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高中數(shù)學(xué)熱學(xué)模型——斜面

更新時間:2023-09-16 文章作者:佚名 信息來源:網(wǎng)絡(luò)整理 閱讀次數(shù):

在靜力學(xué)當(dāng)中,斜面是一個很精典的模型。斜面問題千變?nèi)f化,既可以光滑,也可以粗糙;既可以固定,也可以運動;既可以勻速運動,也可以變速運動。而求解斜面問題,能夠做好斜面上物體的受力剖析,尤其是斜面對物體的斥力剖析是解決問題的關(guān)鍵。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

如今,我們分不憐憫況進行討論。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

一、不受外力作用FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.物體和斜面均處于靜止狀態(tài)。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

例:在水平地面上靜止著一質(zhì)量為M,夾角為θ的斜面,斜面上有一靜止的質(zhì)量為m的物體。求:FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)斜面對物體的斥力大小與方向。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)物體靜止在斜面上的條件。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(3)地面對斜面是否有磨擦力作用,假如有,方向向左還是往右?FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解析:FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)對物體受力剖析:物體受重力、斜面對物體的支持力及磨擦力,因為物體靜止,所以斜面對物體的斥力的合力F=mg,方向豎直向下。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)物體所受斜面的磨擦力大小為f=Tμ=mgμcosθ,物體要想靜止在斜面上,則要滿足f≥mgsinθ。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

因而可得到物體靜止在斜面上的條件為μ≥tanθ。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

通過在矩道VR/3D實驗平臺中運行后可看見,只有當(dāng)μ<tanθ時,物體就會在斜面上滑動。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

摩擦力方向的判斷口訣_摩擦力怎么分析方向_摩擦力力矩方向判斷FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(3)由牛頓第三定理可知,物體對斜面反斥力F’=mg,方向豎直向上。因而斜面無運動趨勢,不受地面的磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

通過在矩道VR/3D實驗平臺中運行后可看見,此時雖然將地面磨擦系數(shù)μ’調(diào)至0,斜面也不會滑動。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.斜面靜止,物體沿斜面勻速直線運動。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

將上例中物體靜止于斜面的條件,改變?yōu)槲矬w沿斜面勻速直線運動,其他條件不變,剖析斜面對物體的斥力及地面對斜面的磨擦力怎么變化。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

物體沿斜面勻速直線運動時與物體靜止于斜面時的受力狀態(tài)是一致的,因而斜面對物體的斥力不變,地面對斜面還是無磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3.斜面靜止,物體沿斜面加速下降或減速上滑。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

此種狀態(tài)可轉(zhuǎn)變?yōu)閷ξ矬w超重失重的研究。當(dāng)物體沿斜面加速下降或減速上滑時,物體處于失重狀態(tài),因而豎直方向上,物體對斜面的斥力大于重力,地面對斜面的支持力大于物體和斜面的重力之和;但此時物體對斜面的斥力合力斜往右下方,而非豎直向上,因而地面對斜面存在磨擦力,方向向左。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

二、物體受外力作用FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.物體受豎直方向的力。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

此種情況相當(dāng)于給斜面上的物體降低或減少重力。假如物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)時,施加豎直方向的外力(物體沒有脫離斜面)后不會改變其運動狀態(tài),地面對斜面一直無磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

摩擦力力矩方向判斷_摩擦力怎么分析方向_摩擦力方向的判斷口訣FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

例:在水平地面上靜止著一質(zhì)量為M,夾角為θ的斜面,自由釋放的物體能在斜面上勻速下降。在此過程中對其施加一豎直向上的外力F,此時地面對斜面是否有磨擦力作用?FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解析:FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由物體能在斜面上勻速下降可知mgsinθ=mgμcosθ,施加外力后同樣存在(mg+F)sinθ=(mg+F)μcosθ,因而物體仍勻速下降,地面對斜面無磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.物體受沿斜面方向的力。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

因為所施加外力沿斜面方向,不會改變物體對斜面的壓力,因而不會改變物體與斜面之間的磨擦力。為此,假若物體初始狀態(tài)為靜止或勻速直線運動,則施加外力后無論是否改變了運動狀態(tài),地面對斜面一直無磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

例:粗糙斜面M置于光滑的水平面上,物塊m正好能在斜面上靜止。若用平行斜面向上的力F推進物塊摩擦力方向的判斷口訣,使之加速下降,問地面對斜面的磨擦力怎樣?FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解析:物塊不受外力時,斜面對物塊支持力T與磨擦力f合力豎直向下,為mg,地面對斜面無磨擦力,斜面靜止不動。當(dāng)外力平行于斜面推進物塊時,T不變,因而f亦不變,故而斜面對物塊斥力不變。依據(jù)牛頓第三定理可知,地面對斜面的支持力還是(M+m)g,對斜面無磨擦力作用。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3.物體受任意方向的力。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

以物體受水平方向的力為例。初始狀態(tài)時,物體和斜面均處于靜止?fàn)顟B(tài)。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

假如物體遭到的力水平往右,則斜面會有往右運動的趨勢,因而會遭到地面對它向左的磨擦力。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

假如物體遭到的力水平向左,則斜面可能有往右運動的趨勢;也可能有向左運動的趨勢。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

4.還有一種斜面上的類平拋題型(物體在靜止的光滑斜面上加速下降,給物體一個水平方向的速率)將在后續(xù)的拋體運動專題中詳盡討論,在此略過。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

綜上所述,一般情況下摩擦力方向的判斷口訣,斜面問題的解題思路是:先看物體運動的情況,再剖析斜面上的物體遭到斜面的支持力和磨擦力的合力情況,之后按照牛頓第三定理可知物體對斜面的斥力情況,最后再判定地面對斜面的斥力情況。FN4物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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