牛頓第二定律是高中物理學重要的組成部分,同時也是力學問題中的基石,它具有矢量性、瞬時性等特性,其中瞬時性是同學們理解的難點。
所謂瞬時性,就是物體的加速度與其所受的合外力有瞬時對應的關系,每一瞬時的加速度只取決于這一瞬時的合外力。也就是物體一旦受到不為零的合外力的作用,物體立即產生加速度;當合外力的方向、大小改變時,物體的加速度方向、大小也立即發(fā)生相應的改變;當物體的合外力為零時,物體的加速度也立即為零。由此可知,力和加速度之間是瞬時對應的。
解這類問題要明確兩種基本模型的特點:
A.輕繩不需要形變恢復時間,在瞬時問題中,其彈力可以突變,成為零或者別的值。
B.輕彈簧(或者橡皮繩)需要較長的形變恢復時間,在瞬時問題中其彈力不能突變,大小方向均不變。
例題、在下圖所示的裝置中,小球m在水平細繩OA和與豎直方向成θ角的彈簧OB作用下處于靜止狀態(tài),若將繩子OA剪斷,問剪斷瞬間小球m的加速度大小、方向如何?
解析:以小球為研究對象,在未剪斷繩子OA之前,小球m受重力mg,方向豎直向下;彈簧OB的拉力FT1,方向與豎直方向成θ角斜向上;繩子OA的拉力FT2,水平向左。由于小球處于靜止狀態(tài),則彈簧OB的拉力FT1和重力mg的合力與繩子OA的拉力是一對平衡力。所以FT1和mg的合力在數值上等于繩子OA的拉力mgtanθ,方向水平向右。當剪斷繩子OA的瞬間,繩子OA的拉力消失而彈簧OB的拉力來不及變化(彈簧OB的拉力FT1使彈簧OB發(fā)生了形變,而彈簧要恢復到原長是需要時間的,所以在這一瞬間我們認為彈簧的長度并沒有改變),所以此時小球受重力mg和彈簧OB的拉力FT1作用,其合力仍為mgtanθ,方向水平向右。由牛頓第二定律F=ma得:加速度a=mgtanθ/m=gtanθ,方向水平向右。
變通:若將彈簧換成細繩,如下圖所示,在剪斷水平細繩的瞬間,小球的加速度大小和方向又會怎樣呢?
解析:將圖中的水平繩剪斷瞬間,斜拉繩的拉力發(fā)生突變,小球受力如下圖所示,小球沿繩方向合力為零,F1=mgcosθ。
小球所受合力F=mgsinθ,方向垂直斜繩向下。
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