考点 · 动力学临界极值与连接体模型
连接体问题:整体法与隔离法
当系统中包含两个或两个以上相互关联的物体时,统称为连接体系统。
1. 整体法与隔离法的选择策略
- 整体法:将多个物体视为一个整体质点组。
- 优势:只分析系统外力,避开系统内部物体间的相互作用力(内力);
- 适用条件:系统中所有物体的加速度大小和方向完全相同。
- 隔离法:将某个研究对象从系统中单独隔离出来,单独画受力分析图。
- 适用条件:当题目要求解系统内部的相互作用力(如接触面支持力、轻绳张力、静摩擦力等),或者各物体的加速度不同时。
- 解题黄金组合:先整体求加速度
,再隔离求相互作用力。
2. 加速度与内力分配定理
如图,光滑或同摩擦因数水平面上,质量为
- 整体法:
- 隔离
: - 将
代入可得轻绳张力:
TIP
内力分配规律:轻绳张力大小只取决于两物体的质量比与外力,与接触面的动摩擦因数
瞬时性问题:轻绳、轻弹簧与轻杆的动力学突变
牛顿第二定律
1. 两类力学构件的形变与突变特性对比
| 物理模型 | 形变特点 | 恢复时间 | 状态改变瞬间受力特点 |
|---|---|---|---|
| 轻弹簧 / 橡皮筋 | 宏观形变明显( | 形变恢复需要宏观时间 | 弹力不能突变!在剪断其他约束的瞬间,弹簧两端形变量保持原值, |
| 轻绳 / 细线 / 刚性接触面 | 微观微小形变(视为刚性) | 形变调整时间极短(瞬时) | 拉力/支持力可以突变!剪断或接触状态改变瞬间,张力瞬间变为零或自适应跳变为新平衡值。 |
2. 经典剪断模型对比
天花板下悬挂小球
- 情况一:天花板与
之间为轻弹簧, 与 之间为轻绳: - 平衡时:弹簧拉力
,细绳张力 。 - 剪断细绳瞬间:细绳张力
瞬间变为 ;弹簧弹力不能突变,仍为 。 - 球
: (方向竖直向上!); - 球
:仅受重力, (方向竖直向下,做自由落体)。
- 球
- 平衡时:弹簧拉力
- 情况二:天花板与
之间为轻绳, 与 之间为轻弹簧: - 平衡时:轻绳张力
,弹簧弹力 。 - 剪断轻绳瞬间:轻绳拉力瞬间为
;弹簧弹力不能突变,仍为 (向上拉 ,向下拉 )。 - 球
: (方向竖直向下!); - 球
:受向上弹力 与向下重力 ,合力为 (瞬间处于悬浮平衡!)。
- 球
- 平衡时:轻绳张力
动力学临界极值问题的三大判据
物理状态发生质的飞跃的关键分界点称为临界状态。
1. 两物体即将分离的临界判据
两接触物体在分离瞬间:
- 弹力判据:接触面间正压力恰好减为零,即
; - 运动学判据:分离瞬间两者仍紧密相邻,具有相同的速度
和相同的加速度 。
2. 相对滑动的临界判据
两接触物体由相对静止转为相对滑动的临界瞬间:
- 摩擦力判据:接触面间的静摩擦力恰好达到最大静摩擦力,即
; - 运动学判据:两物体仍保持相对静止,拥有相同的加速度
。
3. 轻绳即将松弛的临界判据
- 绳子张力恰好减小到零,即
。
经典综合模型一:滑块—木板模型(板块模型)
板块模型是高考考查综合动力学、摩擦力动态判定及多过程分析的终极题型。
1. 物理构型与参数
- 地面光滑(或动摩擦因数
),长木板质量 ,物块质量 ; - 物块与木板之间的动摩擦因数
; - 设外力
水平作用在长木板 上。
2. 相对滑动临界外力计算
求物块
- 分析临界受力:当
增大到临界值时, 与 刚要相对滑动,此时 所受静摩擦力达到最大值 ; - 隔离滑块
: 滑块能获得的最大加速度为 (由最大静摩擦力提供); - 整体法求临界拉力:
- 动力学结论:
- 当
时: 与 相对静止,以共同加速度 运动; - 当
时: 与 发生相对滑动,滑块加速度 保持不变,木板加速度 。
- 当
3. 图像法求解板块追及与木板最小长度
若滑块以初速度
- 滑块做匀减速运动:
, ; - 木板做匀加速运动:
, ; - 共速时间
: ; - 相对位移与板长约束:
在 图像中, 严格对应两条速度图线所围成的三角形面积。滑块不滑落的充要条件是长木板长度 。
经典综合模型二:传送带模型与共速临界转折
传送带模型的核心在于:判断物体与传送带速度相等的瞬间,摩擦力的方向是否发生突变或消失。
1. 水平传送带
物块以初速度
- 若
:物块受向右的滑动摩擦力 ,向右加速 。 - 若传送带足够长,物块加速到
时相对静止,摩擦力瞬间变为 ,此后匀速运动; - 若传送带长度不足,物块一直匀加速滑出。
- 若传送带足够长,物块加速到
- 若
:物块受向左的滑动摩擦力,向右匀减速,减速到 后摩擦力变为 ,做匀速运动。
2. 倾斜传送带(倾角 )
物块轻放在向下匀速运行(速度为
- 第一阶段(
):传送带比物块快,传送带给物块沿斜面向下的滑动摩擦力: - 转折瞬间(
):共速瞬间,摩擦力性质发生突变,取决于 与 的大小关系: - 若
:共速后,物块所受下滑力 。物块不再相对滑动,静摩擦力突变为沿斜面向上且 ,物块此后以速度 匀速下滑; - 若
:共速后,下滑力大于最大静摩擦力,物块继续加速,速度超过传送带。此时传送带比物块慢,摩擦力方向瞬间反向(变为沿斜面向上):
物块此后以更小的加速度 继续做匀加速下滑,直至离开传送带。 - 若