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4.2 滑板滑块模型

牛顿运动定律应用:连接体与临界问题 · 高三
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 两个物体叠放,受外力作用发生相对滑动或临界滑动,需分别分析受力与运动的力学模型。

从哪来 建立在 2.1 受力分析 和 2.3 动力学问题 之上,并借鉴 3.1 传送带模型 中相对运动与摩擦力方向判断的经验。

为什么 核心在于“相对运动趋势”决定静摩擦力方向,而“相对运动”决定滑动摩擦力方向。 当两物体加速度不同时,必然发生相对滑动。此时,两者间的摩擦力为滑动摩擦力,大小恒定($f=\mu N$),方向与相对运动方向相反。 若假设两者相对静止,需验证所需的静摩擦力是否超过最大静摩擦力($f_{max} \approx \mu N$)。若超过,则假设不成立,必须按相对滑动处理。这是牛顿第二定律在多物体系统中的应用,关键在于隔离法与整体法的灵活切换。

“整体-隔离”两步法** **适合:逻辑性强、擅长代数运算的学生** 1. **先整体
若外力作用在其中一个物体上,先对整体列方程,求出共同加速度(假设相对静止)。 2. 再隔离:隔离受力较少的物体,求出两者间的静摩擦力 $f_{req}$。 3. 判临界:比较 $f_{req}$ 与 $f_{max} = \mu mg$。 - 若 $f_{req} \le f_{max}$,则相对静止,加速度相同。 - 若 $f_{req} > f_{max}$,则相对滑动,此时摩擦力取 $f_{max}$,分别对两物体列牛顿第二定律方程求各自加速度。 *优点:步骤清晰,不易漏力。*
“临界加速度”思维法** **适合:物理直觉好、喜欢快速判断的学生** 1. **找临界
假设两者刚要发生相对滑动,此时静摩擦力达到最大值 $f_{max} = \mu mg$。 2. 算临界加速度: - 对上面物体:$a_{top} = \frac{f_{max}}{m_{top}} = \mu g$。 - 对下面物体(若外力作用在下):$a_{bottom} = \frac{F - f_{max}}{m_{bottom}}$。 - 或者更通用的:找出限制相对滑动的“瓶颈”加速度 $a_{crit}$。 3. 比大小: - 若外力产生的整体加速度 $a_{sys} < a_{crit}$,则一起加速。 - 若 $a_{sys} > a_{crit}$,则发生相对滑动。 *优点:无需解复杂方程,直接通过比较加速度判断状态。*
“相对运动”图像法** **适合:空间想象力强、擅长数形结合的学生** 1. **画 $v-t$ 图
- 假设相对静止,画一条斜率为 $a$ 的直线。 - 假设相对滑动,画两条不同斜率的直线($a_1 \neq a_2$)。 2. 看交点: - 若两物体初速度不同,看速度何时相等。 - 若初速度相同,看加速度何时不同。 3. 算位移差: - 相对位移 $\Delta x = x_1 - x_2$ 对应 $v-t$ 图中两图线围成的面积。 - 若 $\Delta x$ 超过板长 $L$,则滑块滑出。 *优点:直观展示相对位移,特别适合解决“滑出”或“共速”问题。*
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练一道
基础题
质量 $m=1\text{kg}$ 的滑块放在质量 $M=3\text{kg}$ 的长板上,板长 $L=2\text{m}$,置于光滑水平面。滑块与板间动摩擦因数 $\mu=0.2$。现对滑块施加水平向右恒力 $F=4\text{N}$。求滑块滑离长板所需时间。($g=10\text{m/s}^2$)
变式
同上装置,但力 $F$ 作用在长板上。若 $F=10\text{N}$,求滑块滑离长板的时间。
试试手自己判
检测题
质量 $m=1\text{kg}$ 的滑块放在质量 $M=1\text{kg}$ 的长板上,板长 $L=1\text{m}$,置于光滑水平面。滑块与板间动摩擦因数 $\mu=0.5$。现对滑块施加水平向右恒力 $F=3\text{N}$。求滑块滑离长板时,滑块的速度。($g=10\text{m/s}^2$)
看答案和判分标准
答案:1. 判断状态: - $f_{max} = \mu mg = 0.5 \times 1 \times 10 = 5\text{N}$。 - 假设相对静止,整体 $a = \frac{F}{M+m} = \frac{3}{2} = 1.5\text{m/s}^2$。 - 隔离板,所需静摩擦力 $f = Ma = 1 \times 1.5 = 1.5\text{N}$。 - 因为 $1.5\text{N} < 5\text{N}$,所以两者相对静止,一起加速。 2. 求加速度: - $a = 1.5\text{m/s}^2$。 3. 求时间: - 相对位移为 0,滑块不会滑离长板! - 等等,题目问“滑离”,说明必然滑离?重新检查。 - 啊,题目是 $F=3\text{N}$,$m=1, M=1, \mu=0.5$。 - $f_{max} = 5\text{N}$。 - 整体 $a = 1.5$。 - 板需要 $f=1.5\text{N}$。 - $1.5 < 5$,确实相对静止。 - 这道题设计有问题,滑块不会滑离。 修正检测题: 质量 $m=1\text{kg}$ 的滑块放在质量 $M=1\text{kg}$ 的长板上,板长 $L=1\text{m}$,置于光滑水平面。滑块与板间动摩擦因数 $\mu=0.2$。现对滑块施加水平向右恒力 $F=3\text{N}$。求滑块滑离长板时,滑块的速度。($g=10\text{m/s}^2$) 新答案: 1. 判断状态: - $f_{max} = \mu mg = 0.2 \times 10 = 2\text{N}$。 - 假设相对静止,整体 $a = \frac{3}{2} = 1.5\text{m/s}^2$。 - 隔离板,所需静摩擦力 $f = Ma = 1 \times 1.5 = 1.5\text{N}$。 - $1.5\text{N} < 2\text{N}$,仍然相对静止! 再修正:必须让 $F$ 足够大。 设 $F=6\text{N}$。 - 整体 $a = 3\text{m/s}^2$。 - 板需 $f = 1 \times 3 = 3\text{N}$。 - $f_{max} = 2\text{N}$。 - $3 > 2$,相对滑动。 最终检测题: 质量 $m=1\text{kg}$ 的滑块放在质量 $M=1\text{kg}$ 的长板上,板长 $L=1\text{m}$,置于光滑水平面。滑块与板间动摩擦因数 $\mu=0.2$。现对滑块施加水平向右恒力 $F=6\text{N}$。求滑块滑离长板时,滑块的速度。($g=10\text{m/s}^2$)
判对标准:
- 正确判断出相对滑动(1分)。
- 正确计算 $a_1=4, a_2=2$(2分)。
- 正确利用相对位移求时间 $t=1\text{s}$(1分)。
- 正确计算末速度 $v=4\text{m/s}$(1分)。
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