牛顿第二定律以及专题训练.doc

牛顿第二定律1.牛顿第二定律的表述（内容）物体的加速度跟物体所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同，公式为：F=ma （其中的F和m、a必须相对应）。对牛顿第二定律理解：（1）F=ma中的F为物体所受到的合外力（2）Fma中的m，当对哪个物体受力分析，就是哪个物体的质量，当对一个系统（几个物体组成一个系统）做受力分析时，如果F是系统受到的合外力，则m是系统的合质量（3）Fma中的 F与a有瞬时对应关系， F变a则变，F大小变，a则大小变，F方向变a也方向变（4）Fma中的 F与a有矢量对应关系， a的方向一定与F的方向相同。（5）Fma中，可根据力的独立性原理求某个力产生的加速度，也可以求某一个方向合外力的加速度若F为物体受的合外力，那么a表示物体的实际加速度；若F为物体受的某一个方向上的所有力的合力，那么a表示物体在该方向上的分加速度；若F为物体受的若干力中的某一个力，那么a仅表示该力产生的加速度，不是物体的实际加速度。（6）Fma中，F的单位是牛顿，m的单位是千克，a的单位是米秒2（7）Fma的适用范围：宏观、低速2.应用牛顿第二定律解题的步骤 明确研究对象。可以以某一个物体为对象，也可以以几个物体组成的质点组为对象。设每个质点的质量为mi，对应的加速度为ai，则有：F合=m1a1+m2a2+m3a3+mnan对这个结论可以这样理解：先分别以质点组中的每个物体为研究对象用牛顿第二定律：F1=m1a1，F2=m2a2，Fn=mnan，将以上各式等号左、右分别相加，其中左边所有力中，凡属于系统内力的，总是成对出现的，其矢量和必为零，所以最后实际得到的是该质点组所受的所有外力之和，即合外力F。 对研究对象进行受力分析。（同时还应该分析研究对象的运动情况（包括速度、加速度），并把速度、加速度的方向在受力图旁边画出来。 若研究对象在不共线的两个力作用下做加速运动，一般用平行四边形定则（或三角形定则）解题；若研究对象在不共线的三个以上的力作用下做加速运动，一般用正交分解法解题（注意灵活选取坐标轴的方向，既可以分解力，也可以分解加速度）。 当研究对象在研究过程的不同阶段受力情况有变化时，那就必须分阶段进行受力分析，分阶段列方程求解。解题要养成良好的习惯。只要严格按照以上步骤解题，同时认真画出受力分析图，那么问题都能迎刃而解。3. 应用举例【例1】质量为m的物体放在水平地面上，受水平恒力F作用，由静止开始做匀加速直线运动，经过ts后，撤去水平拉力F，物体又经过ts停下，求物体受到的滑动摩擦力f【解析】物体受水平拉力F作用和撤去F后都在水平面上运动，因此，物体在运动时所受滑动磨擦力f大小恒定我们将物体的运动分成加速和减速两个阶段来分析时，两段的加速度均可以用牛顿第二定律得出，然后可由运动学规律求出加速度之间的关系，从而求解滑动摩擦力 分析物体在有水平力F作用和撤去力F以后的受力情况，根据牛顿第二定律F合=ma， 则加速阶段的加速度a1=（Ff）/m经过ts后，物体的速度为v=a1t撤去力F后，物体受阻力做减速运动，其加速度a2=f/m因为经ts后，物体速度由v减为零，即02一a2t依、两式可得a1=a2，依、可得（Ff）/m= f/m可求得滑动摩擦力f=F 【典型题型】例1如图所示，mA=1kg，mB=2kg，A、B间静摩擦力的最大值是5N，水平面光滑。用水平力F拉B，当拉力大小分别是F=10N和F=20N时，A、B的加速度各多大？AB F【解析】解：先确定临界值，即刚好使A、B发生相对滑动的F值。当A、B间的静摩擦力达到5N时，既可以认为它们仍然保持相对静止，有共同的加速度，又可以认为它们间已经发生了相对滑动，A在滑动摩擦力作用下加速运动。这时以A为对象得到a =f/mA =5m/s2，再以A、B系统为对象得到 F =（mA+mB）a =15N当F=10N15N时，A、B间一定发生了相对滑动，用质点组牛顿第二定律列方程：，而a A=f/mA =5m/s2，于是可以得到a B =7.5m/s2例2如图所示，m =4kg的小球挂在小车后壁上，细线与竖直方向成37角。当：小车以a=g向右加速；小车以a=g向右减速时，分别求细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大？【解析】解：向右加速时小球对后壁必然有压力，球在三个共点力作用下向右加速。合外力向右，F2向右，因此G和F1的合力一定水平向左，所以 F1的大小可以用平行四边形定则求出：F1=50N，可见向右加速时F1的大小与a无关；F2可在水平方向上用牛顿第二定律列方程：F2-0.75G =ma计算得F2=70N。可以看出F2将随a的增大而增大。（这种情况下用平行四边形定则比用正交分解法简单。） 必须注意到：向右减速时，F2有可能减为零，这时小球将离开后壁而“飞”起来。这时细线跟竖直方向的夹角会改变，因此F1的方向会改变。所以必须先求出这个临界值。当时G和F1的合力刚好等于ma，所以a的临界值为。当a=g时小球必将离开后壁。不难看出，这时F1=mg=56N， F2=0F2F1GavF1Gva例3如图所示，在箱内的固定光滑斜面（倾角为）上用平行于斜面的细线固定一木块，木块质量为m。当箱以加速度a匀加速上升时，箱以加速度a匀加速向左时，分别求线对木块的拉力F1和斜面对箱的压力F2【解析】解：a向上时，由于箱受的合外力竖直向上，重力竖直向下，所以F1、F2的合力F必然竖直向上。可先求F，再由F1=Fsin和F2=Fcos求解，得到：F1=m(g+a)sin，F2=m(g+a)cos 显然这种方法比正交分解法简单。FF2F1a vGvaaxayF2F1GGxGyxya向左时，箱受的三个力都不和加速度在一条直线上，必须用正交分解法。可选择沿斜面方向和垂直于斜面方向进行正交分解，（同时也正交分解a），然后分别沿x、y轴列方程求出F1、F2：F1=m(gsin-acos)，F2=m(gcos+asin) 经比较可知，这样正交分解比按照水平、竖直方向正交分解列方程和解方程都简单。 还应该注意到F1的表达式F1=m(gsin-acos)显示其有可能得负值，这意味这绳对木块的力是推力，这是不可能的。可见这里又有一个临界值的问题：当向左的加速度agtan时F1=m(gsin-acos)沿绳向斜上方；当agtan时木块和斜面不再保持相对静止，而是相对于斜面向上滑动，绳子松弛，拉力为零。例4如图所示，质量为m=4kg的物体与地面间的动摩擦因数为=0.5，在与水平成=37角的恒力F作用下，从静止起向右前进t1=2s后撤去F，又经过t2=4s物体刚好停下。求：F的大小、最大速度vm、总位移sF【解析】解：由运动学知识可知：前后两段匀变速直线运动的加速度a与时间t成反比，而第二段中mg=ma2，加速度a2=g=5m/s2，所以第一段中的加速度一定是a1=10m/s2。再由方程可求得：F=54.5N 第一段的末速度和第二段的初速度相等都是最大速度，可以按第二段求得：vm=a2t2=20m/s 又由于两段的平均速度和全过程的平均速度相等，所以有m需要引起注意的是：在撤去拉力F前后，物体受的摩擦力发生了改变。连接体（质点组） 在应用牛顿第二定律解题时，有时为了方便，可以取一组物体（一组质点）为研究对象。这一组物体可以有相同的速度和加速度，也可以有不同的速度和加速度。以质点组为研究对象的好处是可以不考虑组内各物体间的相互作用，这往往给解题带来很大方便。使解题过程简单明了。例5如图A、B两木块的质量分别为mA、mB，在水平推力F作用下沿光滑水平面匀加速向右运动，求A、B间的弹力FN。vFaA B【解析】解：这里有a、FN两个未知数，需要建立两个方程，要取两次研究对象。比较后可知分别以B、（A+B）为对象较为简单（它们在水平方向上都只受到一个力作用）。可得这个结论还可以推广到水平面粗糙时（A、B与水平面间相同）；也可以推广到沿斜面方向推A、B向上加速的问题，有趣的是，答案是完全一样的。例6如图，倾角为的斜面与水平面间、斜面与质量为m的木块间的动摩擦因数均为，木块由静止开始沿斜面加速下滑时斜面仍保持静止。求水平面给斜面的摩擦力大小和方向。【解析】解：以斜面和木块整体为研究对象，水平方向仅受静摩擦力作用，而整体中只有木块的加速度有水平方向的分量。可以先求出木块的加速度，再在水平方向对质点组用牛顿第二定律，很容易得到： 【即境活用】1关于物体运动状态的改变，下列说法中正确的是 A物体运动的速率不变，其运动状态就不变 B物体运动状态的改变包括两种情况：一是由静止到运动，二是由运动到静止 C物体运动的加速度不变，其运动状态就不变 D物体的运动速度不变，我们就说它的运动状态不变【解析】D2关于运动和力，正确的说法是 A物体速度为零时，合外力一定为零B物体作曲线运动，合外力一定是变力 C物体作直线运动，合外力一定是恒力 D物体作匀速直线运动，合外力一定为零【解析】D3在光滑水平面上的木块受到一个方向不变，大小从某一数值逐渐变小的外力作用时，木块将作 A匀减速运动 B匀加速运动 C速度逐渐减小的变加速运动 D速度逐渐增大的变加速运动【解析】D4在牛顿第二定律公式F=kma中，比例常数k的数值： A在任何情况下都等于1Bk值是由质量、加速度和力的大小决定的Ck值是由质量、加速度和力的单位决定的D在国际单位制中，k的数值一定等于1【解析】D5如图1所示，一小球自空中自由落下，与正下方的直立轻质弹簧接触，直至速度为零的过程中，关于小球运动状态的下列几种描述中，正确的是 A接触后，小球作减速运动，加速度的绝对值越来越大，速度越来越小，最后等于零B接触后，小球先做加速运动，后做减速运动，其速度先增加后减小直到为零C接触后，速度为零的地方就是弹簧被压缩最大之处，加速度为零的地方也是弹簧被压缩最大之处D接触后，小球速度最大的地方就是加速度等于零的地方【解析】BD6在水平地面上放有一三角形滑块，滑块斜面上有另一小滑块正沿斜面加速下滑，若三角形滑块始终保持静止,如图2所示则地面对三角形滑块 A有摩擦力作用，方向向右B有摩擦力作用，方向向左C没有摩擦力作用 D无法判断【解析】B7 设雨滴从很高处竖直下落，所受空气阻力f和其速度v成正比则雨滴的运动情况 A先加速后减速，最后静止 B先加速后匀速 C先加速后减速直至匀速 D加速度逐渐减小到零【解析】BD8放在光滑水平面上的物体，在水平拉力F的作用下以加速度a运动，现将拉力F改为2F（仍然水平方向），物体运动的加速度大小变为a则 Aa=a Baa2a Ca=2a Da2a【解析】C9一物体在几个力的共同作用下处于静止状态现使其中向东的一个力F的值逐渐减小到零，又马上使其恢复到原值（方向不变），则 A物体始终向西运动 B物体先向西运动后向东运动 C物体的加速度先增大后减小 D物体的速度先增大后减小【解析】AC10下面几个说法中正确的是 A静止或作匀速直线运动的物体，一定不受外力的作用 B当物体的速度等于零时，物体一定处于平衡状态C当物体的运动状态发生变化时，物体一定受到外力作用 D物体的运动方向一定是物体所受合外力的方向【解析】C11关于惯性的下列说法中正确的是 A物体能够保持原有运动状态的性质叫惯性B物体不受外力作用时才有惯性C物体静止时有惯性，一开始运动，不再保持原有的运动状态，也就失去了惯性D物体静止时没有惯性，只有始终保持运动状态才有惯性【解析】A12. 一个在水平地面上做直线运动的物体,在水平方面只受摩擦力f的作用,当对这个物体施加一个水平向右的推力F作用时,下面叙述的四种情况,不可能出现的是 A. 物体向右运动,加速度为零 B. 物体向左运动,加速度为零 C. 物体加速度的方向向右 D. 物体加速度的方向向左【解析】BD13一人在车厢中把物体抛出下列哪种情况，乘客在运动车厢里观察到的现象和在静止车厢里观察到的现象一样 A车厢加速行驶时 B车厢减速行驶时 C车厢转弯时 D车厢匀速直线行驶时【解析】D 14.在火车的车厢内，有一个自来水龙头C第一段时间内，水滴落在水龙头的正下方B点，第二段时间内，水滴落在B点的右方A点，如图3-1所示那么火车可能的运动是 【提示：水滴落在B的右方，说明火车的加速度方向向左，可能是向左做加速运动或向右做减速运动】A先静止，后向右作加速运动 B先作匀速运动，后作加速运动C先作匀速运动，后作减速运动 D上述三种情况都有可能【解析】BC15、如图所示，轻绳跨过定滑轮（与滑轮问摩擦不计）一端系一质量为m的物体，一端用PN的拉力，结果物体上升的加速度为a1，后来将PN的力改为重力为PN的物体，m向上的加速度为a2则（ ） Aa1a2 ；Ba1a2 ；C、a1a2 ；D无法判断【解析】简析：a1P/m，a2=p/（m）所以a1a2注意： Fma关系中的m为系统的合质量牛顿第二定律专题一、突变类问题（力的瞬时性）（1）物体运动的加速度a与其所受的合外力F有瞬时对应关系，每一瞬时的加速度只取决于这一瞬时的合外力，而与这一瞬时之前或之后的力无关，不等于零的合外力作用的物体上，物体立即产生加速度；若合外力的大小或方向改变，加速度的大小或方向也立即（同时）改变；若合外力变为零，加速度也立即变为零（物体运动的加速度可以突变）。（2）中学物理中的“绳”和“线”，是理想化模型，具有如下几个特性： A轻：即绳（或线）的质量和重力均可视为等于零，同一根绳（或线）的两端及其中间各点的张为大小相等。B软：即绳（或线）只能受拉力，不能承受压力（因绳能变曲），绳与其物体相互间作用力的方向总是沿着绳子且朝绳收缩的方向。C不可伸长：即无论绳所受拉力多大，绳子的长度不变，即绳子中的张力可以突变。（3）中学物理中的“弹簧”和“橡皮绳”，也是理想化模型，具有如下几个特性：A轻：即弹簧（或橡皮绳）的质量和重力均可视为等于零，同一弹簧的两端及其中间各点的弹力大小相等。B弹簧既能承受拉力，也能承受压力（沿着弹簧的轴线），橡皮绳只能承受拉力。不能承受压力。C、由于弹簧和橡皮绳受力时，要发生形变需要一段时间，所以弹簧和橡皮绳中的弹力不能发生突变。【例1】如图（a）所示，一质量为m的物体系于长度分别为l1、12的两根细绳上，l1的一端悬挂在天花板上，与竖直方向夹角为,l2水平拉直，物体处于平衡状态，现将l2线剪断，求剪断瞬间物体的加速度。（1)下面是某同学对该题的一种解法： 设l1线上拉力为FT1，l2 线上拉力为FT2，重力为mg,物体在三力作用下保持平衡：FT 1 cosmg，FT 1sinFT2，FT2mgtan剪断线的瞬间，FT2突然消失，物体即在FT2,反方向获得加速度因为mgtan=ma,所以加速度agtan，方向在FT2反方向。你认为这个结果正确吗？请对该解法作出评价并说明（2） 若将图a中的细线11改为长度相同、质量不计的轻弹簧，如图b所示，其他条件不变，求解的步骤与（1）完全相同，即a=gtan,你认为这个结果正确吗？请说明理由 【解析】(1)结果不正确因为12被剪断的瞬间,11上张力的大小发生了突变，此瞬间FT1=mgcos,它与重力沿绳方向的分力抵消，重力垂直于绳方向的分力产生加速度:a=gsin。(2) 结果正确，因为l2被剪断的瞬间，弹簧11的长度不能发生突变，FT 1的大小方向都不变，它与重力的合力大小与FT2方向相反，所以物体的加速度大小为：a=gtan。二 、翰林汇翰林汇翰林汇翰林汇动力学的两类基本问题 1、已知物体的受力情况求物体运动中的某一物理量：应先对物体受力分析，然后找出物体所受到的合外力，根据牛顿第二定律求加速度a，再根据运动学公式求运动中的某一物理量2、已知物体的运动情况求物体所受到的某一个力：应先根据运动学公式求得加速度a，再根据牛顿第二定律求物体所受到的合外力，从而就可以求出某一分力 综上所述，解决问题的关键是先根据题目中的已知条件求加速度a，然后再去求所要求的物理量，加速度象纽带一样将运动学与动力学连为一体【例1】如图所示，水平传送带A、B两端相距S3.5m，工件与传送带间的动摩擦因数=0.1。工件滑上A端瞬时速度VA4 m/s,达到B端的瞬时速度设为vB。(1)若传送带不动，vB多大？(2)若传送带以速度v(匀速）逆时针转动，vB多大？(3)若传送带以速度v(匀速）顺时针转动，vB多大？【解析】(1)传送带不动，工件滑上传送带后，受到向左的滑动摩擦力（Ff=mg)作用，工件向右做减速运动，初速度为VA，加速度大小为aglm/s2，到达B端的速度.(2)传送带逆时针转动时，工件滑上传送带后，受到向左的滑动摩擦力仍为Ff=mg ，工件向右做初速VA，加速度大小为ag1 m/s2减速运动，到达B端的速度vB=3 m/s.(3)传送带顺时针转动时，根据传送带速度v的大小，由下列五种情况：若vVA，工件滑上传送带时，工件与传送带速度相同，均做匀速运动，工件到达B端的速度vB=vA若v，工件由A到B，全程做匀加速运动，到达B端的速度vB=5 m/s.若vVA，工件由A到B，先做匀加速运动，当速度增加到传送带速度v时，工件与传送带一起作匀速运动速度相同，工件到达B端的速度vB=v.若v时，工件由A到B，全程做匀减速运动，到达B端的速度若vAv，工件由A到B，先做匀减速运动，当速度减小到传送带速度v时，工件与传送带一起作匀速运动速度相同，工件到达B端的速度vBv。 说明：（1）解答“运动和力”问题的关键是要分析清楚物体的受力情况和运动情况，弄清所给问题的物理情景（2）审题时应注意由题给条件作必要的定性分析或半定量分析（3）通过此题可进一步体会到，滑动摩擦力的方向并不总是阻碍物体的运动而是阻碍物体间的相对运动，它可能是阻力，也可能是动力【即境活用】1、 瞬时加速度的分析【例1】如图（a）所示，木块A、B用轻弹簧相连，放在悬挂的木箱C内，处于静止状态，它们的质量之比是1：2：3。当剪断细绳的瞬间，各物体的加速度大小及其方向？【解析】设A的质量为m，则B、C的质量分别为2m、3m 在未剪断细绳时，A、B、C均受平衡力作用，受力如图（b）所示。剪断绳子的瞬间，弹簧弹力不发生突变，故Fl大小不变。而B与C的弹力怎样变化呢？首先B、C间的作用力肯定要变化，因为系统的平衡被打破，相互作用必然变化。我们设想一下B、C间的弹力瞬间消失。此时C 做自由落体运动，acg；而B受力F1和2mg，则aB=（F1+2mg）/2mg，即B的加速度大于C的加速度，这是不可能的。因此 B、C之间仍然有作用力存在，具有相同的加速度。设弹力为N，共同加速度为a，则有 F12mgN2ma 3mgN 3ma F1=mg 解答 a1.2， N0.6 mg 所以剪断细绳的瞬间，A的加速度为零；B。C加速度相同，大小均为12g，方向竖直向下。 【例2】在光滑水平面上有一质量m1kg的小球，小球与水平轻弹簧和与水平方向夹角O为300的轻绳的一端相连，如图所示，此时小球处于静止状态，且水平面对小球的弹力恰好为零，当剪断轻绳的瞬间，小球加速度的大小和方向如何？此时轻弹簧的弹力与水平面对球的弹力比值是多少？ 简析：小球在绳末断时受三个力的作用， 绳剪断的瞬间，作用于小球的拉力T立即消失，但弹簧的形变还存在，故弹簧的弹力F存在（1）绳未断时： Tcos300F，Tsin300mg解得：T20 N F10 N（2）绳断的瞬间：T=0，在竖直方向支持力N=mg，在水平方向F=ma，所以a=F/m=10m/s2 此时F/N=10/10= 当将弹簧改为轻绳时，斜向上拉绳断的时间，水平绳的拉力立即为零2、用牛顿第二定律分析物体的运动状态牛顿第二定律的核心是加速度与合外力的瞬时对应关系，瞬时力决定瞬时加速度，解决这类问题要注意：(1)确定瞬时加速度关键是正确确定瞬时合外力(2)当指定某个力变化时，是否还隐含着其他力也发生变化(3)整体法与隔离法的灵活运用【例1】如图所示，一向右运动的车厢顶上悬挂两单摆M和N,它们只能在图所示平面内摆动，某一瞬时出现图示情景，由此可知车厢的运动及两单摆相对车厢运动的可能情况是（ ）MNA、车厢做匀速直线运动,M在摆动，N在静止；B、车厢做匀速直线运动,M在摆动，N也在摆动；C、车厢做匀速直线运动，M静止，N在摆动；D、车厢做匀加速直线运动,M静止，N也静止；【解析】解析：由牛顿第一定律，当车厢做匀速运动时，相对于车厢静止的小球，其悬线应在竖直方向上，故M球一定不能在图示情况下相对车厢静止，说明M正在摆动；而N既有可能相对于车厢静止，也有可能是相对小车摆动恰好到达图示位置。知A、B正确，C错；当车厢做匀加速直线运动时，物体运动状态改变，合外力一定不等于零，故不会出现N球悬线竖直的情况，D错。答案：AB灵活应用牛顿第一定律和牛顿第二定律【例2】一个人蹲在台秤上。试分析：在人突然站起的过程中，台秤的示数如何变化？【解析】从蹲于台秤上突然站起的全过程中，人体质心运动的vt图象如图所示。 在0t1时间内：质心处于静止状态台秤示数等于体重。F=mg。 在t1t2时间内：质心作加速度（a）减小的加速度运动，处于超重状态台秤示数大于体重Fmg十mamg 在t2时刻：a0，vvmax，质心处于动平衡状态台秤示数等于体重F=mg。 在t2t3时间内：质心作加速度增大的减速运动，处于失重状态台秤示数小于体重F=mgmamg。 在t3t4时间内：质心又处于静止状态台秤示数又等于体重Fmg。 故台秤的示数先偏大，后偏小，指针来回摆动一次后又停在原位置。思考：若人突然蹲下，台秤示数又如何变化？v2v1【例3】如图所示，一水平方向足够长的传送带以恒定的速度v1沿顺时针方向转动，传送带右端有一个与传送带等高的光滑水平面，一物体以恒定速率v2沿直线向左滑向传送带后，经过一段时间又返回光滑水平面，速率为v/2，则下列说法中正确的是（）A、只有v1= v2时，才有v/2v1B、若v1v2时，则v/2v2C、若v1v2时，则v/2v1；D、不管v2多大，总有v/2=v2；【解析】BC。物体在传送带上向左减速、向右加速的加速度大小相同；当v1v2时，向左减速过程中前进一定的距离，返回时，因加速度相同，在这段距离内，加速所能达到的速度仍为v2当v1v2时，返回过程中，当速度增加到v1时，物体与传送带间将保持相对静止，不再加速，最终以v1离开传送带【练习】1.质量为m的物体从高处释放后竖直下落，在某时刻受到的空气阻力为f，加速度为a，则f的大小为（ ）AB CfmgD【