题目
一轻绳跨过一个定滑轮,两端各系一质量分别为m1和m2的重物,且m1>m2.滑轮质量及轴上摩擦均不计,此时重物的加速度的大小为a.今用一竖直向下的恒力F=m1g代替质量为m1的物体,可得质量为m2的重物的加速度为的大小a′,则A. a′=aB. a′ >aC. a′ D. 无法确定
一轻绳跨过一个定滑轮,两端各系一质量分别为m1和m2的重物,且m1>m2.滑轮质量及轴上摩擦均不计,此时重物的加速度的大小为a.今用一竖直向下的恒力F=m1g代替质量为m1的物体,可得质量为m2的重物的加速度为的大小a′,则
A. a′=a
B. a′ >a
C. a′ D. 无法确定
题目解答
答案
B. a′ >a
解析
考查要点:本题主要考查牛顿第二定律在连接体问题中的应用,以及恒力替代重物时系统加速度的变化分析。
解题核心思路:
- 原系统分析:两物体通过轻绳连接,滑轮质量不计,系统加速度由两物体的重力差驱动,需联立牛顿第二定律方程求解。
- 新系统分析:用恒力$F = m_1g$替代$m_1$后,系统受力发生变化,需重新分析$m_2$的受力,确定新的加速度。
- 关键比较:通过比较两种情况下加速度的表达式,判断$a'$与$a$的大小关系。
破题关键点:
- 原系统加速度公式:$a = \frac{(m_1 - m_2)}{m_1 + m_2}g$。
- 新系统加速度公式:$a' = \frac{F - m_2g}{m_2} = \frac{(m_1 - m_2)}{m_2}g$。
- 分母差异:原系统分母为$m_1 + m_2$,新系统分母为$m_2$,因$m_1 > m_2$,故$a' > a$。
原系统分析
- 受力分析:
- 对$m_1$:$m_1g - T = m_1a$
- 对$m_2$:$T - m_2g = m_2a$
- 联立方程:
消去张力$T$,得:
$a = \frac{m_1g - m_2g}{m_1 + m_2} = \frac{(m_1 - m_2)}{m_1 + m_2}g$
新系统分析
- 受力分析:
- 恒力$F = m_1g$向下拉绳子,对$m_2$:$F - T' = m_2a'$
- 绳子张力$T' = m_2g + m_2a'$
- 直接求解:
由牛顿第二定律,系统总合力为$F - m_2g$,故:
$a' = \frac{F - m_2g}{m_2} = \frac{m_1g - m_2g}{m_2} = \frac{(m_1 - m_2)}{m_2}g$
比较$a$与$a'$
- 原系统:$a = \frac{(m_1 - m_2)}{m_1 + m_2}g$
- 新系统:$a' = \frac{(m_1 - m_2)}{m_2}g$
- 分母对比:$m_1 + m_2 > m_2$,因此$a' > a$。