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高中物理重点内容——用动力学观点看待滑块滑板模型

滑块滑板模型涉及受力分析、运动分析、能量守恒、动量守恒,是高中物理的重点内容。模型复杂、运动情况复杂,很多同学不易理解。本文就从运动层面出发,深入剖析滑块滑板模型。

什么是滑块滑板模型

图1:滑块滑板模型

滑块滑板模型如图1。滑块滑板模型是理想化的实验模型,上面的滑块的几何尺寸可以忽略,可以看成质点;下面的长木板的长度不可忽略,我们且把它的长度记为L。我们以一个例题为例,详细分析解题过程。

如图,一质量为m的物块以初速度v滑上静止放在光滑水平面上的木板上。已知木板的质量为 M,与滑块的动摩擦因数为μ,要使物块不从木板上滑下,求木板的最短长度。

受力分析

学会受力分析,是对高中物理最起码的尊重。结合初始条件,判断相对运动方向,确定摩擦力的方向。受力情况如图2(竖直方向合力为零,只分析了水平方向):

图2:对滑块和木板受力分析

此处摩擦力方向的判断容易出错。弄清楚物块与木板的相对运动方向,确定摩擦力方向。再有就是注意地面是光滑还是粗糙。如实粗糙,还要确定地面对木板的摩擦力方向。

由于两物体之间有相对运动,故摩擦力大小为f=μmg。

运动分析

当受力分析完成了以后,接下来就需要运动分析了。但是,进行运动分析时,一定要结合物体的初始条件。

对物块而言,运动反向向右,摩擦力方向向左,物块做匀减速直线运动;对木板而言,初速度为零,木板向右做匀加速直线运动。根据牛顿第二定律,可以解出两物体的加速度。如图3:

图3:计算物块、木板的加速度

知道了物体的运动情况,也求解出来了物体的加速度,这个题就已经能得一部分分数了。但是此题还有更重要的一步,请继续往下看:

找位移、速度之间的关系

只有将物块的位移、木板的位移和木板的长度联系起来,才能找出木板的长度。这是最重要的一步,也是本题的难点。

图4:物体的运动示意图

物体的运动示意图如图4。题目要求物块不能滑下木板,假设物块刚好到达最右端,两物体保持相对静止。此时计算出来的木板长度最短。由图像可知,它们的位移之间满足关系,如图5:

图5:物块位移、木板位移和木板长度的关系

已知物块与木板的运动情况,可以表示出物块、木板的位移如图6:

图6:物块、木板的位移

位移关系找到了,再来找速度之间的关系。物体保持相对静止,故速度相等。如图7:

图7:找两物体速度相等

综合以上的(1)(2)(3)(4)(5)(6),就可以解出木板的最小长度。

方法解析:解决滑块滑板模型的题,受力分析、运动分析是基础,找位移、速度关系是关键。是基础差的同学,把受力分析、运动分析做好,写出(1)(2)(4)(5)四个式子也会有一个不错的分数。位移关系需要画出运动示意图,能正确画出图4是关键。

下期内容更新“从能量层面看待滑块滑板模型”,敬请期待。


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