2020年高考物理常考题型解析：牛顿运动定律的综合应用

专题 3: 牛顿运动定律的综合应用 考点一　　平衡条件的应用 1.物体的超、失重 2.判断超重和失重现象的三个技巧 (1)从受力的角度判断 当物体受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时处于失重状态,等于零时处于完 全失重状态. (2)从加速度的角度判断 当物体具有向上的加速度时处于超重状态,具有向下的加速度时处于失重状态,向下的加速度为重力加速度 时处于完全失重状态. (3)从速度变化角度判断 ①物体向上加速或向下减速时,超重. ②物体向下加速或向上减速时,失重. 3.超重和失重现象的两点说明 (1)不论超重、失重或完全失重,物体的重力都不变,只是“视重”改变. (2)当物体处于完全失重状态时,重力只有使物体产生 a=g 的加速度效果,不再有其他效果.此时,平常一切由重 力产生的物理现象都会完全消失,如物体悬浮空中、天平失效、液体不再产生压强和浮力、“天宫二号”中的 航天员躺着和站着睡觉一样舒服等.考点二　应用整体法与隔离法处理连接体问题 1.方法选取 (1)整体法的选取原则 若连接体内各物体具有相同的加速度,且不需要求物体之间的作用力,则可以把它们看成一个整体,分析整体 受到的合外力,应用牛顿第二定律求出加速度(或其他未知量). (2)隔离法的选取原则 若连接体内各物体的加速度不相同,或者需要求出系统内各物体之间的作用力,则需要把物体从系统中隔离 出来,应用牛顿第二定律列方程求解. (3)整体法、隔离法的交替运用 若连接体内各物体具有相同的加速度,且需要求物体之间的作用力,则可以选用整体法求出加速度,然后再用 隔离法选取合适的研究对象,应用牛顿第二定律求作用力.即“先整体求加速度,后隔离求内力”. 2.连接体问题的具体类型 (1)通过滑轮和绳的连接体问题:若要求绳的拉力,绳跨过定滑轮,连接的两物体虽然加速度大小相同但方向不 同,故采用隔离法. (2)水平面上的连接体问题:这类问题一般多是连接体(系统)中各物体保持相对静止,即具有相同的加速度.解 题时,一般整体法、隔离法交替应用. (3)斜面体及其上面物体组成的系统的问题:当物体具有沿斜面方向的加速度,而斜面体相对于地面静止时,解 题时一般采用隔离法分析;若物体随斜面体共同加速运动,一般整体法、隔离法交替应用. 考点三　动力学中的图像问题 1.常见四类动力学图像及解题办法 v-t 图像 根据图像的斜率判断加速度的大小和方向,进而根据牛顿第二定律求解合外力 F-a 图像 首先要根据具体的物理情境,对物体进行受力分析,然后根据牛顿第二定律推导出两个量间 的函数关系式,根据函数关系式结合图像,明确图像的斜率、截距或面积的意义,从而由图像 给出的信息求出未知量 a-t 图像 要注意加速度的正负,正确分析每一段的运动情况,然后结合物体受力情况根据牛顿第二定 律列方程 F-t 图像 要结合物体受到的力,根据牛顿第二定律求出加速度,分析每一时间段的运动性质 2.解题策略(1)问题实质是力与运动的关系,解题的关键在于弄清图像斜率、截距、交点、拐点、面积的物理意义. (2)应用物理规律列出与图像对应的函数方程式,进而明确“图像与公式” “图像与物体”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断. 考点四　动力学中的临界与极值问题 1.动力学中的临界极值问题 在应用牛顿运动定律解决动力学问题中,当物体运动的加速度不同时,物体有可能处于不同的状态,特别是题 目中出现“最大”“最小”“刚好”等词语时,往往会有临界值出现. 2.产生临界问题的条件 (1)两物体脱离的临界条件:弹力 FN=0,加速度相同,速度相同. (2)相对滑动的临界条件:两物体相接触且处于相对静止时,常存在着静摩擦力,静摩擦力达到最大值. (3)绳子拉断与松弛的临界条件:绳子断时,绳中张力等于它所能承受的最大张力,绳子松弛时,张力 FT=0. 3.临界问题的常用解法 (1)极限法:把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的. (2)假设法:临界问题存在多种可能,特别是非此即彼两种可能时或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出 现临界条件时,往往用假设法解决问题. (3)数学方法:将物理过程转化为数学公式,根据数学表达式解出临界条件. 典例精析 ★考点一：超重与失重 ◆典例一：(2018·模拟)图(甲)是某人站在力传感器上做下蹲、起跳动作的示意图,中间的点表 示人的重心.图(乙)是根据传感器采集到的数据画出的力—时间图线.两图中 a～g 各点均对应,其中有几个点 在图(甲)中没有画出.取重力加速度 g=10 m/s2.根据图像分析可知(　 　)A.人的重力为 1 500 N B.c 点位置人处于超重状态 C.e 点位置人处于失重状态 D.d 点的加速度小于 f 点的加速度 【答案】B 【解析】(1)力传感器上显示的是压力,静止时重力等于压力的大小,只有比较合力的大小才能比较加速度的大 小. (2)压力大于重力就是超重,压力小于重力就是失重. 解析:由图可知人的重力为 500 N,故 A 错误;c 点位置人的支持力 750 N>500 N,处于超重状态,故 B 正确;e 点 位置人的支持力 650 N>500 N,处于超重状态,故 C 错误;d 点的加速度为 = m/s 2=20 m/s2,f 点 的加速度为 a=g=10 m/s2,所以,d 点的加速度大于 f 点的加速度,故 D 错误. ◆典例二(2019·宁夏银川模拟)将一个质量为 1 kg 的小球竖直向上抛出，最终落回抛出点，运动过程中所受 阻力大小恒定，方向与运动方向相反．该过程的 v -t 图象如图所示，g 取 10 m/s2.下列说法正确的是(　　) A．小球所受重力和阻力之比为 6∶1 B．小球上升与下落所用时间之比为 2∶3 C．小球回落到抛出点的速度大小为 8 6 m/s D．小球下落过程，受到向上的空气阻力，处于超重状态 【答案】C 【解析】小球向上做匀减速运动的加速度大小 a1＝12 m/s2，根据牛顿第二定律得 mg＋f＝ma1，解得阻力 f＝ F mg m − 1500 500 50 −ma1－mg＝2 N，则重力和阻力大小之比为 5∶1，故选项 A 错误；小球下降的加速度大小 a2＝mg－f m ＝10－2 1 m/s2＝8 m/s2，根据 x＝1 2at2 得 t＝ 2x a ，知上升的时间和下落的时间之比为 t1∶t2＝ a2∶ a1＝ 6∶3，故选项 B 错误；小球匀减速上升的位移 x＝1 2×2×24 m＝24 m，根据 v2＝2a2x 得，v＝ 2a2x＝ 2 × 8 × 24 m/s＝8 6 m/s，故选项 C 正确；下落的过程中，加速度向下，处于失重状态，故选项 D 错误． ★考点二：应用整体法与隔离法处理连接体问题 ◆典例一：(2018·吉林长春质检)如图所示,质量均为 m 的 A,B 两物块置于水平地面上,物块与地面间的动摩 擦因数均为 μ,物块间用一恰好伸直的水平轻绳相连,现用水平力 F 向右拉物块 A,假设最大静摩擦力等于滑 动摩擦力,重力加速度为 g.下列说法中不正确的是(　 　) A.当 0