有外力作用下的疊加體問題的解題技巧探討

◇ 河北 常會榮

“板塊”模型中的疊加體問題是高考命題的熱點(diǎn).在全國高考和地方高考試題中屢次呈現(xiàn),壓軸題的情況居多.其中有外力作用下的疊加體問題對學(xué)生的科學(xué)思維要求較高,選取誰為研究對象,如何建立模型,從哪個(gè)方面入手解決問題都是需要重點(diǎn)考慮的.尤其是臨界狀態(tài)的判斷,學(xué)生很難進(jìn)行正確的分析.這類題目對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維,如模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度都有很大幫助,對培養(yǎng)和提升學(xué)生的核心素養(yǎng)具有積極作用.

下面就對外力作用下的疊加體問題進(jìn)行分析.

模型1 水平面光滑的情況

如圖1所示,物體A的質(zhì)量為m1,物體B的質(zhì)量為m2,二者間的動摩擦因數(shù)為μ1.

1)外力作用于物體A

圖1

分析外力F較小時(shí),二者一起做勻加速運(yùn)動,B的加速度由A對B的摩擦力提供.以整體為研究對象,加速度隨著外力的不斷增大,加速度增大.對B有Ff＝m2a,二者間摩擦力不斷增大,當(dāng)Ff達(dá)到最大μ1m2g時(shí),二者恰分離,達(dá)到臨界狀態(tài).

先選不受已知外力F的物體B為研究對象,設(shè)臨界加速度為a0,則a0＝μ1g.對整體進(jìn)行受力分析,臨界外力F0＝(m1＋m2)a0＝μ1(m1＋m2)g.

當(dāng)F＞μ1(m1＋m2)g時(shí),二者相對滑動.

當(dāng)F≤μ1(m1＋m2)g時(shí),二者一起加速.

2)外力作用于物體B

圖2

分析外力F較小時(shí),二者一起做勻加速運(yùn)動,A的加速度由B對A的摩擦力提供.以整體為研究對象,加速度隨外力的不斷增大,加速度增大.對A有Ff＝m1a,二者間摩擦力不斷增大,當(dāng)Ff達(dá)到最大μ1m2g時(shí),二者恰分離,達(dá)到臨界狀態(tài).先選不受已知外力F的物體A為研究對象,設(shè)臨界加速度為a0,則.對整體進(jìn)行受力分析,臨界外力

例1如圖3所示,質(zhì)量為M＝1 kg、長為L＝0.5 m的木板A上放置一質(zhì)量為m＝0.5 kg的物體B,A平放在光滑桌面上,B位于A中點(diǎn)處,B與A之間的動摩擦因數(shù)為μ＝0.1,B與A間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力(B可看作質(zhì)點(diǎn),重力加速度g取10 m·s－2).

圖3

(1)要用多大力拉A,才能將A從B下方抽出?

(2)當(dāng)拉力為3.5 N時(shí),經(jīng)過多長時(shí)間A能從B下方抽出?

解題技巧先分析不受已知外力F的物體B,令其所受摩擦力達(dá)最大,求恰好相對滑動時(shí)的臨界加速度a,再整體分析受力求臨界外力F即可.

解析

(1)當(dāng)拉力較小時(shí),A和B相對靜止一起向右做加速運(yùn)動,此時(shí)A、B之間是靜摩擦力,對整體有F＝(M＋m)a,隔離B有Ff＝ma.

當(dāng)靜摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力時(shí),是二者將發(fā)生相對滑動的臨界狀態(tài),此時(shí)Ff＝μmg.

聯(lián)立解得F＝1.5 N,則要用大于1.5 N的力拉A,才能使A從B下方抽出.

(2)當(dāng)拉力為3.5 N時(shí),對A由牛頓第二定律有F′－μmg＝Ma A,得a A＝3 m·s－2,而B的加速度為a B＝μg＝1 m·s－2.

設(shè)經(jīng)過時(shí)間t,A從B下方抽出,則有聯(lián)立解得t＝0.5 s.

解題技巧小結(jié)先分析不受已知外力F的物體的動力學(xué)情況,令其所受摩擦力達(dá)最大,求恰好相對滑動時(shí)的臨界加速度a0,再整體分析受力,求臨界外力F0,當(dāng)F＞F0時(shí),二者相對滑動;當(dāng)F≤F0時(shí),二者一起加速.

模型2 水平面粗糙的情況

如圖4所示,物體A的質(zhì)量為m1,物體B的質(zhì)量為m2,二者間的動摩擦因數(shù)為μ1,板與水平面間的動摩擦因數(shù)為μ2.

圖4

1)外力作用于物體A

分析外力F較小時(shí),二者均不運(yùn)動,當(dāng)板與水平面間摩擦力達(dá)到最大,即Ff地max＝μ2(m1＋m2)g時(shí),二者恰要相對地面運(yùn)動.

當(dāng)F＞μ2(m1＋m2)g時(shí),二者相對地面滑動,二者加速相同時(shí)的加速度為

對B有Ff＝m2a,二者間摩擦力不斷增大,當(dāng)Ff達(dá)最大μ1mg時(shí),二者恰好分離,此時(shí)為臨界狀態(tài).先分析不受外力F的物體B的動力學(xué)情況.設(shè)臨界加速度為a0,則a0＝μ1g.此時(shí)分析整體,由牛頓第二定律得F0－μ2(m1＋m2)g＝(m1＋m2)a0,解得

當(dāng)F＞(μ1＋μ2)(m1＋m2)g時(shí),二者相對滑動.

當(dāng)F≤μ2(m1＋m2)g時(shí),二者均靜止.

當(dāng)μ2(m1＋m2)g＜F≤(μ1＋μ2)(m1＋m2)g時(shí),二者加速度相同.

2)外力作用于物體B

分析(此處只分析A、B間最大靜摩擦力大于A與地面間最大靜摩擦力的情況)外力F較小時(shí),二者均不運(yùn)動,當(dāng)板與水平面間摩擦力達(dá)到最大時(shí),即Ff地＝μ2(m1＋m2)g時(shí),二者恰要相對地面運(yùn)動.

圖5

當(dāng)F＞μ2(m1＋m2)g時(shí),二者相對地面滑動,二者加速相同時(shí)的加速度為

對A有F′f－Ff地＝m1a,二者間的摩擦力F′f不斷增大,當(dāng)F′f達(dá)到最大μ1m2g時(shí),二者恰好分離,此時(shí)為臨界狀態(tài).先分析不受已知外力F的物體A的動力學(xué)情況,設(shè)臨界加速度為a0,則

當(dāng)F＞F0時(shí),二者相對滑動.

當(dāng)F≤μ2(m1＋m2)g時(shí),二者均靜止.

當(dāng)μ2(m1＋m2)g＜F≤F0時(shí),二者加速度相同.

例2如圖6所示,A、B兩物塊的質(zhì)量分別為2m和m,靜止疊放在水平地面上.A、B間的動摩擦因數(shù)為μ,B與地面間的動摩擦因數(shù)為最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,重力加速度為g.現(xiàn)對A施加一水平拉力F,則( ).

圖6

解析

A、B間的最大靜摩擦力為2μmg,B和地面之間的最大靜摩擦力為.對A、B整體,只要整體就會運(yùn)動,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;當(dāng)A對B的摩擦力為最大靜摩擦力時(shí),A、B將要發(fā)生相對滑動,故A、B一起運(yùn)動的加速度的最大值滿足運(yùn)動的最大加速度amax＝選項(xiàng)D正確;對A、B整體有3mamax,則F＞3μmg時(shí)二者會發(fā)生相對運(yùn)動,選項(xiàng)C正確;當(dāng)時(shí),二者相對靜止一起滑動,由牛頓第二定律得,選項(xiàng)B正確.

解題技巧小結(jié)判斷是否對地運(yùn)動的方法:已知外力F大于板和地面間最大靜摩擦力開始運(yùn)動,反之靜止.判斷是否相對運(yùn)動的方法:先分析不受外力F的物體的動力學(xué)情況,令其所受摩擦力達(dá)最大,求出恰好相對滑動時(shí)的臨界加速度a0,再對整體進(jìn)行受力分析求出臨界外力F0.當(dāng)F＞F0時(shí),二者相對滑動;當(dāng)F≤F0時(shí),二者一起加速運(yùn)動.