题目
一轻绳跨过一定滑轮,两端各系一重物,它们的质量分别为(m)_(1)和(m)_(2),且(m)_(1)gt (m)_(2)(滑轮质量及一切摩擦均不计),此时系统的加速度大小为a,今用一竖直向下的恒力F=(m)_(1)g代替(m)_(1),系统的加速度大小为a',则有( )A. a'=aB. a'gt aC. a'lt aD. 条件不足,无法确定
一轻绳跨过一定滑轮,两端各系一重物,它们的质量分别为${m}_{1}$和${m}_{2}$,且${m}_{1}\gt {m}_{2}$(滑轮质量及一切摩擦均不计),此时系统的加速度大小为a,今用一竖直向下的恒力$F={m}_{1}g$代替${m}_{1}$,系统的加速度大小为$a'$,则有(   )
A. $a'=a$
B. $a'\gt a$
C. $a'\lt a$
D. 条件不足,无法确定
题目解答
答案
B. $a'\gt a$
解析
本题考查定滑轮系统中加速度的比较,关键在于理解恒力替代重物时系统受力的变化。原系统中,两物体的质量差导致加速度;替换后,恒力直接作用于绳子,需重新分析受力,比较两种情况下的加速度表达式。
核心思路:
- 原系统加速度计算:利用整体法,两物体质量差产生的合力驱动系统运动。
- 替换后系统分析:恒力替代重物后,系统受力简化为恒力与物体重量的差值,此时仅剩一个物体参与运动。
- 比较加速度:通过数学推导,对比两种情况下的加速度表达式,判断大小关系。
原系统加速度分析
原系统中,质量分别为$m_1$和$m_2$的物体通过轻绳连接,加速度为$a$。根据牛顿第二定律:
- 整体法:系统总质量为$m_1 + m_2$,合力为$(m_1 - m_2)g$,故加速度为:
 $a = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_1 + m_2}$
替换后系统加速度分析
用恒力$F = m_1g$代替$m_1$后,系统仅剩质量$m_2$的物体运动:
- 受力分析:恒力$F$向下,物体$m_2$受重力$m_2g$向上,绳子张力$T = F$(恒力直接作用于绳子)。
- 牛顿第二定律:对$m_2$,有:
 $T - m_2g = m_2 a'$
 代入$T = F = m_1g$,得:
 $a' = \frac{m_1g - m_2g}{m_2} = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_2}$
加速度比较
比较$a$和$a'$的表达式:
- 原加速度:$a = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_1 + m_2}$
- 新加速度:$a' = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_2}$
由于$m_1 > m_2$,分母$m_2 < m_1 + m_2$,故$a' > a$。