隔离法在高中物理中的应用探索

【摘要】隔离法是解决高中物理问题的重要方法，体现了从一般到特殊的思维过程.通过隔离法可以弄清物体局部的受力情况和运动情况，再从整体的角度建立物理量之间的联系.本文结合几道例题探索隔离法在高中物理中的实践运用，以供读者参考.

【关键词】 隔离法；高中物理；解题技巧

1 隔离法解决摩擦力问题

例1 如图1所示，质量M=10kg，倾角θ=30°的斜面ABC静止放在粗糙的水平地面上，斜面与地面间的动摩擦因数μ=0.02.有一质量m=0.1kg的物体由静止状态沿着斜面下滑，当滑行的路程s=1.4m时，其速度v=1.4m/s，在滑行的过程中斜面与地面之间没有相对滑动.试求地面对斜面间的摩擦力.（g取10m/s2）.

解 易知物体在斜面上的运动是匀加速直线运动，由v2=2as得a=v22s=0.7m/s2.

而a<gsinθ=5m/s2，可知物体受到斜面给的斜向上的摩擦力f1.

隔离物体m，对m进行受力分析，如图2所示，由牛顿第二定律可知mgsinθ－f1=ma，mgcosθ－N1=0，

隔离斜面，对斜面进行受力分析，如图3所示，地面对斜面的摩擦力为f2，假设其方向水平向左，则由物块受力平衡可知f′1cosθ+f2=N′1sinθ，其中f1=f′1，N1=N′1.

由此可得f2=macosθ=0.06N，满足假设，其方向水平向左.

评注 本题中有两个研究对象：物体和斜面，斜面是静止的，物体是在运动的，所以可以先将物体隔离出来进行研究，分析其受力情况，从而得到斜面和物体之间的摩擦力.而物体因为其处于静止状态，所以受力平衡，就可以利用正交分解法将关于力的等式列出来，从而最终得到摩擦力的大小，并通过值的正负判断受力方向.

2 隔离法解决压力变化问题

例2 如图4所示，光滑的斜面上放置一个竖直挡板MN，并靠近两个钢球P、Q，两球最初处于静止状态，若将挡板MN绕N端缓慢转至于斜面垂直的方向，则在转动的过程中，P、Q钢球之间压力的变化情况是（ ）

（A）一直增大. （B）一直减小.

（C）先增大后减小. （D）一直不变.

解 本题研究的P，Q钢球之间压力是系统的内力，所以可以用隔离法分析.

隔离的对象选择P，因为从已知条件可知P受力的个数较少，其只受到斜面的支持力、重力、钢球Q的弹力共三个力的作用.

因为其处于静止状态，所以受力平衡，三个力的合力为零.在挡板移动的过程中，重力的大小和方向均不变，钢球Q对钢球P的弹力方向不变，斜面对钢球P的支持力方向不变，所以分解重力的两个方向均不变，所以（D）选项正确.

评注 对于这类压力变化类问题，要从内力的角度分析，找到其中的不变量，并通过将力分解的方式观察各个力在变化的过程中在分解方向上分力的变化情况，由此得出答案.而对于此类问题，运用隔离法的研究对象一般是受力个数较少的物体.

3 隔离法解决瞬时性问题

例3 如图5所示，弹簧S1上端固定在天花板上，下端连着一个物块A，物块A和B之间用一根细线相连，物块B和物块C之间用弹簧S2相连.设物块A，B，C的质量分别为mA，mB，mC，弹簧和线的质量忽略不计.初始时三者都处于静止状态，现将物块A，B之间的线突然剪断，求线刚被剪断时A，B，C三者的加速度.

解 未剪断线前，S1的弹力F1=（mA+mB+mC）g，S2的弹力F2=mCg.

线刚被剪断的瞬间，弹簧长度不变，则F1，F2的大小不变，线拉力为零.

设此时物块A，B，C的加速度大小分别为aA，aB，aC对物块B、C分别进行受力分析，受力情况如图6所示，

则F1－mAg=mAaA，

F′2－mBg=mBaB，

F2－mCg=mCaC，

F′2=F2.

解以上各式可得aA=mB+mCmAg（方向竖直向上），

aB=mB+mCmBg（方向竖直向下），

aC=0.

评注 弹力并不是瞬时力，因此在线被剪断的瞬间，弹簧的长度均未发生变化，所以弹簧对物体的弹力不变，再运用隔离法分别列出每个物体的运动方程，联立即可求解.

4 结语

研究对象、研究过程的选择很大程度上会影响问题求解的繁琐程度.灵活运用隔离法，可以帮助学生更好地分析局部的物理量变化情况，实现难点的逐个突破，使解题思路更加清晰.在运用隔离法时还要适当结合整体法，加深对于研究对象的性质理解.在此过程中，能有效提高学生解决问题的能力.