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高中物理课程 第三章牛顿运动定律 同学们好 欢迎大家和我一起学习牛顿运动定律 前面一章 我们学习了怎样描述物体的运动 但是没有进一步讨论 物体为什么会做这样或那样的运动 要讨论这个问题 必须知道运动和力的关系 在力学中 只研究物体怎样运动而不涉及运动和力的关系的分科 叫做运动学 研究运动和力的关系的分科 叫做动力学 牛顿运动定律是动力学的基本规律 本章内容是力学的核心内容 也是整个中学物理学的重点内容 请大家务必重视 努力学好本章内容 高中物理 牛顿运动定律 1 牛顿第一定律 惯性 2 物体运动状态的改变 3 牛顿第二定律 F ma 4 牛顿第三定律 一 本节课的知识要点 高中物理 牛顿运动定律 二 要点精讲 1 牛顿第一定律 又叫惯性定律 一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态 直到有外力迫使它改变这种状态为止 1 牛顿第一定律告诉我们 力不是维持物体速度的原因 而是改变物体速度的原因 即运动是物体的一种属性 物体的运动不需要力来维持 力是使物体运动状态改变 产生加速度的原因 2 牛顿第一定律指出了 任何物体都有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质 这种性质 我们把它叫做惯性 因此 牛顿第一定律又叫做惯性定律 惯性是一切物体固有的性质 不论物体的运动情况如何 受力情况怎样 所处位置哪里 物体都具有惯性 物体不受外力时 惯性表现为保持原来的运动状态不变 即静止的保持静止 运动的保持匀速直线运动 受外力时 惯性大小表现为改变运动状态的难易程度 质量是物体惯性大小的惟一量度 即物体的惯性大小只跟物体的质量有关 与其它一切因素都无关 质量大 惯性大 质量小 惯性小 高中物理 牛顿运动定律 2 物体运动状态的改变 物体的速度发生了改变 即物体的速度大小和 或 方向发生了改变 我们就说这个物体的运动状态发生了改变 物体的运动状态发生改变时 物体就具有加速度 3 牛顿第二定律 1 内容 物体的加速度跟物体所受的合外力成正比 跟物体的质量成反比 加速度的方向跟合外力的方向相同 2 公式 F合 ma 公式中各量的单位分别是 N kg m s2 即 1N 1kgm s2 3 理解 矢量性 a与F合的方向总是相同的 已知F合的方向 就可推知a的方向 已知a的方向 也可推知F合的方向 瞬时性 a与F合同时产生 同时变化 同时消失 F合为0 a也为0 物体处于平衡状态 F合不为0恒定 a也不为0恒定 物体做匀变速运动 F合变化 a也随之变化 物体做非匀变速运动 同体性 公式F合 ma中 各量都是对同一物体 同一研究对象 而言的 相对性 用公式F合 ma 求得的加速度a 是相对地面的 二 要点精讲 2 高中物理 牛顿运动定律 二 要点精讲 3 4 牛顿第三定律 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 作用在一条直线上 注意 1 作用力和反作用力总是同时出现 同时变化 同时消失的 2 作用力和反作用力是一对同种性质的力 3 一对作用力 反作用力和一对平衡力的区别 它们虽然都是大小相等 方向相反 作用在一条直线上 但它们有着本质的区别 其中最突出的两点就是 一对作用力和反作用力是分别作用在两个不同的物体上 且必为同一种性质的力 而一对平衡力是作用在同一物体上 且不一定是同种性质的力 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 1 1 1 能正确运用牛顿第一定律及惯性知识解释有关现象 解答有关问题 例1 如图所示 在沿水平面前进的小车上放一竖直的木块 突然发现木块向图示方向倾倒 试分析造成倾倒的原因是什么 解析 由图示的情况来看 木块上端向左倾倒 造成这种情况的原因可能是 1 小车向右运动突然加速 竖直木块和小车原来向右运动的 小车突然加速 木块下部因与小车间有摩擦而随小车向右运动的速度突然增大 木块上部因惯性要保持原来的速度向右运动 故而木块向左倾倒 2 小车向左运动突然减速 竖直木块和小车原来向左运动的 小车突然减速 木块下部因与小车间有摩擦而随小车向左运动的速度突然减小 木块上部因惯性要保持原来的速度向左运动 故而木块向左倾倒 高中物理 牛顿运动定律 例2 有人说 不受力的物体有惯性 受力的物体没有惯性 还有人根据物体运动速度大不容易停下来 运动速度小容易停下来说 惯性与物体的运动速度有关 速度大 惯性就大 速度小 惯性就小 这些说法是否正确 为什么 解析 这些说法都不正确 因为 惯性是一切物体本身固有的维持原来运动状态不变的性质 与物体受力情况 运动状态 所在位置等都无关 物体不受外力时 惯性表现为保持原来的运动状态不变 静止的保持静止 运动的保持匀速直线运动 受外力时 惯性表现为改变运动状态的难易程度 质量是物体惯性大小的惟一量度 所以 一切物体 静止的 运动的 运动慢的 运动快的 受力的 不受力的 受力大的 受力小的 地面上的 太空中的等 都有惯性 惯性大小只与物体的质量有关 而与其它一切因素都无关 注意 不能把 惯性大小表示运动状态改变的难易程度 理解成 惯性大小表示把物体从运动变为静止的难易程度 事实上 只在相同阻力作用的情况下 速度 大小 不同而质量相同的物体 在相同的时间内速度的减小量是相同的 这就说明质量相同的物体 它们运动状态改变的难易程度是相同的 因而它们的惯性是相同的 与它们的运动速度无关 三 能力要求 1 2 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 2 1 2 能正确判断物体的运动状态变化 例3 下列情况 物体的运动状态改变的有 A 飞行员跳伞后在空中匀速竖直下落B 自行车在水平环形轨道上以大小为10m s的速度运动C 投出去的铅球D 位置发生改变的木块解析 物体的速度发生改变 即物体运动的速度大小和 或 方向发生了改变 我们就说这个物体的运动状态发生了改变 飞行员跳伞后在空中匀速竖直下落 飞行员做匀速直线运动 速度大小和方向都不变 运动状态不变 木块位置发生改变 运动状态不一定改变 因为有可能是做匀速直线运动 自行车在环形轨道上运动 运动速度方向必然变化 投出去的铅球在空中运动 速度大小和方向都不断变化 它们的运动状态一定改变 所以 选择B和C 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 3 1 3 能运用牛顿第二定律解答有关问题 例4 平直轨道上运行的火车车厢中悬挂一质量为50g的小球 火车匀速行驶时悬绳竖直 向右匀加速行驶时 车厢中乘客发现悬绳与竖直方向成30 角固定不变 如图所示 求火车的加速度 g 10m s2 解析 悬绳与竖直方向成30 角固定不变 小球与车厢相对静止 即小球与车厢一道沿平直轨道做匀加速直线运动 以小球为研究对象 求出小球的加速度 也就知道了火车的加速度 如图 根据小球只沿水平方向做匀加速直线运动 由牛顿第二定律知 小球所受重力G和悬绳的拉力T的合力F必沿水平方向向右 所以 F ma F mgtan 由 得 a gtan 10 tan30 5 77m s2 方向水平向右 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 3 2 例5 如图所示 用两根橡皮绳悬挂一质量为m的小球 起初小球静止 BO绳水平 AO绳与竖直方向成 角 现将绳BO剪断 则在剪断BO绳的瞬间 小球的加速度为多少 解析 小球原受力情况如图 因小球原来静止 所受三个力的合力为零 T2等于T1和mg的合力F 大小为F mgtan 剪断BO绳的瞬间 T2立即消失 但由于小球的惯性 AO绳处于原状 T1的大小 方向与剪断前相同 小球的重力不变 所以剪断BO的瞬间 小球所受合力为mgtan 由牛顿第二定律可得 此时小球的加速度大小为gtan 方向水平向右 但要注意 上述加速度只存在于剪断绳BO的瞬间 当AO绳的形变发生变化 小球的受力情况发生变化 加速度也就随之发生变化了 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 3 3 例6 竖直向上飞行的子弹 达到最高点后又返回原地 假设整个过程中 子弹所受阻力大小与速度的大小成正比 则整个运动过程中 子弹加速度的变化情况是 A 始终变小 B 始终变大 C 先变小后变大 D 先变大后变小 解析 根据牛顿第二定律 要讨论加速度的变化 则应讨论物体所受合力的变化 而要弄清楚物体所受合力的变化情况 首先必须清楚物体的受力情况 故本题解答的关键在物体的受力分析上 高中物理 牛顿运动定律 由本题题意可知 子弹在上升和下降过程中受重力和阻力两个力的作用 重力不变 而阻力是一个随速度变化而变化的力 正是由于阻力的变化才导致了加速度的变化 a与F的瞬时对应关系 所以在分析子弹所受合力时 应结合子弹的运动情况进行分析 而子弹的运动可分为上升和下降两个阶段 故应分别讨论上升阶段和下落阶段合力的变化 子弹在上升阶段 向下方向的重力G大小不变 而向下方向的阻力 随上升速度的减小而减小 故子弹所受向下的合力 G 在逐渐变小 下落阶段 向下的重力G大小不变 而向上的阻力 随下落速度的增大而增大 故子弹所受向下的合力 G 仍是逐渐变小 综合以上分析可知 子弹在整个运动过程中所受的合力始终在减小 故它的加速度也始终在减小 在以上答案中应选择 A 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 3 4 例7 如图所示 质量为4kg的物体静止在水平面上 物体与水平面间的动摩擦因数为0 5 现对物体施加一大小为20N 方向与水平面成30 角斜向上的拉力F作用 使物体沿水平面做匀加速直线运动 求物体的加速度是多大 若一段时间后撤去拉力F 则撤去F后物体的加速度是多大 g 10m s2 解析 经分析 拉力F作用期间物体的受力情况如图 1 所示 因物体只沿水平方向加速运动 在竖直方向未发生运动 故由牛顿第二定律得 Fsin N mg 0 Fcos ma N 联立上面 三式解得 代入已知数据求得 a 0 58m s2 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 3 5 撤去拉力F之后一段时间内 物体仍沿水平面向右运动 这期间物体的受力情况如图 2 所示 由牛顿第二定律得 N mg 0 ma N 联立上面 三式可解得 a g 0 5 10m s2 5m s2即撤去拉力F之后 物体以5m s2的加速度做匀减速直线运动直至停下 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 4 1 4 能区别相互作用力 作用力 反作用力 和平衡力 例8 如图所示 物体A静止在水平地面上 下列说法正确的是 A 物体对地面的压力和它所受到的重力是一对平衡力B 物体对地面的压力和地面对物体的支持力是一对作用力和反作用力C 物体受到的重力和地面对物体的支持力是一对作用力和反作用力D 物体受到的重力和地面对物体的支持力是一对平衡力 高中物理 牛顿运动定律 解析 相互作用力 作用力 反作用力 和平衡力都具有大小相等 方向相反 作用在一条直线上的特点 但它们有本质的区别 其中最突出的两点是 作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上 且必为同一种性质的力 而平衡力是作用在同一物体上 可以是不同性质的力 物体由于形变对地面的压力 属于弹力 作用在地面上 而物体由于地球吸引所受到的重力作用在物体上 两者既不是一对平衡力 也不是一对作用力和反作用力 所以 A 不正确 物体对地面的压力和地面对物体的支持力是物体和地面之间的一对相互作用力 所以 B 正确 物体受到的重力和地面对物体的支持力同是物体A受到的两个力 物体A静止在水平地面上 这两个力平衡 所以 C 不正确 D 正确 高中物理 牛顿运动定律 三 能力要求 5 1 5 能正确运用牛顿第三定律解答有关问题 例9 运用牛顿第三定律判断 下面说法正确的是 A 跳高运动员起跳时 地对人的竖直支持力大于人对地的压力 B 钢丝绳吊起货物加速上升时 钢丝绳给货物的力大于货物给钢丝绳的力 C 篮球场上一个小同学撞在一个大同学身上 小同学跌倒了 而大同学只歪了一下 这是因为大同学撞小同学的力大于小同学撞大同学的力 D 火车出站时加速前进 机车对车厢的拉力等于车厢对机车的拉力 高中物理 牛顿运动定律 解析 跳高运动员起跳时 地对人的竖直支持力与人对地的压力 钢丝绳吊起货物加速上升时 钢丝绳给货物的力与货物给钢丝