牛顿第二定律是高考物理学重要的组成部分 ,同时也是解决力学问题的基石,它具有独立性、矢量性、瞬时性等特性,其中瞬时性与临界性是同学们理解的 难点。由牛顿第二定律可知加速度是由合外力决定的。当合外力恒定时,加速度恒定、合外力随时间变化时,加速度也随时间变化,且瞬时力决定瞬时加速 度。这就是牛顿第二定律的瞬时性。求物体在某一时刻的 瞬时加速度,关键是求瞬时前后的受力情况,并由牛顿第二定律求出瞬时加速度。在应用牛顿第二定律求解物体的瞬时加速度时,经常会遇到轻绳、轻杆、轻弹簧和橡皮条等常见的力学模型。这此模型的共同点:都是质量可忽略的理想化模型,都会发生形变而产生弹力,同一时刻内部弹力处处相等且与运动状态无关。下面通过四种 类型的瞬间情景来认识和突破此类问题。
见证奇迹情景之一:弹簧与绳子上弹力突变的瞬间
【调研1】如下图A和图B,当水平绳子剪断的瞬间,求作用在小球上的弹力大小以及小球的加速度。
【解析】对图A,未剪断左边绳子时,其拉力为mgtanθ,剪断后斜绳拉力瞬间可以突变,但小球即将做圆周运动,因瞬间速度为零,故向心加速度为零,则沿着半径方向有:TA1=mgcosθ,切线方向由牛顿第二定律:mgsinθ=ma,故小球的加速度与水平夹角为θ,大小为gsinθ;对图B,未剪断绳子时,左边绳子拉力为mgtanθ,弹簧弹力为mgcosθ ,剪断绳子的瞬间,弹簧弹力瞬间不会突变(其形变是可以观察的明显变化过程