湖北省光谷第二高級中學高三物理 難點6 破解連接體中速度、位移及加速度關聯(lián)（通用）

《湖北省光谷第二高級中學高三物理 難點6 破解連接體中速度、位移及加速度關聯(lián)（通用）》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《湖北省光谷第二高級中學高三物理 難點6 破解連接體中速度、位移及加速度關聯(lián)（通用）（10頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 難點6破解連接體中速度、位移及加速度關聯(lián) 在學習了運動的合成與分解后，我們經(jīng)常會碰到涉及相互關聯(lián)的物體的速度求解。這樣的幾個物體或直接接觸、相互擠壓，或借助其他媒介（如輕繩、細桿）等發(fā)生相互作用。在運動過程中常常具有不同的速度表現(xiàn)，但它們的速度卻是有聯(lián)系的，我們稱之為“關聯(lián)”速度。解決“關聯(lián)”速度問題的關鍵有兩點：一是物體的實際運動是合運動，分速度的方向要按實際運動效果分解，二是沿著相互作用的方向(如沿繩、沿桿)的分速度大小相等。下面通過三種關聯(lián)媒介來破解連接體中的關聯(lián)物理量的問題。 連接媒介之一：繩桿連接物體的關聯(lián) 對于繩子或桿連接的兩個物體，輕桿與輕繩均不可伸長，繩連或桿連物

2、體的速度在繩或桿的方向上的投影相等。求繩連或桿連物體的速度關聯(lián)問題時，首先要明確繩連或桿連物體的速度，然后將兩物體的速度分別沿繩或桿的方向和垂直于繩或桿的方向進行分解，令兩物體沿繩或桿方向的速度相等即可求出。 【調(diào)研1】【2020年高考上海卷第11題】如圖，人沿平直的河岸以速度行走，且通過不可伸長的繩拖船，船沿繩的方向行進，此過程中繩始終與水面平行。當繩與河岸的夾角為，船的速率為 A、vsinα B、 C、vcosα D、 【解析】本題考查運動的合成與分解。本題難點在于船的發(fā)動機是否在運行、河水是否有速度。依題意船沿著繩子的方向前進，即船的速度就是沿著繩子的，根據(jù)繩子連接體

3、的兩端物體的速度在繩子上的投影速度相同，即人的速度v在繩子方向的分量等于船速，故v船＝vcosα，C對。 【答案】C 【規(guī)律總結(jié)】繩端速度的分解是繩端物體（繩端連接體如本題小船）實際速度（對地）的分解，實際速度產(chǎn)生兩個效果：一是繩的縮短或伸長；二是繩繞滑輪的轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)動線速度垂直于繩。繞過滑輪的輕繩力的特點是兩端拉力相等，速度特點是沿繩的伸長或縮短方向速度相等。因此繩子關聯(lián)的物體的分解方法有兩種，①將實際速度分解為沿著繩子方向和垂直繩子方向；②繩子兩端的速度在繩子上的投影速度相同，比如本題中繩子左端的速度就是拉力的速度與繩子與船連接端的小船在繩子方向上的投影速度大小相等。 v A

4、 B 【調(diào)研2】如圖所示，開始時A、B間的細繩呈水平狀態(tài)，現(xiàn)由計算機控制物體A的運動，使其恰好以速度v沿豎直桿勻速下滑，經(jīng)細繩通過定滑輪拉動物體B在水平面上運動，則下列v－t圖象中，最接近物體B的運動情況的是 O t v A O t v B O t v C O t v D v A B θ v2 v1 v 【解析】與物體A相連的繩端速度v分解為沿繩伸長方向的速度v1和垂直于繩方向的速度v2，則物體B的速度vB＝v1＝vsinθ，在t＝0時刻θ＝0°，vB＝0，C錯；之后隨θ增大，sinθ增大，B的速

5、度增大。在A下落相同距離時，繩子與水平方向之間的夾角逐漸增大，顯然θ增大的過程中，由正弦函數(shù)圖象的斜率可知sinθ的變化率越來越小，故vB的變化率越來越小，也就是vB－t圖線的斜率越來越小，故A對。（也可通過數(shù)學的導數(shù)知識將vB對時間求導） 【答案】A 【方法技巧】 在進行速度分解時，要分清合速度與分速度．合速度就是物體實際運動的速度，是平行四邊形的對角線．雖然分速度的方向具有任意性，但只有按圖示分解時，vB才等于v1，才能找出vB與v的關系；而對于速度vB的變化趨勢，則可以由開始和最終作極限情況判斷，排除BD。 【調(diào)研3】如圖所示，桿OA長為R，可繞過O點的水平軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，其端

6、點A系著一跨過定滑輪B、C的不可伸長的輕繩，繩的另一端系一物塊M，滑輪的半徑可忽略，B在O的正上方，OB之間的距離為H。某一時刻，當繩的BA段與OB之間的夾角為α時，桿的角速度為ω，求此時物塊M的速率vM。 【解析】桿的端點A點繞O點作圓周運動，其速度vA的方向與桿OA垂直，在所考察時其大小為vA＝ωR 對速度vA作如圖所示的正交分解，沿繩BA的分量就是物塊M是速率vM，則vM＝vAcosφ 由正弦定理知＝ 由圖看出∠OAB＝＋φ 由以上各式得：vM＝ωHsinα 【誤點警示】本題中與繩子連接的物體有M和OA桿，由于OA桿上各點的線速度不同，但角速度相同，且與繩子連接的位置在A處，

7、故在處理速度關聯(lián)時要用A點的線速度進行分解。分解方法依然是沿著繩子方向和垂直繩子方向分解。 連接媒介之二：接觸物體間的關聯(lián) 求相互接觸物體的速度關聯(lián)問題時，首先要明確兩接觸物體的速度，分析彈力的方向，然后將兩物體的速度分別沿彈力的方向和垂直于彈力的方向進行分解，令兩物體沿彈力方向的速度相等即可求出。 【調(diào)研5】如圖所示，輕桿的下端用鉸鏈固接在水平面上，上端固定一個質(zhì)量為m的小球，輕桿處于豎直位置，同時與一個質(zhì)量為M的長方體相接觸。由于微小擾動使桿向右側(cè)倒下，當小球與長方體分離時，桿與水平面的夾角為30°，且桿對小球的作用力恰好為零，求。不計一切摩擦。 M m 【解析】在桿從豎直

8、位置開始倒下到小球與長方體恰好分離的過程中，小球和長方體組成的系統(tǒng)機械能守恒，設桿長為L，小球和長方體的速度分別為v、u，則 mgL(1－sin30°)＝mv2＋Mu2 分離時刻，小球只受到重力，由向心力公式及牛頓第二定律：mgsin30°＝ 此時小球與長方體的水平速度相同，即：vsin30°＝u 聯(lián)立解得 ＝4 【拓展提升】本題中分離的瞬間小球與長方體的速度是不相同的。小球的運動參與了兩個運動，兩個速度分別是繞著轉(zhuǎn)動點轉(zhuǎn)動的線速度和與長方體一起想右運動的速度。實際上本題多給了一個條件：分離時桿對小球的作用力為零。這個條件可以這么理解：分離時長方體水平方向不受力作用，故加速度為零，則

9、小球的水平加速度也必定為零，小球沒有水平加速度，就不可能有水平的合力，此時若存在桿的彈力，則桿的彈力必定產(chǎn)生水平分力，出現(xiàn)矛盾，只有桿的彈力為零才能符合。故分離時桿的彈力為零是多余的條件。 【調(diào)研6】一根長為L的桿OA，O端用鉸鏈固定，另一端固定著一個小球A，靠在一個質(zhì)量為m0，高為h的物塊上，如圖所示。若物塊與地面摩擦不計，試求當物塊以速度v向右運動時，小球A的線速度vA。（此時桿與水平方向夾角為θ） 【解析】選取物體與棒的接觸點B為連結(jié)點。（不直接選A點的原因是因為A點與物塊速度v的關系不明顯）。因為B點在物塊上，該點運動與物塊運動一致，故B點的合速度（實際速度）就是物塊速度v；B點又

10、在棒上，參與沿棒向A點滑動的速度v1和繞O點轉(zhuǎn)動的線速度v2。因此，將這個合速度（實際速度）沿棒方向及垂直于棒方向進行分解，如圖所示，由速度矢量分解圖及幾何關系可得：v2＝vsinθ。 設此時OB長度為a，則a＝，令棒繞O點轉(zhuǎn)動角速度為ω，則ω＝＝，故A的線速度vA＝ωL＝。 【誤點警示】本題到底是將物塊的速度分解還是將B點的速度分解是同學們的最大困惑。掌握的方法有兩種，一種就是看效果：物體實際的速度分解為連接媒介的兩個效果，本題中B點一邊沿著桿向上運動速度v1，一邊繞O點轉(zhuǎn)動的速度v2；另一種就是看投影：媒介所連接的對象在媒介上的投影速度相同。 R θ O P v0 v1

11、【調(diào)研7】一個半徑為R的半圓柱體沿水平方向向右以速度v0勻速運動。在半圓柱體上擱置一根豎直桿，此桿只能沿豎直方向運動，如圖所示。當桿與半圓柱體接觸點P與柱心的連線與豎直方向的夾角為θ，求豎直桿運動的速度。 【解析】設豎直桿運動的速度為v1，方向豎直向上，由于彈力方向沿OP方向，所以v0、v1在OP方向的投影相等，即有 v0sinθ＝v1cosθ，解得v1＝v0tanθ 。 【學法指導】本題中對于桿我們能夠看到的就是桿向上運動，這就是實際的運動速度方向，而半圓柱體的實際運動方向是水平向右，兩個速度關聯(lián)必須明確兩個接觸物體的彈力方向，即關聯(lián)這兩個速度的方法就是OP方向的投影速度相同。 【調(diào)

12、研8】如圖所示，薄板形斜面體豎直固定在水平地面上，其傾角為θ＝37°。一個“Π”的物體B靠在斜面體的前后兩側(cè)，并可在水平面上自由滑動而不會傾斜，B的質(zhì)量為M＝2kg。一根質(zhì)量為m=1kg的光滑細圓柱體A擱在B的豎直面和斜面之間?，F(xiàn)推動B以水平加速度a＝4m/s2向右運動，并帶動A沿斜面方向斜向上運動。所有摩擦都不計，且不考慮圓柱體的滾動，g=10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求： （1）圓柱體A的加速度大??； （2）B物體對A的推力F的大??； （3）當A被緩慢推至離地高為h＝1m的P處時停止運動，放手后A下滑時帶動B一起運動，當?shù)竭_斜面底端時B的速度為多大？ 【

13、解析】（1）A的合加速度方向沿斜面向上，其水平向右的分加速度和B的加速度相同，如圖所示。則aA=，代入數(shù)據(jù)解得：aA=5m/s2 （2）對A，由牛頓第二定律：Fcos37°－mgsin37°＝maA，解得：F=13.75N （3）mgh＝mvA2＋MvB2，又vB＝vAcos37°，解得：vB＝m/s≈2.4m/s 【方法點撥】A球的速度沿著斜面向上，這是實際速度，也稱為合速度，從實際效果來看A球一邊向右運動，一邊向上運動，當然加速度也可以這么分解?？磥砝斫馐裁词菍嶋H速度是關聯(lián)體中的關鍵環(huán)節(jié)。 連接媒介之三：皮帶或齒輪的關聯(lián) 凡是直接

14、用皮帶傳動（包括鏈條傳動、摩擦傳動）的兩個輪子，兩輪邊緣上各點的線速度大小相等；凡是同一個輪軸上（各個輪都繞同一根軸同步轉(zhuǎn)動）的各點角速度相等（軸上的點除外）。 a b c d 【調(diào)研9】如圖所示裝置中，三個輪的半徑分別為r、2r、4r，b點到圓心的距離為r，求圖中a、b、c、d各點的線速度之比、角速度之比、加速度之比。 【解析】a與c輪屬于皮帶輪，則線速度相同va＝vc b、c、d三個輪子屬于同軸輪，則角速度相同，ωb＝ωc＝ωd 由v＝ωR，故vb∶vc∶vd ＝1∶2∶4， 聯(lián)立可得va∶ vb∶vc∶vd ＝2∶1∶2∶4，且ωa∶ωb=2∶1， 故ωa∶ωb∶ωc

15、∶ωd ＝2∶1∶1∶1； 根據(jù)a＝vω，可得aa∶ab∶ac∶ad＝4∶1∶2∶4 D B C 手壓杠桿　 復位彈簧　 A 【規(guī)律總結(jié)】要弄清楚什么叫皮帶或鏈條連接的輪子，什么叫具有同軸的輪子。知道皮帶輪邊緣的線速度相同，而同軸輪的角速度相同，再根據(jù)線速度、角速度及加速度的公式關系，這類問題即可迎刃而解。 【調(diào)研10】一種手壓式自發(fā)電充電手電筒，傳動裝置由手壓杠桿和四個齒輪組成，如圖所示，其中齒輪A與手壓杠桿共軸，齒輪B、C共軸，齒輪D與微型發(fā)電機共軸。每秒鐘下壓杠桿兩次，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電即可使發(fā)光組件正常發(fā)光。已知齒輪半徑rA＝9rB、rC＝10rB、rB＝rD，每下

16、壓一次杠桿轉(zhuǎn)動的角度為30°，設杠桿下壓和復位時間相等，手壓杠桿復位時發(fā)電機由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動，則發(fā)電機轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)速最接近（ ） A、60r/min B、90r/min C、120r/min D、180r/min 【解析】手壓杠桿每秒下壓兩次，每次杠桿轉(zhuǎn)過30°角，故與杠桿共軸的齒輪A在每次下壓時轉(zhuǎn)過r，用時s，因此杠桿及齒輪A的轉(zhuǎn)速為nA＝r/s＝r/s，A、B兩輪由齒輪傳動，齒輪邊緣線速度相等，由v＝rω，且ω＝2πn，得＝，即轉(zhuǎn)速與半徑成反比，解得nB＝3r/s，B、C兩齒輪共軸，轉(zhuǎn)速相等，同理可得C、D兩齒輪轉(zhuǎn)速關系為nD＝30r/s＝180r/min，D正確。

17、答案：D 易錯警示：本題設計貼近生活，試題將齒輪傳動是接觸傳動與同軸傳動相結(jié)合，“手壓杠桿每次轉(zhuǎn)過30°角”的時間是關注的焦點之一，若將每秒下壓兩次，認為每次時間為0.5s，則易錯選C項。 【誤點警示】本題中齒輪傳動是接觸傳動（鏈輪）與同軸傳動，“手壓杠桿每次轉(zhuǎn)過30°角”的時間是理解的關鍵點。 【拓展訓練】 1、a b 左 右 θ （2020屆武漢市11月調(diào)考）如圖所示，水平地面上有一楔形物塊a，其斜面上有一小物塊b，b與平行于斜面的細繩的一端相連，細繩的另一端固定在斜面上。a與b之間光滑，a和b以共同速度在地面軌道的光滑段向左勻速運動。當它們剛運行至軌道的粗糙段時 A、

18、繩的張力減小，地面對a的支持力不變 B、繩的張力減小，地面對a的支持力增加 C、繩的張力增加，斜面對b的支持力不變 D、繩的張力增加，斜面對b的支持力增加 1、A B【解析】若a、b能一起在粗糙段勻減速運動，則豎直方向整體平衡，地面對a的支持力依然等于兩者的重力之和，A對；若在粗糙段a向左勻減速運動，而b沿著斜面相對a向上運動，則b具有豎直向上的分加速度，屬于超重狀態(tài)，則整體在豎直方向超重，故地面對a的支持力比兩者重力之和大，B對；不管是上述的a、b一起勻減速運動還是b相對a沿著斜面向上運動，對b受力分析可知，b的水平方向原來處于平衡狀態(tài)，則繩子張力T的水平分力Tx1＝Nx1，且Ty1

19、＋Ny1＝mbg，而運行至粗糙段上時b具有向右的加速度，故Tx2＜Nx2，且Ty1＋Ny1≥mbg，顯然b受到的繩子拉力T一定減小，受到的支持力N一定增大。綜上可得繩子張力一定減小，地面對a的支持力可能不變也可能增加，而斜面對b的支持力一定增加，C、D均錯。 2、水平面上有一帶圓弧形凸起的長方形木塊A，木塊A上的物體B用繞過凸起的輕繩與物體C相連， B與凸起之間的繩是水平的。用一水平向左的拉力F作用在物體B上，恰使物體A、B、C保持相對靜止，如圖。已知物體A、B、C、的質(zhì)量均為m，重力加速度為g，不計所有的摩擦，則拉力F應為多大？ 2、【解析】設繩中張力為T，A、B、C共同的加速度為a

20、，與C相連部分的繩與豎直線夾角為α，由牛頓運動定律，對A、B、C 組成的整體有F=3ma 對B有 F-T=ma 對C有 Tcosα=mg Tsinα=ma 聯(lián)立得：T=2ma T2=m2(g2+a2) 故， 大齒輪 小齒輪 車輪 小發(fā)電機 摩擦小輪 鏈條 3、如圖所示，一種向自行車車燈供電的小發(fā)電機的上端有一半徑r0＝1.0cm的摩擦小輪，小輪與自行車車輪的邊緣接觸。當車輪轉(zhuǎn)動時，因摩擦而帶動小輪轉(zhuǎn)動，從而為發(fā)電機提供動力。自行車車輪的半徑R1＝35cm，小齒輪的半徑R2＝4.0cm，大齒輪的半徑R3＝10.0cm。求大齒輪的轉(zhuǎn)速n1和摩擦小輪的轉(zhuǎn)

21、速n2之比。（假定摩擦小輪與自行車輪之間無相對滑動） 3、【解析】大小齒輪間、摩擦小輪和車輪之間和皮帶傳動原理相同，兩輪邊緣各點的線速度大小相等，由v=2πnr可知轉(zhuǎn)速n和半徑r成反比；小齒輪和車輪同軸轉(zhuǎn)動，兩輪上各點的轉(zhuǎn)速相同。由這三次傳動可以找出大齒輪和摩擦小輪間的轉(zhuǎn)速之比n1∶n2=2∶175。 A A′ B B′ 37° 37° C h1 h2 4、某機械打樁機原理可簡化為如圖所示，直角固定桿光滑，桿上套有mA＝55kg和mB＝80kg兩滑塊，兩滑塊用無彈性的輕繩相連，繩長為5m，開始在外力作用下將A滑塊向右拉到與水平夾角為37°時靜止釋放，B滑塊隨即向下運動帶動

22、A滑塊向左運動，當運動到繩與豎直方向夾角為37°時，B滑塊（重錘）撞擊正下方的樁頭C，樁頭C的質(zhì)量mC＝200kg。碰撞時間極短，碰后A滑塊由緩沖減速裝置讓其立即靜止，B滑塊反彈上升h1＝0.05m，C樁頭朝下運動h2＝0.2m靜止。取g＝10m/s2。求： （1）滑塊B碰前的速度； （2）泥土對樁頭C的平均阻力。 4、【解析】 設碰前A的速度為vA，B的速度為vB，由系統(tǒng)機械能守恒定律： mBg（Lsin53°－Lsin37°）=mAvA2＋mBvB2 物體A和物體B沿繩的分速度相等：vAcos53°＝vBcos37° 聯(lián)立以上兩式得：vB＝3m/s B與C碰撞動量守恒：mBvB＝mCvC—mBvB1 B碰后豎直上拋：vB12－0＝2gh1 聯(lián)立以上兩式得：vC＝1.6m/s 對C用動能定理：mgs－fs＝0－mCvC2 所以f＝3280N