高中物理中力學(xué)三大觀點(diǎn)的綜合應(yīng)用

樓 倩

(蘭州市第七中學(xué),甘肅 蘭州 730000)

高中物理中力學(xué)三大觀點(diǎn),即動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)、能量觀點(diǎn)和動(dòng)量觀點(diǎn).是高考中必考的考點(diǎn),具有綜合性強(qiáng)、難度大的特征,常常作為考試的壓軸題出現(xiàn).本文對(duì)該部分知識(shí)進(jìn)行了分析,以便加強(qiáng)學(xué)生對(duì)三大觀點(diǎn)的理解和應(yīng)用.

1 力學(xué)三大觀點(diǎn)概述

高中物理中的力學(xué)三大觀點(diǎn),包括動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)、能量觀點(diǎn)和動(dòng)量觀點(diǎn)[1].其中動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)是結(jié)合牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,求解物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、加速度、位移等物理量,涉及運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié),可以用來(lái)處理勻變速運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題;能量觀點(diǎn)是結(jié)合動(dòng)能定理、功能關(guān)系、機(jī)械守恒定律和能量守恒定律,解決功和能之間的關(guān)系,涉及做功和能量轉(zhuǎn)換,既能解決勻變速運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題,也能處理非勻變速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題;動(dòng)量觀點(diǎn)是涉及動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律,解決過(guò)程只涉及物體的初末速度、力、時(shí)間或者只與初末速度有關(guān),和能量觀點(diǎn)一樣,動(dòng)量觀點(diǎn)適用范圍既包括勻變速運(yùn)動(dòng),也包括非勻變速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.

2 三大觀點(diǎn)的選用原則

力學(xué)的三大觀點(diǎn),針對(duì)的是不同的物理情境,解決的是不同的問(wèn)題.如若誤用,就會(huì)降低解題效率,甚至求出錯(cuò)誤答案或者求解過(guò)程陷入僵局.因此,需要對(duì)三大觀點(diǎn)的選用原則有一定的了解.

(1)當(dāng)物理情境為碰撞、爆炸、反沖等問(wèn)題,若只涉及初、末速度而不涉及力、時(shí)間, 且研究對(duì)象為一個(gè)系統(tǒng),優(yōu)先選用動(dòng)量守恒定律,并聯(lián)立能量守恒定律進(jìn)行求解,需注意所研究的問(wèn)題是否滿(mǎn)足守恒的條件.

(2)當(dāng)涉及運(yùn)動(dòng)的具體細(xì)節(jié)時(shí),考慮動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行解題,能量和動(dòng)量觀點(diǎn)均只關(guān)注初末狀態(tài),不考慮運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié).

(3)當(dāng)問(wèn)題涉及相對(duì)位移時(shí),可優(yōu)先考慮能量守恒定律.此時(shí)系統(tǒng)克服摩擦力所做的功和系統(tǒng)機(jī)械能的減少量相等,即轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)能.這種解法可以避免對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,簡(jiǎn)化解題步驟.

(4)若在求解問(wèn)題時(shí),需要求出各個(gè)物理量在某時(shí)刻的大小,則可以?xún)?yōu)先運(yùn)用牛頓第二定律.

(5)若研究對(duì)象為單一物體,且涉及功和位移問(wèn)題時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮動(dòng)能定理.

3 熱點(diǎn)題型分析

3.1 應(yīng)用三大動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解決碰撞、爆炸模型

例1 如圖1所示,水平地面上放置有P、Q兩個(gè)物塊,兩者相距L=0.48 m,P物塊的質(zhì)量為1 kg,Q物塊的質(zhì)量為4 kg,P物塊的左側(cè)和一個(gè)固定的彈性擋板接觸.已知P物塊與水平地面間無(wú)摩擦,且其和彈性擋板碰撞時(shí)無(wú)能量損失,Q物塊與水平地面有摩擦且動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1,重力加速度取10 m/s2.某一時(shí)刻,P以4 m/s的初速度朝著物塊Q運(yùn)動(dòng)并和其發(fā)生彈性碰撞,回答以下問(wèn)題:

圖1 例1題圖

(1)P物塊與Q物塊第一次碰撞后,兩者瞬間速度大小各為多少?

(2)P物塊與Q物塊第二次碰撞后,物塊Q的瞬間速度大小為多少?

假設(shè)第二次碰撞前Q已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng),有v2=at2,解得t2=1.6 s.所以第二次碰撞前Q沒(méi)有停止運(yùn)動(dòng).設(shè)第二次碰撞前的瞬間,P的速度為vP,Q的速度為vQ.碰撞后瞬間,P的速度為vP′,Q的速度為vQ′,則:vQ=v2-at1

m1vP+m2vQ=m1vP′+m2vQ′

vP=-v1

例2有一組機(jī)械組件,由螺桿A和螺母B組成,因?yàn)樯P難以分開(kāi),圖2為裝置剖面示意圖.某同學(xué)將該組件垂直放置于水平面上,在螺桿A頂端的T形螺帽與螺母B之間的空隙處裝入適量火藥并點(diǎn)燃,利用火藥將其“炸開(kāi)”.已知螺桿A的質(zhì)量為0.5 kg,螺母的質(zhì)量為0.3 kg,火藥爆炸時(shí)所轉(zhuǎn)化的機(jī)械能E=6 J,B與A的豎直直桿間滑動(dòng)摩擦力大小恒為f=15 N,忽略空氣阻力,重力加速度g=10 m/s2.

圖2 例2題圖

(1)求火藥爆炸瞬間螺桿A和螺母B各自的速度大小;

(2)忽略空隙及螺母B的厚度影響,要使A與B能順利分開(kāi),求螺桿A的豎直直桿的最大長(zhǎng)度L.

解析(1)設(shè)火藥爆炸瞬間螺桿A的速度大小為v1,螺母B的速度大小分別為v2,以豎直向下為正方向,根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律,有

0=m1v1+m2v2

3.2應(yīng)用三大動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)解決多過(guò)程問(wèn)題

例3 豎直面內(nèi)一傾斜軌道與一足夠長(zhǎng)的水平軌道通過(guò)一小段光滑圓弧平滑連接,小物塊B靜止于水平軌道的最左端,如圖3(a)所示.t=0時(shí)刻,小物塊A在傾斜軌道上從靜止開(kāi)始下滑,一段時(shí)間后與B發(fā)生彈性碰撞(碰撞時(shí)間極短);當(dāng)A返回到傾斜軌道上的P點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)時(shí),速度減為0,此時(shí)對(duì)其施加一外力,使其在傾斜軌道上保持靜止.物塊A運(yùn)動(dòng)的v-t圖像如圖3(b)所示,圖中的v1和t1均為未知量.已知A的質(zhì)量為m,初始時(shí)A與B的高度差為H,重力加速度大小為g,不計(jì)空氣阻力.

(a) (b)圖3 示意圖

(1)物塊B的質(zhì)量為多少?

(2)物體A在圖3(b)所描述的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,克服摩擦力做了多少功?

(3)已知A物塊和B物塊和軌道間的摩擦因數(shù)是相等的.當(dāng)物塊B停止運(yùn)動(dòng)后,將物塊和軌道間的摩擦因數(shù)改變,然后從P點(diǎn)釋放物塊A,其運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后,剛好能和物塊B正好碰上.求改變前后摩擦因數(shù)的比值.

解得mB=3 m.

在整個(gè)過(guò)程中,物體克服摩擦力做功的大小為W=fs1+fs2

設(shè)改變后的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ′,依據(jù)動(dòng)能定理有

4 結(jié)束語(yǔ)

總之,當(dāng)運(yùn)用力學(xué)三大觀點(diǎn)進(jìn)行解題時(shí),關(guān)鍵在于明確研究對(duì)象和其所經(jīng)歷的物理過(guò)程,并能夠根據(jù)問(wèn)題,應(yīng)用合適的觀點(diǎn)進(jìn)行求解.該類(lèi)題對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)要求較高,教學(xué)過(guò)程切不可機(jī)械化、模板化,教師要引導(dǎo)學(xué)生多思考、多總結(jié),達(dá)到“講一題會(huì)一類(lèi)”的教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生的解題思維.