.假设除了电阻R以外，其他的电阻都忽略不计，请问：