中职物理（高教版）授课教案（全） .doc

第一节 运动的描述一、参考系 在描述一个物体的运动时，选来作为标准的另外的物体（认为静止不动的物体），叫做参考性。二、质点实际物体（如自行车、汽车、火车等）的运动都是非常复杂的，要详尽地描述这些运动，并非易事。例如，一列正在行驶的火车，即有火车整体相对于地面的平动，又有车轮的转动，还有车体的振动，等等，因此要全面描述火车的运动是相当困难的。为了便于研究，就需要对物体进行简化，突出影响问题的主要因素，忽略次要因素。例如：在研究一列从北京开往上海的列车的运动问题时，由于列车的总长度约为150 m，而从北京开往上海的总里程约为1 500 km，火车的长度是总里程的万分之一，因此火车的大小、形状等因素对研究问题的影响很小，可以不考虑，只突出火车的质量及其占据空间的某一位置这两个主要因素。在上面这种情况下，我们可以把火车简单地看作一个有质量的点质点，它是一种理想化的物理模型。在下面这种情况下，如在研究这列火车经过一座桥的运动问题时，由于火车的长度可以跟大桥的长度相比拟，它就成了解决问题的主要因素，这时就不能把火车简化为质点。三、时刻和时间 时刻指的是一个瞬间，时间指的是两个时刻之间的间隔。例如，我们常说上午第一节课在8时上课，8时45分下课。 如果用一个数轴来表示时刻和时间，则时刻应该用点来表示，时间用线段来表示，如下图所示。 这里的“8:00”和“8:45”是这节课开始和结束的两个时刻，而这两个时刻之间的间隔45 min，则是两个时刻之间的时间。 在si（国际单位制）中，时间的单位是秒（s），如下图所示的时间轴上标出了零时刻、第2 s初、第3 s末等时刻和第1 s内、 1 s 内、 3 s 内等时间。四、位移和路程 一个人从北京去上海，可以选择不同的交通工具，既可以乘火车，也可以乘飞机，还可以坐汽车到天津再换乘轮船。使用不同的交通工具，运动轨迹是不一样的，但是，就位置的变动来说，他总是由北京到达了东南方向直线距离约 1 080 km 的上海。 在物理学中，用位移来表示质点的位置变化。当质点从a点运动到b点时，我们从初位置a到末位置b作一条有向线段ab，用这条有向线段表示物体在这次运动中发生的位移，如下图所示。有向线段的长度表示位移的大小，有向线段的方向表示位移的方向。在物理学中，像位移这样既有大小，又有方向的物理量，叫做矢量。位移通常用字母s表示，它的si单位是米（m）。 路程是质点运动轨迹的长度。在上图中，质点的路程分别是曲线acb、adb、aeb的长度。像路程这样只有大小，没有方向的物理量，叫做标量。路程的si单位也是米（m）。五、速度和速率 不同物体的运动，其快慢程度往往不同。例如，运动员甲在8 s内跑过了64 m；运动员乙在6 s内跑过了54 m。他俩谁跑得快呢？ 比较物体运动的快慢有两种方法：一种是在位移相同的情况下，比较所用时间的长短：时间短的，运动得快；另一种是在时间相同的情况下，比较位移的大小：位移大的，运动得快。 由于第二种方法更接近人们的生活习惯，因此，人们把位移s与发生这个位移所用时间 t 的比值叫做物体的速度，通常用v表示，即 速度不但有大小，而且有方向，是矢量。速度的大小在数值上等于单位时间内位移的大小，速度的方向跟运动的方向相同。 速度的si单位是米/秒（m/s），常用的单位还有千米/时（km/h）。 1 m/s = 3.6 km/h 我们可计算出前例中运动员甲、乙的速度分别为： 所以说运动员乙跑得比甲快。用上面的公式计算出的速度，表示物体在某段时间（或位移）内运动的平均快慢程度，叫做平均速度。平均速度只能粗略地描述运动的快慢。 2006年7月11日，刘翔在瑞士洛桑国际田径大奖赛男子110米栏比赛中，以12秒88的成绩夺得冠军，并打破世界纪录。他在比赛中的平均速度是: 为了使描述更加精确，就需要选择物体在较短时间内的位移与时间的比值。如果这段时间取得非常非常小，就可以认为是物体在某一时刻（或某一位置）的速度，这个速度叫做瞬时速度。瞬时速度可以精确地描述物体运动的快慢。 演示实验 : 用打点计时器测量瞬时速度, 把打点计时器固定在桌子上，连接好电路，如下图所示。安装好纸带。启动电源，用手水平地拉动纸带，纸带上就打出了一列小点，如下图所示。关闭电源。由于每两个点之间的时间都是0.02 s，因此，选择某一点a，测量出该点左右两点b、c间的位移大小，除以时间0.04 s，即可视为纸带经过a点时的瞬时速度。速度的大小叫做速率，是标量。汽车上的速度计只能显示汽车速度的大小，不能显示汽车运动的方向，所以它显示实际上是汽车的瞬时速率。练习1-11地球的直径约为12 800 km，与太阳相距1.5108 km。当我们研究地球的公转时，能不能把它看成质点？研究地球上各处季节变化时，能不能把它看成质点？答案：能；不能。2一位运动员在学校里周长为400 m的标准跑道上跑了三圈，他跑过的路程是多少？他的位移是多少？答案：路程是1 200 m，位移是0。第二节 匀变速直线运动一、匀变速直线运动 我们日常观察到的运动，速度经常是不断变化的。例如，汽车开动时，速度越来越大；刹车时，速度越来越小。人们把速度不断变化的直线运动，叫做变速直线运动。 例如，一辆汽车沿一条直线从静止开始加速，如果1 s末的速度为2 m/s，2 s末的速度为4 m/s，3 s末的速度为6 m/s，4 s末的速度为8 m/s那么，每经过1 s它的速度就增加2 m/s 做变速直线运动的物体，如果在任意相等的时间内，速度的变化量都相等，这种运动叫做匀变速直线运动。 匀变速直线运动可分为匀加速直线运动和匀减速直线运动两种。二、加速度不同的匀变速直线运动，速度变化的快慢往往是不同的。世界级的短跑运动员可以在2 s内将自身的速度从0提高到10 m/s；迫击炮可以在0.005 s内将炮弹的速度从 0 提高到250 m/s。为了描述匀变速直线运动的速度变化的快慢程度，人们引入了加速度的概念。加速度等于速度的变化量跟发生这一变化所用时间的比值。如果用 a 表示加速度，用 vt 表示末速度，用 v0 表示初速度，用 t 表示速度变化所用的时间，则加速度的si单位是米每二次方秒（m/s2），其数值的大小表示速度变化的快慢。演示实验 用打点计时器测量加速度将长木板的一端垫高，把打点计时器固定在长木板上较高的一端，连接好电路，把纸带穿过打点计时器连接到小车后部，如右图所示。启动电源，让小车滑下，打点计时器在纸带上打下一列点，如下图所示。断开电源。 小车从光滑斜面滑下的运动可视为匀加速直线运动。可选择相距0.1 s的两个点a、b，分别测量并计算出两点的瞬时速度va、vb，再根据加速度的定义，计算出该过程的加速度。 在前面的例子中，世界级的短跑运动员可以在2 s内将自身的速度从0提高到10 m/s，他的加速度大小为： 迫击炮可以在0.005 s内将炮弹的速度从 0 提高到250 m/s，炮弹的加速度大小为：由计算结果可知，炮弹的加速度远远大于运动员的加速度。加速度是矢量。在直线运动中，如果速度增加，则加速度是正值，表示其方向与运动方向相同；如果速度减少，则加速度是负值，表示其方向与运动方向相反。例题1 汽车紧急刹车前的速度是10 m/s，刹车后经过2 s车停下来，求汽车的加速度。分析 汽车从刹车到停止的过程可被看成是匀减速直线运动。题目中“停下来”的含义是末速度等于 0，因此，我们已经知道了初速度v0、速度变化所用的时间 t 和末速度vt，可直接用加速度公式来求解。解 由加速度公式得a为负值，表示加速度方向跟汽车初速度方向相反，汽车做匀减速直线运动。三、速度公式如果我们已知一个匀变速直线运动的初速度 v0、加速度 a 和时间 t，则可以用速度公式求解末速度 vt：例题2 一辆汽车原来的速度是36 km/h，后来以0.25 m/s2的加速度匀加速行驶。求加速40 s时汽车速度的大小。解 v0 36 km/h 10 m/s，由速度公式得（100.2540）m/s20 m/s 四、位移公式如果我们已知一个匀变速直线运动的初速度 v0、加速度 a 和时间 t，则可以用位移公式求解位移 s：例题3 一列火车在斜坡上匀加速下行，在坡顶端的速度是 8 m/s，加速度是 0.2 m/s2，火车通过斜坡的时间是 30 s，求这段斜坡的长度。解 由匀变速直线运动的位移公式，得还有一个常用的位移公式：五、自由落体运动早在十七世纪意大利著名的物理学家伽利略就指出，我们平时之所以看到轻重不同的物体不能同时落地，是由于空气阻力的缘故。他的学生选择了形状相同的材料，不同的两个重球，重球的重力远大于空气阻力，让这两个球从比萨斜塔上同时落下，结果同时着地。 物体只在重力作用下从静止开始下落的运动，叫做自由落体运动。这种运动只有在没有空气的空间里才能发生。在有空气的空间里，如果空气阻力的作用比较小，可以忽略不计，物体的下落也可以看作是自由落体运动。 通过实验发现，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，而且在同一地点，一切物体自由下落的加速度都相同，这个加速度叫做重力加速度，通常用 g 来表示。 重力加速度的方向竖直向下，大小随地理位置的改变而略有不同。通常计算中，可以把 g 取作 9.8 m/s2；在粗略计算时，可把 g 取作 10 m/s2。 由于在自由落体运动中，初速度 v0 = 0，加速度 a = g，因此，自由落体运动的规律可表示为： 练习1-2 1. 一列做匀变速直线运动的火车，在50 s内速度由8 m/s增加到15 m/s，求火车的加速度是多少？ 答：0.14 m/s2。 2. 汽车紧急刹车时速度是10 m/s，经过2 s车停下来，求汽车的加速度是多少？ 答：5 m/s2。 3. 一辆汽车原来的速度是36 km/h，后来以0.25 m/s2的加速度匀加速行驶。求加速40 s时汽车速度的大小是多少？ 答：20 m/s。 4.一列火车在斜坡上匀加速下行，在坡顶端的速度是8 m/s，加速度是0.2 m/s2，火车通过斜坡的时间是30 s，求这段斜坡的长度是多少？ 答：330 m。 5. 用“投石计时”的方法可粗略测算水井的深度。在井口从静止开始释放一石块，经过2 s听到落水声，若忽略声音传播的时间，求井口到水面的深度是多少？ 答：19.6 m。 6. 跳水运动员由静止开始从10 m跳台跳下，求运动员入水时的速度是多少？ 答：14 m/s。第三节 重力 弹力 摩擦力一、力通过长期实践，人们认识到：物体运动状态的改变或物体形状的改变，都是由于物体间相互作用的结果。于是人们归纳出，力是物体间的相互作用。我们写字时，手要对笔施力，才能抓牢笔杆随意书写；同时，笔杆对我们的手也施加了力，三个手指都被笔杆挤变了形我们踢足球时，足球受到脚对它施加的力，于是向前滚去；同时，我们的脚也会受到足球对它施加的力，脚指可能会感到疼痛。如果一个物体的运动状态或形状发生了改变，我们就可以推断出，该物体受到了力的作用。力的大小可以用弹簧秤测量。力的si单位是牛（n）。力是矢量，它不但有大小，而且有方向。力的作用效果不仅与力的大小、方向有关，还跟力作用在物体上的作用点有关。因此，要把一个力准确地表达出来，就要表明力的这三个要素。二、力的图示人们经常用带箭头的线段表示力。线段是按一定标度画出的，它的长短表示力的大小，它的箭头指向表示力的方向，箭尾表示力的作用点。这种表示力的方法，叫做力的图示。例如，一个大小为100 n，与水平方向的夹角为30的拉力的图示，如下图 所示。有时只需画出力的示意图，即只画出力的作用点和方向，表示物体在这个方向上受到了力 ，如下图 所示。三、重力英国物理学家牛顿发现，宇宙中所有的物体之间都具有相互吸引的力的作用，因此叫做万有引力。万有引力的大小跟两个物体的质量成正比，跟两个物体的距离的平方成反比。人们通常将地面附近的物体，由于地球的吸引而受到的力叫做重力，用字母 g 表示。物体所受重力 g 与物体质量 m 的关系是：g = mg其中g 就是重力加速度。重力的方向总是竖直向下的，并可认为是作用在物体的重心上，如右图所示。四、弹力如果发生形变后的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体产生力的作用，这种力叫做弹力。例如，弹簧受力后会缩短或伸长，于是会对与它接触的物体产生弹力的作用，如右图所示。英国物理学家胡克发现，弹簧发生弹性形变时，弹力的大小f跟弹簧伸长（或缩短）的长度x成正比，即f = kx上式中的被称为弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米（n/m），不同弹簧的劲度系数一般是不同的，这个规律叫做胡克定律。如果物体的形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后，物体就不能恢复原来的形状，这个限度叫做弹性限度。有时物体的形变很小，不易观察。例如，一本放在水平桌面上的书与桌面间相互挤压，书和桌面都发生微小的形变。由于书的形变，它对桌面产生向下的弹力，这就是书对桌面的压力f1；由于桌面的形变，它对书产生向上的弹力，这就是桌面对书的支持力f2 。压力和支持力都是弹力，方向都垂直于物体的接触面，如下左图所示。拉力也是一种弹力。如上右图所示的水桶受到的绳的拉力沿着绳，指向绳收缩的方向。摩擦是一种常见的现象。两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会产生阻碍相对运动的力，这种力叫做摩擦力。例如，用一个较小的力推箱子，箱子没有被推动。根据物体平衡条件可知，此时一定有一个力与推力大小相等，方向相反，从而抵消了推力的作用。这个力就是地面对箱子的静摩擦力，常用 ff 来表示。静摩擦力有一个最大限度，这个限度叫做最大静摩擦力。当推力大于最大静摩擦力时，箱子就不能再保持静止，而要滑动了。当一个物体在另一物体表面滑动时，总会受到另一物体对它产生的阻碍它运动的力，这种力叫做滑动摩擦力。滑动摩擦力的方向总是沿着接触面，并且跟物体的相对运动方向相反，如下图所示。实验表明：滑动摩擦力ff的大小跟外力无关，只跟接触面间的正压力的大小成正比，可用下式来表示：ff =fn上式中的 是比例常数，称为动摩擦因数。它的数值与接触面的材料及粗糙程度等因素有关。还有一种摩擦力叫做滚动摩擦力。滚动摩擦力是一个物体在另一个物体表面上滚动时产生的摩擦力。当压力相同时，滚动摩擦力比滑动摩擦力小很多。如右图所示的是生产中常见的滚动轴承。练习1-31. 画出下图中所示的几个力的图示：（1）马对车的拉力1000 n；（2）铁锤对钉子的打击力300 n；（3）电线对电灯的拉力8 n。2. 用两根绳子把一个物体挂起来，如下图所示，物体受几个力的作用？请画出物体受力的示意图。答：物体受力的示意图如上右图所示3. 一个物体在斜面上保持静止，如下图所示，物体受几个力的作用？请画出物体受力的示意图。答：物体受力的示意图如上右图所示。4.一辆马拉雪撬的货物总质量是5.0103 kg ，雪撬与水平冰面间的动摩擦因数是0.03，马要在水平方向上用多大的力才能拉着雪撬匀速前进？答： 1.5103 n 。第四节 力的合成与分解一、合力与分力生活中我们常见这样的情境：一桶水，需要两个小孩才能提得动，而一个大人就可以把它提起来。此时我们可以说，两个小孩的力的作用效果与一个大人的力的作用效果相同。在物理学中，如果有一个力的作用效果与几个力的作用效果相同，我们就把这一个力叫做那几个力的合力，那几个力都叫做分力。二、力的合成求几个力的合力的过程，叫做力的合成。通过大量实验发现，两个互成角度的力的合成时，遵守这样的法则：可以用表示这两个力的线段为邻边，作平行四边形，则它的对角线就表示合力的大小和方向。这就是力的平行四边形定则。两个分力的夹角可以在0180变化，当两个分力的大小固定不变，只有夹角改变时，合力随夹角的变化情况如下图所示：f1f2 f f1f2三、力的分解已知合力，求分力的过程，叫做力的分解。例如，一个人斜拉着木块匀速前进，如左图所示。斜向的拉力对木块有两个作用，一个使木块向前进，另一个将木块向上提，减小了对地面的压力。拉力在这两个方向上产生的作用力如右图所示。若已知合力f及其与水平方向的夹角 ，则两个分力的大小分别为：斜面上的物体都会受到竖直向下的重力，重力产生两个效果：平行于斜面使物体向下滑的分力，垂直于斜面使物体向下压的分力，如下左图所示：平行于斜面使物体向下滑的分力f1 和垂直于斜面使物体向下压的分力f2 的大小分别如上右图所示。如果已知重力g和斜面的倾角 ，则练习1-41. 画出下图中分力f1和f2的合力。 答：合力如下图所示：2. 有两个力，一个是10 n，一个是2 n，它们的合力能等于5 n、10 n、15 n吗？答：合力可能等于10 n，不可能等于5 n、15 n 。3. 有两个分力，其中f1为15 n，方向水平向右；f2为20 n，方向竖直向上。求它们的合力的大小是多少？方向如何？答：合力的大小为25 n，方向向上偏右37，如右图所示。4. 在如下图所示的斜面上，有一重力g为100 n的小球。问：使小球沿斜面向下滑的力和垂直于斜面向下压的力各是多少？答：使小球沿斜面向下滑的力是50 n，垂直于斜面向下压的力是87 n。第五节 牛顿运动定律一、牛顿第一定律长期以来，人们在研究物体运动的原因时，根据直觉认为，要使一个物体运动，必须推或拉它。当不再推或拉时，运动的物体便会停下。根据这类经验，在公元前4世纪，古希腊的哲学家亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就保持静止。由于这一论断符合人们的常识，以至在其后的两千年里，大家都奉为经典。 直到16世纪末，意大利的伽利略对亚里士多德的论断表示了怀疑。他注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。实际上伽利略发现，当球在水平面上滚动时，球的速度越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这是由于摩擦阻力的缘故，因为他还观察到，水平表面越光滑，球便会滚得越远。于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。英国的物理学家牛顿在伽利略等人研究的基础上，并根据自己的研究，系统地总结了力学的知识，提出了三条运动定律，其中第一条定律的内容是：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。由于我们把物体总保持原来运动状态的性质叫做惯性。因此，牛顿第一定律又叫做惯性定律。正在行驶的汽车急刹车时，车上乘客的下半身由于受到力的作用随车停止，而上半身由于惯性还要以原来的速度前进，于是乘客就会向前面倾倒。如果汽车在高速运行时突然停止，汽车里的人就会由于惯性继续向前冲，直至撞到方向盘或挡风玻璃上，造成严重的伤害。因此，汽车的前排座位上通常都要配置安全带，高级汽车中还有安全气囊以保证乘车者的安全。二、牛顿第二定律牛顿第一定律告诉我们，物体如果不受外力，它将保持原来的运动状态。由此可以知道，如果物体受到外力作用，物体的运动状态必将改变。列车出站时，在机车牵引力的作用下，由静止开始运动，并且速度不断增大；列车进站时，由于受到阻力的作用，速度不断减小，最后停止下来；抛出的铅球、射出的炮弹，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不断发生改变，做曲线运动。可见，物体运动状态的改变，是由于受到了力的作用，力是物体运动状态改变的原因。物体运动状态发生改变时，物体具有加速度，所以，力是使物体产生加速度的原因。在匀变速直线运动中，加速度的大小与哪些因素有关呢？通过实验，我们可以得出如下结论：物体的加速度跟所受的外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟外力的方向相同。这就是牛顿第二定律。用数学公式表示为由牛顿第二定律可以看出，质量不同的物体，运动状态改变的难易程度不同，或者说它们的惯性大小不同。在外力相同的情况下，质量大的物体获得的加速度小，它的运动状态难改变，即惯性大；质量小的物体获得的加速度大，它的运动状态容易改变，即惯性小。因此，质量是物体惯性的大小的量度。由于火车的质量巨大，要将高速火车停下来是很困难的，需要很长的时间和路程来减速，我国的高速列车甚至需要2 km以上的距离来停止，所以，在列车经过的路口采取提前禁行的措施是非常必要的。例题1 吊车要在10 s内将地面上的货物吊到10 m高处，货物的质量是2.0103 kg，假设货物被匀加速吊起，问吊车缆绳对货物的拉力是多少？分析 以货物为研究对象。货物匀加速向上运动，可判断货物受到的合力向上。由货物的运动状态和匀变速直线运动的规律，我们可以求出它的加速度。再对货物进行受力分析，如右图所示，货物受到两个力的作用：竖直向上的拉力f和竖直向下的重力g，应用牛顿第二定律即可解出拉力的大小。解 由匀变速直线运动的位移公式 由货物的受力分析，可知f合fg = mafg + ma = mg + ma = (2.01039.8 + 2.01030.20) n = 2.0104 n三、牛顿第三定律初中我们学过，力是物体间的相互作用。两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体有力的作用，后一个物体一定同时对前一个物体有力的作用。物体间相互作用的这一对力，通常叫做作用力和反作用力。我们把其中的一个力叫做作用力，另一个力就叫做反作用力。大量实验证明：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律。用公式可表示为：上式中，f、f 分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向相反。作用力和反作用力总是成对出现，同时产生，同时消失。作用力与反作用力总是同种性质的力。如：作用力是吸引力，反作用力也一定是吸引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上，各自产生各自的作用效果，不能平衡，不能抵消。人走路时，脚总是不断地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同时，脚也受到了向前的摩擦力，从而使人向前运动；骑自行车时，人用力地蹬踏使后轮转动，对地面产生向后的摩擦力，地面对后轮产生向前的摩擦力，推动自行车前进；喷气式飞机的引擎与火箭动力系统的工作原理相似，都是燃烧燃料并高速排放气体。练习1-51. 现代高级轿车中不但有安全带，还有安全气囊，请查阅资料，了解它们的作用。安全带的作用，是在发生碰撞时将人牢牢地固定在座位上，从而有效避免或减轻巨大的惯性和冲力对驾乘者带来的伤害。安全气囊在碰撞前迅速在车与人之间打开一个充满气体的气垫，缓和驾乘者受到的冲击并吸收碰撞能量，进一步减轻对驾乘者的伤害。安全气囊必须与安全带配合使用。如果碰撞之前没有系好安全带，瞬间充气的安全气囊将与具有巨大向前惯性的驾乘者正面相撞，气囊快速膨胀所发出的巨大冲击力，将重重地撞击驾乘者的头部及胸部，会对驾乘者造成很大的伤害。 2. “长征二号”捆帮式运载火箭是为了适应我国航天事业发展，由我国的航天科学家自主研制成功的。它有4个助推器，起飞时有8台发动机点火工作，推力达到5.92106 n，火箭起飞质量为4.6105 kg，则它的起飞加速度最大是多少？答：3.1 m/s2。3. 2007年4月18日我国铁路实施第六次大面积提速后，“和谐号”crh系列国产化动车组列车最高速度可达250 km/h。某动车组列车采用四节动车和四节拖车固定编组形式，总质量3105 kg，启动牵引力为2105 n，受到的空气阻力为8104 n，假设在启动过程中牵引力、阻力都不变，问它启动时的加速度是多少？答：0.4 m/s2。4. 2008年9月25日晚9时10分许，中国自行研制的第三艘载人飞船神舟七号，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场由“长征二号f”运载火箭发射升空。点火第12 s时，火箭到达了距地面高度约为216 m处。假设其中一位航天员的质量为80 kg，火箭升空时做匀变速直线运动，那么在此过程中，该航天员受到的支持力为多少？答：1.0 103 n 。5. 马向前拉车时，车也向后拉马，这两个力大小相等，方向相反，彼此平衡，合力为零，所以马无论如何也拉不动车。这种说法错在哪里？答：马向前拉车时，车也向后拉马，这两个力大小相等，方向相反。但由于马拉车的力作用在车上，车拉马的力作用在马上，因此不能平衡，不能抵消，而是各自产生各自的效果。 马向后蹬地，地向前推马，这就是马前进的动力f1。 f1 大于车拉马的力f，因此马能前进；车受到马的拉力f 和地面的摩擦力f2 ，由于f大于f2 ，因此车也能前进。受力图如下所示。6. 分别用左右手的两根手指捏住一张平整的纸片的两端，慢慢用力，你能将它同时撕成三块吗？如果在中间先撕开两个缺口呢？答：不能；也不能。第一节 功 功率一、功在初中，我们已经学过有关功的初步知识。一个物体受到力的作用，如果在力的方向上发生了一段位移，我们就说这个力对物体做了功。例如，人拉车前进，车在人的拉力作用下发生了一段位移，就说人的拉力对车做了功。如果物体在恒力f 作用下，沿力f 的方向发生的位移是s，如下图所示，那么，力f 对物体做的功为w=fs。功是标量。功的si单位是j。力和物体在力的方向上发生的位移，是做功的两个不可缺少的因素。例如，一个物体在光滑的水平面上匀速直线运动，因为物体在位移方向上没有受力，所以，没有力对小球做功；某人举着一个物体向前匀速运动，虽然用了力，但在力的方向上没有位移，所以，他也没有做功。在实际生活和生产中，物体的运动方向并不总是跟力的方向相同，当力的方向跟运动方向成某角度 时，如下所示，怎样来计算这个力做的功呢? 我们可以把力f分解成与位移方向平行的分力f1和与位移方向垂直的分力f2，如下所示。在物体发生位移s的过程中，由于物体在f2的方向上没有发生位移，因此，f2对物体做的功等于零；f对物体做的功w就等于f1s，而f1=fcos，所以w=fscos这就是说，力对物体所做的功，等于力的大小、位移的大小、力和位移间夹角的余弦这三者的乘积。讨论：当0时， cos1，wfs，力和位移方向相同，力对物体做正功。当090时，cos0，w为正值，力对物体做正功。当90时，cos0，w0，力和位移方向垂直，力对物体不做功。当90180时，cos0，w为负值，力对物体做负功。当180时，cos1，wfs，力和位移方向相反，力对物体做负功。一个力对物体做负功，表示这个力阻碍物体的运动。因此，当力对物体做负功时，常说物体克服这个力做功。例如，当摩擦力对物体做负功时，也可以说物体克服摩擦力做功。如果公式w=fscos中的f是几个力的合力，那么式中的是合力方向与物体位移方向间的夹角，w就是合力做的功。可以证明，合力做的功等于各个分力做功的代数和。例题1 一个质量为150 kg的小车，受到与水平方向成37角斜向上方的拉力500 n，在水平地面上移动的距离为5 m。物体与地面间的滑动摩擦力为100 n，求合力对物体做的功。分析 小车在水平地面上移动时，受到重力g、支持力fn、拉力f和摩擦力ff四个力的作用，如图所示。由于重力g、支持力fn的方向与小车的位移方向垂直，不做功，因此合力做的功就是拉力f和摩擦力ff做功的代数和。 解 拉力做的功： wffscos5005cos37j2 000 j摩擦力做的功：wffffs1005 j500 j合力做的功： w合wfwff2000500 j1 500 j二、功率不同物体做相同的功，所用的时间往往不同，也就是说，做功的快慢不相同。一台起重机能在1 min内把1 t货物提到楼顶，另一台起重机只用30 s就可以做相同的功。第二台起重机比第一台做功快一倍。在物理学中，用功率来表示做功的快慢程度，功w 跟完成这些功所用时间t 的比值，叫做功率。用p 表示功率，则有功率是标量。功率的si单位是w。电动机、内燃机等动力机械都标有额定功率，这是在正常条件下可以长时间工作的功率。实际输出功率往往小于这个数值。例如，某汽车内燃机的额定功率是100 kw，但在平直公路上中速行驶时，发动机实际输出的功率只有20 kw左右。在特殊情况下，例如在穿越障碍时，司机通过增大供油量可以使实际输出的功率大于额定功率，但这对发动机有害，只能工作很短的时间，而且要尽量避免。把w = fs代入功率的公式，可得 p = fv即功率等于力和物体运动速度的乘积。从公式可以看出，汽车、火车等交通工具，当发动机的功率p 一定时，牵引力f 和速度v 成反比。汽车发动机的转动通过变速箱中的齿轮传递到车轮，转速比可以通过变速杆来改变。发动机的最大输出功率是一定的，所以汽车在上坡时，司机要用“换挡”的方法减小速度，来得到较大的牵引力。在平直公路上，汽车受到的阻力较小，需要的牵引力也较小，这时就可以使用高速挡，使汽车获得较高的速度。 然而，在发动机功率一定时，通过减小速度提高牵引力或通过减小牵引力而提高速度，效果都是有限的。所以，要提高速度和增大牵引力，必须提高发动机的额定功率，这就是高速火车、汽车和大型舰船需要大功率发动机的原因。 例题2 某汽车发动机的额定功率是6.0104 w，在水平路面上行驶时受到的阻力是1.8103 n，求发动机在额定功率时汽车匀速行驶的速度。在同样的阻力下，如果行驶速度只有54 km/h，发动机输出的实际功率是多少？分析 汽车匀速行驶时，牵引力和阻力相等。由发动机的额定功率和牵引力，利用公式p = fv即可求出速度。当汽车牵引力不变，而速度减小时，发动机的实际输出功率也可由公式p = fv求出。解 当发动机的额定功率p16.0104 w，牵引力f1.8103 n时，由于 p1fv1所以 当牵引力f不变，速度v254 km/h15 m/s时，有p2fv21.810315 w2.7104 w练习2-12某人从一楼走到四楼，第一次用了30 s、第二次用了40 s。他前后两次克服重力做的( )。a功相同，功率相同 b功不同，功率不同 c功相同，功率不同 d功不同，功率相同答案：c。3. 一位质量m60 kg的滑雪运动员从高h10 m的斜坡顶端自由下滑，如右图所示。如果运动员在下滑过程中受到的阻力f50 n，斜坡的倾角30，运动员滑至坡底的过程中，所受的几个力做的功各是多少？合力做的功是多少？答案：重力做的功是2940 j；支持力不做功；阻力做的功是-500 j；合力做的功是2 440 j。受力图如下所示。4. 一台电动机的额定功率是10 kw，要用这台电动机匀速提升重力为2.5104 n的钢板，提升的速度是多少？答案：0.4 m/s。第二节 动能 动能定理一、动能如果一个物体能够对外界做功，我们就说这个物体具有能。我们在初中学过，物体由于运动而具有的能量叫做动能。水车利用的就是河水的动能。那么，动能的大小跟哪些因素有关呢？让滑块a从光滑的导轨上滑下，撞到一个静止的木块b上，推动木块做功。让同一个滑块从不同的高度滑下，可以看到，高度越高，滑块滑下的速度越大，把木块推得越远，对木块做功越多；让质量不同的滑块从同一高度滑下，滑块滑下的速度相同，可以看到，质量越大的滑块把木块推得越远，对木块做的功越多。实验表明，物体的质量越大，速度越大，它的动能就越大。那么，怎样定量地表示动能的大小呢？通过大量精确的实验，人们发现：一个质量为m，速度为v的物体，它的动能等于物体的质量与速度二次方乘积的一半。用ek表示动能，则有 动能是标量，它的si单位是j。 例题1 一个质量为60 kg的人以10 m/s的速度奔跑；一颗质量为0.010 kg的子弹以800 m/s的速度射出；人和子弹相比，哪一个的动能大？解：根据动能的定义式，人的动能是子弹的动能是 通过比较可知，子弹比人的动能大。二、动能定理如果一个质量为m，初速度为v1的物体，受到外力f的作用，并在力的方向上产生了一个位移s，而物体的末速度变为v2。从功和能的角度看此过程，外力对物体做了功w，物体的动能发生了变化。它们之间的关系为即合力做的功等于物体动能的变化，这个结论叫做动能定理。例如，一辆汽车启动时，在牵引力和阻力的共同作用下开始加速，动能越来越大。牵引力和阻力的合力做正功，汽车的动能增加；当汽车刹车时，在阻力的作用下开始减速，动能越来越小。阻力的做了负功，汽车的动能增加了一个负值，即动能减少了。例题2 汽车的制动性能，是衡量汽车性能的重要指标。在一次汽车制动性能的测试中，司机踩下刹车，使汽车在阻力作用下逐渐停止运动。下表中记录的是汽车在不同速度行驶时，制动后所经过的距离。汽车速率v/（km/h）制动距离s/m101204401660?请根据表中的数据，分析以下问题：1为什么汽车的速率越大，制动的距离也越大？2让汽车载上3名乘客，再做同样的测试，结果发现制动距离加长了。试分析原因。3设汽车在以60 km/h的匀速率行驶的时候（没有乘客）制动，在表中填上制动距离的近似值。试说明你分析的依据和过程。解：1以汽车为研究对象。在制动过程中，刹车产生的阻力对汽车做负功，汽车制动后的末速度是零。假设汽车制动时的阻力不变，由动能定理可知：汽车制动前的速率越大，初动能就越大，制动时阻力做的负功也越多，因而制动过程中经过的距离也越长。2载上3名乘客的汽车，质量增加了，在速率相同的情况下，初动能也增加了。假设汽车制动时的阻力不变，由动能定理可知，制动距离也会随着增加。3由于不知道汽车的质量及其制动过程中的阻力大小，所以不能直接求解。但是我们通过分析动能定理和表中的数据发现，制动距离与汽车速率的平方成正比，因此可以得出当汽车速率为60 km/h时的制动距离是36 m。当公路上行驶的车辆意外发生碰撞时，它们的损坏程度和事故的严重性跟碰撞前车辆的动能大小有关，而车辆的动能则取决于车辆的质量和速度的平方。因此在公路上，尤其是在高速公路上，都有限制车速的标志。货车、客车的质量较大，对它们速度大小的限制值要比轿车小一些。例如，高速公路对中、重型车辆和客车的车速限制一般是100 km/h，对轿车一般是120 km/h。机在开车时要时刻注意与前面的车辆保持一定的距离，防止发生追尾事故。要知道汽车速度提高1倍，制动距离要增加3倍。当你以50 km/h的速度行驶时，需要与前车保持大约50 m的制动距离；当你以100 km/h的速度行驶时，则需要与前车保持200 m的制动距离。练习2-21把一辆汽车的速度从0加速到10 m/s，和从10 m/s加速到20 m/s，哪种情况做的功多？答案：把汽车的速度从10 m/s加速到20 m/s做的功多。2质量为2.0 kg的小车在光滑的水平路面上行进了2.5 m，速度从0 增大到5 m/s。小车所受的水平推力为多少？答案：10 n。3一足球运动员把一个质量为0.5 kg的球踢出去，脚对球的冲力是700 n，球离脚时的速度为10 m/s，球沿地面滚动了25 m后停止。求：（1）该运动员踢球所做的功为多少？（2）球滚动过程中克服阻力做的功为多少？球所受的平均阻力为多少？答案： （1） 25 j；（2） 25 j ，1 n。第三节 势能 机械能守恒定律一、势能初中我们已经学过，被举高的物体具有做功的本领，因此它具有能量。我们把地球表面附近的物体由于与地球之间存在一定的高度关系而具有的能量叫做重力势能。高处的物体究竟具有多少能量呢？设一个质量为m的物体，从高度为 处，竖直向下落到地面，如右图所示。这个过程中重力做的功为wmgh因此可知，物体在高度 处的重力势能ep= mgh。重力势能是标量，它的si单位跟动能一样也是j。由重力势能公式可知，物体距地面越高，重力势能越大；反之，就越小。处于地平面以下的物体，公式中的 h 应为负值，其重力势能也为负值。在这里，负号只是表示它的重力势能比在地面处的重力势能小。以上是把物体在地面处的重力势能当作零，当然也可选择另一水平面作为零势能面，这时上式中的 h 应是从该面算起的高度。在计算重力势能时，应同时说明零势能面的位置。一般情况下，常选地面为零势能面。卷紧的发条、拉伸或压缩的弹簧、拉开的弓、正在击球的球拍、撑芉跳运动员手中弯曲的芉等，这些物体由于发生了弹性形变，而具有了做功的本领，我们把这种能量叫做弹性势能。二、机械能守恒定律 我们在初中学过，重力势能和动能之间可以发生相互转化。实验表明，小球在摆动的过程中，重力势能和动能发生了转化，而它们的总量保持不变。一个质量为m自由下落的物体，从高度为h1的a点下落到高度为h2的b点，速度从v1增加到v2，如右图所示。在此过程中，物体的重力势能减少了，而动能增加了。可以证明，物体的重力势能减少的量等于动能增加的量，动能与重力势能之和保持不变。用公式可表示为：在自由落体运动中，只有重力做功，动能与重力势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。在各种抛体运动中，如果忽略空气阻力，物体的总机械能也保持不变。再如，物体在光滑斜面上运动，如右图所示，虽然物体受重力和支持力的作用，但支持力对物体不做功，只有重力做功。可以证明，在此过程中物体的机械能也保持不变。在只有弹力做功的过程中，动能和弹性势能可以互相转化，总的机械能也保持不变。在只有重力（或弹力）做功的情况下，物体的动能和重力势能发生相互转化，机械能的总量保持不变。这个结论叫机械能守恒定律，它是力学中的一条重要规律，也是能量守恒定律的一种形式。例题 物体从l m高、2 m长的光滑斜面顶端，由静止开始无摩擦地滑下，到达斜面底端时的速度多大?（不计空气阻力）分析 斜面是光滑的，没有摩擦，又不计空气阻力，斜面对物体的支持力与物体的运动方向垂直，对物体不做功，如右图所示。因此，物体在下滑过程中只有重力做功，机械能是守恒的。根据机械能守恒定律即可求得末速度。解 设物体的质量为m，根据机械能守恒定律，并选取地面为零势能面，有练习2-31一个重50 n的物体，从距地面12 m高的地方自由下落，当下落4 m时的重力势能是 j；落地时的重力势能是 j；在整个下落过程，重力势能变化了 j？答案：400；0；600 。2一个重力为10 n的物体，从4 m高处由静止自由落下，落到l m高处的机械能是_j？答案：40。3上海轻轨“明珠线”某车站的结构如下图所示，与站台连接的轨道左右两侧都有一个长长的斜坡，你知道这种设计的好处吗？假设站台比轨道高2 m，一辆以36 km/h的速度在轨道上行驶的列车关掉动力后，还能否冲上站台？答案：列车进站时，上坡可以使列车的部分动能转化为重力势能，从而帮助列车刹车。列车出站时，下坡又可以使列车的部分重力势能转化为动能，帮助列车加速；能。第一节 分子动理论一、分子动理论所有物体都是由分子构成的。一般物质分子的直径，都是以纳米（1 nm110-9 m）为数量级的。如氢分子的直径为0.23 nm，水分子的直径为0.4 nm，蛋白质分子的直径最大，也只有几纳米。近几十年来，人们已经能够用放大200万倍的离子显微镜直接观察分子的大小，甚至能够用放大3亿倍的扫描隧道显微镜实现“操纵原子”的梦想，在一间封闭的房间里，打开香水瓶盖，不一会儿在房间的每一个角落都能闻到香味；在一杯静止放置的清水中，轻轻滴入一滴红墨水，不久就会发现杯中的水全变红了；长期堆放在墙脚的煤会渗进地面和墙面中这就是扩散现象。扩散现象可以说明分子不停地做无规则的运动。分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子运动越激烈。因此，我们把大量分子的这种运动叫做分子的热运动。从微观的角度看，在固体中，分子只能处于确定的位置上做微小的振动。如果给固体加热，固体会熔化为液体。在液体中，分子与临近分子拥挤在一起，可以发生位置的交换。如果继续给液体加热，液体会汽化为气体。在气体中，分子可以自由地运动，如下图所示。气体很容易被压缩，水和酒精混合后总体积减小，高压下的油透过钢壁渗出这类事实告诉人们，不论是气体、液体，还是固体，组成它们的分子之间是存在间隙的。在生产技术上，为了增强钢表面的硬度和耐磨性能而进行的渗碳处理、为了改变半导体材料的物理性能而掺入杂质等等，都是对分子间隙的一种利用。从水龙头里慢慢渗出的水总是一滴一滴地往下滴，荷叶上的露水也总是呈现出一个近似的球形，洗衣服时也总会形成一个个的肥皂泡这些现象都说明液体分子间存在着引力；而液压千斤顶利用的则是液体的不易压缩性，这说明液体分子间又存在着斥力。固体一般都具有固定的形状，它既不易被拉伸也不易被压缩的性质说明它的分子间既存