木板滑塊類問題是高中物理教學(xué)中非常重要和常見的題型,通過對(duì)題目的條件和問題的不同設(shè)計(jì),可綜合考查學(xué)生對(duì)物理情景的建立,過程的分析,以及應(yīng)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)熟練列式求解的能力。處理此類習(xí)題時(shí),以地面為參考系畫好運(yùn)動(dòng)過程的草圖是正確分析和建立物理情景的關(guān)鍵,是將抽象問題形象化的好方法之一。但有時(shí)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的小車和滑塊的運(yùn)動(dòng)情景較為復(fù)雜,情景不易確定,此種方法將陷入困境。我在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),若以小車為參考系,將使運(yùn)動(dòng)情景大大簡化,物理情景更加清晰,也更有利于學(xué)生順利分析和解決問題,對(duì)學(xué)生的思維的拓展和解決問題的綜合能力也有很大的提高。
例題1:如圖1所示,一個(gè)質(zhì)量為M的長方形木板B放在光滑水平面上,在其右端放一個(gè)質(zhì)量為m的小木塊A,m<M,兩者之間的滑動(dòng)摩擦力大小為f?,F(xiàn)以地面為參考系,同時(shí)給A、B以大小相等、方向相反的初速度v,使A開始向左運(yùn)動(dòng)、B開始向右運(yùn)動(dòng),最終A沒有滑離B板。則木塊A最終相對(duì)于木板B靜止時(shí)與木板B右端的距離是多少?
解析:方法一:以地面為參考系
分別對(duì)木塊A和木板B做受力分析,畫出受力示意圖如圖2。
對(duì)于A,根據(jù)牛頓第二定律得:f=ma;
對(duì)于B,根據(jù)牛頓第二定律得:f=Ma。
由于A的加速度大,其速度首先向左減為零,然后向右加速達(dá)到與B同速。
設(shè)經(jīng)過時(shí)間t,A速度為v,由速度公式:v=v-at,
設(shè)經(jīng)過時(shí)間t,B速度為v,由速度公式:v=v-at,
兩者速度相等,有v=-v,由上面幾式可得:
所用時(shí)間為:t=?。
B向右的距離為s=vt-at,
A向左的距離為s=vt-at.
相對(duì)于木板,得A向左的最大距離為:
s=s+s=?.
此題中A先向左減速后向右加速,運(yùn)動(dòng)情景較為復(fù)雜,分析時(shí)不容易搞清楚,尤其是在列方程時(shí),各物理量取值的正負(fù)非常容易搞錯(cuò)。該問題的復(fù)雜性來自于A、B兩物體均在相對(duì)地面運(yùn)動(dòng),并且A的運(yùn)動(dòng)方向有所變化,分析問題時(shí)不容易全面準(zhǔn)確地把握。若是以木板B為參考系,該問題的復(fù)雜性將大大簡化。
方法二:
對(duì)于A:f=ma,得a=,方向向右.
對(duì)于B:f=Ma,得a=,方向向左.
以木板B為參考系,研究A取向左為正方向.
初速度v=2v,加速度a=a-a=-?f.
木塊A相對(duì)于木板B做向左的勻減速運(yùn)動(dòng),直到相對(duì)木板B靜止,即v=0.
v-v=2ax
得x=?.
則相對(duì)于木板,A向左的最大距離為x=?.
通過上述兩種方法的對(duì)比,能發(fā)現(xiàn)選取木板B這一恰當(dāng)?shù)膮⒖枷担墒乖瓉磔^為復(fù)雜的兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)簡化為一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng),原來困難的情景建立和過程分析變的十分簡潔明了,大大地提高了解題效率。當(dāng)然,以木板為參考系的方法,使運(yùn)動(dòng)情景得以簡化,但初用者不太注意運(yùn)算時(shí)各個(gè)物理量的相對(duì)性,尤其是相對(duì)加速度易求錯(cuò)。因此選用該方法解題時(shí)要注意這一點(diǎn),以下再選一例。
例題2:如圖3所示,停在光滑水平面上的長木板B,質(zhì)量M=4kg,在木板水平板面的左端放著物塊A,A的質(zhì)量m=1kg,A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,木板的長度l=2m。(取g=10m/s)
(1)用向左的水平恒力F=14N拉木板B,使B由靜止開始運(yùn)動(dòng)起來,試問:B向左的位移多大時(shí),物塊A與木板B分離?
?。?)A、B分離時(shí),它們的瞬時(shí)速度各是多大?方向如何?
解析: (1)對(duì)A:μmg=ma,得a=2m/s,方向向左,
對(duì)B:F-μmg=ma,得a=3m/s,方向向左.
以B為參考系,研究A取向左為正方向.
初速度v=0,加速度a=a-a=-1m/s.
A相對(duì)于B“向右”以相對(duì)加速度a=1m/s做勻加速運(yùn)動(dòng).
設(shè)經(jīng)t時(shí)間A、B分離,則l=at,
得t==2s.
在這2s時(shí)間內(nèi),木板B向左的位移s=at=6m.
?。?)分離時(shí)A的速度v=at=4m/s,方向向左;
B的速度v=at=6m/s,方向向左.
教師在教學(xué)過程中如能在教會(huì)學(xué)生以地面為參考系,通過畫草圖、建立物理情景分析問題的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生以木板為參考系,再來分析問題,解決問題。勢(shì)必對(duì)學(xué)生的思維的靈活性和拓展性都有較大的提高,從而也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和解決困難的決心。
注:“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”