Движение связанных тел через неподвижный блок. Применение законов Ньютона к движению систем тел с учётом кинематических связей. Схема решения типовой задачи при движении связанных тел

При записи уравнений движения связанных тел необходимо иметь в виду, что второй закон Ньютона формулируется для тела (одного) массойm . Следовательно, при описании движения связанных тел уравнение движения должно быть записано для каждого тела в отдельности, а действие тел друг на друга определяется силой реакции опоры, натяжения нити и т. д.

Задача 10. На столе находится небольшой деревянный брусок массой 290 г, к которому привязана нить, перекинутая через невесомый блок, закрепленный на краю стола. Ко второму концу нити привязан груз массой 150 г. С каким ускорением будут двигаться эти тела, если коэффициент трения дерева о стол равен 0,32?

На брусок (рис. 10), расположенный на столе, очевидно (см. задачу 8), действуют четыре силы: сила тяжести; сила реакции опоры; сила натяжения нити и сила трения. На груз, подвешенный на нити, перекинутой через блок, очевидно (см. задачу 7), действуют две силы: сила тяжести и сила натяжения нити. для каждого из этих тел, полагая, что их размерами в данной задаче можно пренебречь:

Координатные оси можно выбрать отдельно для каждого тела, поскольку после взятия проекций в формулах останутся только модули векторов (их длины), которые одинаковы во всех системах координат. Возьмем проекции векторов на координатные оси, добавим формулу для силы трения и получим:

Поскольку движущиеся тела связаны, то за одинаковый промежуток времени они будут проходить одинаковое расстояние. Отсюда следует, что модули ускорений, с которыми движутся эти тела, одинаковы. Силы натяжения нити, приложенные к бруску и к грузу, возникают вследствие взаимодействия этих тел и по модулю равны друг другу (более подробное объяснение равенства модулей этих сил будет приведено при изучении вращательного движения тел).

Решение системы уравнений выполним в следующем порядке: из второго уравнения выразим силу реакции опоры и подставим в третье уравнение, а получившееся при этом выражение для силы трения подставим в первое:

Сложим левые и правые части уравнений системы, при этом в правой части полученного выражения взаимно уничтожится неизвестная сила натяжения нити, а затем выразим ускорение:

;

Ответ : тела будут двигаться с ускорением
.

1. Движение под действием переменных сил

Если силы, действующие на тело, при его движении изменяются с течением времени, то ускорение, с которым движется тело, не будет оставаться постоянным.Это обстоятельство делает невозможным использование формул кинематики равноускоренного движения и требует применения дифференциального и интегрального исчисления при решении задач такого типа.

Задача 11. Водный мотоцикл массой 160 кг (без водителя) движется по спокойной воде. После падения водителя на крутом вираже и автоматической остановки двигателя скорость мотоцикла при его дальнейшем движении по прямой за 4,5 с уменьшилась в 10 раз. Считая силу сопротивления движению пропорциональной скорости (
), найти коэффициент сопротивления.

Движение вод-ного мотоцикла пос-ле остановки двигателя происходит под действием трех сил: силы тяжести, направленной вертикально вниз, силы Архимеда, направленной вверх, и силы сопротивления, направленной противскорости. На основании второго закона Ньютона запишем уравнение движения :

.

Выберем ось Ox вдоль направления движения. Тогда для этой оси уравнение можно переписать с учетом того, что проекции силы тяжести и силы Архимеда на горизонтальную ось равны нулю, а проекция силы сопротивления
:

.

Из уравнения видно, что ускорение, с которым движется водный мотоцикл, не остается постоянным с течением времени, а изменяется вместе с изменением скорости. По определению для ускорения при одномерном движении и произвольном характере зависимости ускорения от времени можно записать:

(именно поэтому в уравнении не взяты проекции скорости и ускорения).

Подставляя формулу в уравнение, получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, в котором неизвестной является функция скорости от времени:

.

Разделим переменные и проинтегрируем обе части уравнения, полагая, что секундомер был включен в момент выключения двигателя:

.

С учетом формулы Ньютона-Лейбница и правил потенцирования, получим:

.

Если необходимо получить зависимость скорости от времени, то следует взять экспоненту от обеих частей выражения и применить к левой части основное логарифмическое тождество. В данной задаче искомую величину выразим непосредственно из формулы:

;

.

Ответ : коэффициент сопротивления движению
.

Класс: 10

Цели урока: учащиеся должны

• обобщить и систематизировать знания по данной теме.
• научиться применять их к решению задач повышенной сложности.

Задачи урока:

Образовательные задачи урока:

• Повторить основные законы динамики и кинематики с помощью решения задач.
• Продолжить работу над развитием умений работать с графиками.
• Продолжить работу над развитием умений решать количественные задачи по рассматриваемой теме.

Развивающие задачи:

• Развитие познавательного интереса к предмету посредством обучения учащихся переносить знания в практическую деятельность.
• Развитие умений применять полученные знания в новой ситуации.
• Развитие логического мышления учащихся, самостоятельности мышления.
• Продолжить работу над развитием умений решать физические задач.

Воспитательные задачи:

• Продолжить работу по воспитанию культуры научного труда посредством наблюдения, усвоения научной информации.
• Воспитание целеустремленности к процессам познания.
• Воспитание стремления к преодолению трудностей в процессе интеллектуальной деятельности.
• Аккуратность при оформлении чертежей;

I этап:

Цель: Организация учащихся для работы на уроке. Создание положительного эмоционального настроя на работу. Сообщение цели урока, форм организации их деятельности.

II этап:

Цель: Диагностика знаний учащихся, необходимых для решения задач.

а) Физический диктант.

Тело движется горизонтально под действием силы F = 2H, масса тела 2кг, ч = 0.2.

Уравнение движения тела x = 3+2t-0,5t 2

Зарисуйте все векторы.

Запишите II закон Ньютона в векторной форме.

Выберите оси координат и запишите закон в проекции на оси.

Найдите вес тела.

Найдите силу давления на поверхность.

Запишите уравнение зависимости V x (t).

Найдите силу трения F тр. (2 способа).

Ответы к физическому диктанту:

2) + тр + m + = m

3) F тр -? F = ma N - mg =0

4) P = N = mg P=20H

5) F g = N = 20H

6) V x = 2 - t 2

7) 1. F тр = чN N=mg F тр = чmg F тр =0,2*2кг*10м/с 2 = 4H

2. F тр = ma + F F тр = 1*2H+2H = 4H

После диктанта взаимоконтроль учащихся.

Оценка знаний: Все верно - "5"; 2 ошибки - "4"; 3 верных ответа - "2"

б) Проведем "аукцион" формул.

Учитель: продается лот.

На графике изображена зависимость V x (t) тела на горизонтальном участке. Извлеките максимум информации из него о движении этого тела.

Дано: m = 2кг

Правильный ответ - карточка. Четыре карточки - "5". Два помощника следят за быстротой поднятия рук.

Возможные варианты ответов.

По графику можно определить характер движения на участке

t (0,5) a 1 < 90 а 1 > 0 движение равноускоренное

t (5,10) a 2 > 90 а 2 < 0 движение равнозамедленное

Можно определить величину ускорения тела

а 1 = 2м/с 2 а 2 = -2 м/с 2 |а 1 |= |а 2 |

Определим перемещение на каждом участке S 1 = 25м S 2 = 25м

(двумя способами аналитически и графически)

Определим весь путь, пройденный телом (движение S 2 прямолинейно в одну сторону) S = S 1 + S 2 S=50м.

Определим среднюю скорость на всем пути V ср =S/t V ср = 5 м/с

На 1 участке равнодействующая сил направлена вдоль оси F 1 = 4H

На 2 участке равнодействующая сил направлена против оси F 2 = 4H

Можно записать зависимость V x (t)

Можно найти вес тела P = mg P = 20H

Подведение итогов. Выставление оценок. Поощрение хорошо работающих учеников.

III этап:

Цель: Закрепление и расширение знаний, умений и навыков в решении задач.

Задача №1.

Решает учитель у доски с комментариями учащихся.

Два груза, массы которых m 1 = 0.1кг; m 2 = 0.2кг связаны нитью и лежат на гладкой горизонтальной поверхности. К левому грузу приложена F 2 = 0,5H; к правому F 1 = 3H. Чему равна сила натяжения нити?

Изобразим все векторы сил действующие на тела.

Запишем уравнение II закона в векторной форме для каждого тела.

I тело 1 + 1 + + m 1 = m 1

II тело + 2 + 2 + m 2 = m 2

Каковы значения Т 1 и Т 2 ? Т 1 = Т 2 = Т Если ребята сомневаются, то опыт с резиной. Можно ли определить, кто натянул резину сильнее?

Запишем уравнение в проекциях на координатной оси.

ОХ: F 1 - Т = m 1 a ОХ: Т - F 2 = m 2 a

ОУ 1: N 1 - m 1 g = 0 ОУ2: N 2 - m 2 g = 0

Составляем систему: F 1 - Т = m 1 a

Т - F 2 = m 2 a

F 1 - F 2 = a(m 1 + m 2)

a = в уравнение Т = F 2 +

Дома сделайте вычисления, а так же выясните, изменится ли натяжение нити,если силы поменять местами.

На прошлом уроке я задала интересную задачу. Кто решил? Один из решивших оформляет решение на доске. В это время остальные учащиеся решают на местах задачу из сборника задач под редакцией Рымкевич № 312. С места один комментирует, другой расставляет силы на рисунке на доске.

Задача №2

Обращается внимание, что нити две, соответственно силы натяжения разные T 1 ?T 2

I тело: 1 + m 1 = m 1

II тело: 2 + + тр + 1 + m 2 = m 2

III тело: m 3 + 2 = m 3

0Y 1: T 1 -m 1 g = m 1 a

0X: T 2 - T 1 - F тр = m 2 a m 3 g - T 2 = m 3 a

0Y 2: N - m 2 g = 0 F тр = чN=чm 2 g

Составляем систему:

1) T 1 -m 1 g = m 1 a

2) T 2 - T 1 - чm 2 g = m 2 a

3) m 3 g - T 2 = m 3 a

m 3 g - m 1 g - чm 2 g = a(m 1 +m 2 +m 3)

g(2m-m-чm)=a(m+m+2m)

T 1 =m 1 (a+g) T 2 =m 3 (a+g)

Дома дорешайте в числах и найдите силу давления возникающую в оси левого блока (F g =N) (Силу реакции действующую на ось левого блока)

Задача №3

На гладком столе лежит брусок массой 2кг, на котором лежит тело 1кг. Какую силу нужно приложить к нижнему бруску, чтобы он двигался с а = g/2? Коэффициент трения между брусками 0,5.

IV этап.

Цель: Систематизировать знания с помощью алгоритма решения задач.

В ходе урока мы рассмотрели несколько задач. Давайте обобщим наши знания и вместе составим алгоритм решения задач такого типа. (Называют этапы учащиеся, учитель контролирует).

Записать краткое условие.

Сделать рисунок с указанием всех векторов.

Выбрать координатные оси для каждого тела в отдельности.

Найти проекции векторов на выбранные оси.

Написать второй закон в скалярной форме.

Составить систему уравнений (для каждого тела).

Решить её.

Оценить его "разумность".

В течение урока вы получили задание на дом:

Поменять F 1 и F 2 местами в задаче №1.

Найти силу реакции действующую на ось левого блока в задаче №2

Задача №313

А сейчас, в заключении нашего урока ещё раз проверьте свои ЗУН при работе с графиками и выполните тест. (Тест прилагается).

Проверяются ответы. Листочки с работами сдаются. Выставляются оценки активным участникам урока.

Цель урока: распространить решение прямой и обратной задачи механики на случай движения тела под действием нескольких сил и движение связанных тел.

Тип урока: комбинированный.

План урока: 1. Вступительная часть 1-2 мин.

2. Опрос 15 мин.

3. Объяснение 25 мин.

4. Задание на дом 2-3 мин.

II. Опрос фундаментальный: Движение под действием силы трения.

Задачи:

1. Чему должен быть равен минимальный коэффициент трения между шинами двух задних ведущих колес и поверхностью наклонной дороги с уклоном 30 0 , чтобы автомобиль мог двигаться по ней вверх с ускорением 0,6 м/с 2 ? Нагрузка на колеса распределена равномерно. Размерами автомобиля пренебречь.

2. Брусок массой m из состояния покоя под действием силы F, направленной вдоль горизонтального стола, начинает двигаться по его поверхности. Через время Δt 1 действие силы F прекращается и, спустя время Δt 2 после этого, брусок останавливается. Чему равна сила трения, действующая на брусок во время движения? На какое расстояние брусок переместится за все время движения?

3. Два шарика одного и того же диаметра, имеющие массы 1 кг и 2 кг, связаны между собой легкой и длинной нерастяжимой нитью. Шарика сбросили с достаточно большой высоты над Землей. Найдите натяжение нити при установившемся падении шариков.

Вопросы:

1. Чем объяснить, что при буксовании колес тепловоза или автомобиля сила тяги значительно падает?
2. Равно ли время подъема камня, брошенного вертикально вверх, времени его падения?
3. Можно ли измерить среднюю скорость ветра, бросая с некоторой высоты легкий предмет. Например, кусочек ваты?
4. Если локомотив не может сдвинуть тяжелый поезд с места, то машинист применяет следующий прием: он дает задний ход и, толкнув состав немного назад, затем дает передний ход. Объясните.
5. Скрип дверных петель и пение скрипки объясняется тем, что максимальная сила трения покоя больше силы трения скольжения. Так ли это?
6. Почему скорость дождевых капель не зависит от высоты туч и сильно зависит от размеров капель?
7. Скорость падения капель одного ливня может различаться в 10 раз. Почему?
8. Почему взлет и посадка самолета всегда производится против ветра?
9. Камень брошен вертикально вверх. В каких точках траектории камень будет иметь максимальное ускорение, если сопротивление воздуха растет с увеличением скорости камня? Как будет изменяться скорость камня?

III . Объясните на примерах задач, решаемых учителем.

Задачи:

1. С каким ускорением движется брусок по наклонной плоскости с углом наклона 30 о при коэффициенте трения 0,2? При каком условии брусок будет скользить (tgα ≥ μ )? Рассмотреть оба случая: движение вверх, движение вниз.

2. Устройство, показанное на рис. 1, в котором два груза поддерживаются блоком, называется машиной Атвуда. Считая, что блок не обладает ни массой, ни трением, вычислите: а) ускорение системы; б) натяжение нити. Проверка справедливости второго закона Ньютона и измерение ускорения свободного падения с помощью машины Атвуда.

Найдите ускорение груза массой $3m$ в системе, состоящей из неподвижного блока и подвижного блока. Массами блоков и трением в их осях пренебречь. Нить, переброшенная через блоки, невесома и нерастяжима. Ускорение свободного падения $g$.

Решение

Выберем систему отсчета, связанную с неподвижным блоком. Систему координат выберем так, как показано на рисунке (ось координат $Oy$ выделена красным цветом ). Это инерциальная система отсчета, так как она неподвижна по отношению к Земле. В ней выполняются законы Ньютона.

1) Нарисуем силы, действующие на тело массой $m$ (на рисунке обозначены синим цветом ): $m\vec{g_{}}$ - сила тяжести, всегда направленная вертикально вниз; $\vec{T_{}}$ - сила натяжения нити, направленная по нити от тела.

2) Нарисуем силы, действующие систему, состоящую из тела массой $3m$ и подвижного блока (на рисунке обозначены зеленым цветом ): $3m\vec{g_{}}$ - сила тяжести; $\vec{T_{}}$ - сила натяжения нити, направленная по нити от тела.

Предположим, что грузы движутся так, как показано на рисунке. Ускорение груза массой $3m$ обозначим $\vec{a_1}$, а груза массой $m$ - $\vec{a_2}$.

3) По второму закону Ньютона для тела массой $m$: $\,\vec{R_2}=m\vec{a_2}$, то есть $m\vec{g_{}}+\vec{T_{ } }=m\vec{a_2}$.

В проекции на ось $Oy$:

$T-mg=ma_2\,\, (1). $

4) По второму закону Ньютона для тела массой $3m$: $\,\vec{R_1}=3m\vec{a_1}$, то есть $3m\vec{g_{}}+2\vec{T_{ } }=3m\vec{a_1}$.

В проекции на ось $Oy$:

$2T-3mg=-3ma_1\,\, (2).$

5) Чтобы найти связь ускорений $a_1$ и $a_2$ нужно разобраться с кинематической связью тел. Подвижный блок дает выигрыш в силе в два раза. Согласно золотому правилу механики, во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Это означает, что если тело массой $3m$ опустится на расстояние $x$, то тело массой $m$ поднимется на $2x$, следовательно.

Урок решение задач «Движение связанных тел»

10 класс

Учитель Смирнова С.Г.

г. Саранск, МОУ «Луховский лицей»

Тип урока : Урок-практикум.

Цель урока: Привить умение применять законы Ньютона при решении комбинированных расчетных задач

Задачи урока:

Образовательные: повторить законы Ньютона, привить умение определять равнодействующую сил при движении по наклонной плоскости. При движении связанных тел.

Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки самостоятельной и парной работы.

Воспитательные формировать целостное представление обучающихся о мире (природе, обществе и самом себе), о роли и месте физики в системе наук.

Оборудование: компьютер учителя, мультимедийный проектор, Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.

Ход урока

1. Орг.момент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: Решение задач « Движение связанных тел»

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к решению задач, предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

Сформулируйте законы Ньютона

Нарисуйте наклонную плоскость, покажите все силы, действующие на тело при втаскивании тела вверх

Определите проекции этих сил на выбранные вами оси координат

3. Решение задач.

З адача 1. Груз массой 1 кг, лежащий на столе, связан лёгкой нерастяжимой нитью, переброшенной через идеальный блок, с грузом массой 0,25 кг. На первый груз действует горизонтальная постоянная сила F, равная по модулю 1 Н (см. рисунок). При этом второй груз движется с ускорением 0,8 м/с2, направленным вниз. Каков коэффициент трения скольжения первого груза по поверхности стола?

Решение.

Два груза связаны между собой нерастяжимой нитью через блок. На первый груз действует сила Н и сила трения , направленная в противоположную сторону движения груза. На второй груз действует только сила тяжести, равная Н. Равнодействующая этих тел равна силе , которая вызывает движение системы из двух грузов с ускорением . Тогда, согласно второму закону Ньютона можно записать:

где - массы первого и второго грузов соответственно. Отсюда находим силу трения:

и коэффициент трения равен

.

Ответ: 0,05.

Задача 2. Грузы массами M = 1 кг и m связаны лёгкой нерастяжимой нитью, переброшенной через блок, по которому нить может скользить без трения (см. рисунок). Груз массой М находится на шероховатой наклонной плоскости (угол наклона плоскости к горизонту α = 30°, коэффициент трения µ = 0,3). Чему равно максимальное значение массы m, при котором система грузов ещё не выходит из первоначального состояния покоя?

Решение.

1. Если масса m достаточно велика, но грузы ещё покоятся, то сила трения покоя, действующая на груз массой M, направлена вниз вдоль наклонной плоскости (см. рисунок).

2. Будем считать систему отсчёта, связанную с наклонной плоскостью, инерциальной. Запишем второй закон Ньютона для каждого из покоящихся тел в проекциях на оси введённой системы координат:

Учтём, что T1 = Т2 = Т (нить лёгкая, между блоком и нитью трения нет), (сила трения покоя). Тогда Т = mg, , , и мы приходим к неравенству с решением . Таким образом,

кг.

Задача 3. В установке, изображённой на рисунке, грузик А соединён перекинутой через блок нитью с бруском В, лежащим на горизонтальной поверхности трибометра, закреплённого на столе. Грузик отводят в сторону, приподнимая его на высоту h, и отпускают. Длина свисающей части нити равна L, Какую величину должна превзойти масса грузика, чтобы брусок сдвинулся с места в момент прохождения грузиком нижней точки траектории? Масса бруска М, коэффициент трения между бруском и поверхностью µ. Трением в блоке, а также размерами блока пренебречь.

Брусок сдвигается с места при условии, что сила, действующая на него со стороны нити, станет больше максимальной силы трения покоя: , . Второй закон Ньютона для грузика в нижнем положении:

. (1)

Закон сохранения механической энергии:

, . (2)