高中物理必修第一册(人教版)第四章5牛顿运动定律的应用

高中同步学案优化设计GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHAUSHEJI5牛顿运动定律的应用第四章2021内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.掌握用牛顿运动定律解决两类问题的方法。(科学思维)2.理解加速度是解决动力学问题的桥梁。(物理观念)3.掌握解决动力学问题的基本思路和方法。(科学思维)思维导图课前篇自主预习[必备知识]一、从受力确定运动情况如果已知物体的受力情况,可以根据牛顿第二定律求出物体的加速度,再通过运动学的规律确定物体的运动情况。二、从运动情况确定受力如果已知物体的运动情况,根据运动学规律求出物体的加速度,结合受力分析再根据牛顿第二定律求出力。说明:牛顿第二定律确定了运动和力的关系,使我们能够把物体的运动情况与受力情况联系起来。[自我检测]1.正误辨析(1)物体所受合力方向就是加速度方向,也就是其运动方向。(

)解析

物体所受合力方向就是加速度方向,但加速度的方向不一定与运动方向相同。答案

×(2)同一个物体,其所受合力越大,速度越大。(

)解析

物体的运动快慢由其速度大小决定,与物体所受的合力大小无关。答案

×(3)加速度是联系运动和力的桥梁。(

)解析

加速度是描述运动的物理量,同时力是产生加速度的原因,故加速度是联系力和运动的桥梁。答案

√(4)同一物体所受的合力减小,加速度一定减小,而速度不一定减小。(

)解析

同一物体所受的合力减小,加速度一定减小,若加速度与速度同向,速度增大,若加速度与速度反向,速度减小。答案

√(5)物体初速度的方向与合力的方向相同,物体做加速运动;物体初速度的方向与合力的方向相反,物体做减速运动。(

)解析

物体初速度的方向与合力的方向相同,则加速度与速度同向,物体做加速运动;物体初速度的方向与合力的方向相反,则加速度与速度反向,物体做减速运动。答案

√(6)物体运动状态的变化情况是由它的受力决定的。(

)解析

运动状态的改变情况是由加速度决定的,加速度是由受力决定的。答案

√2.太空中测量质量的原理是依据牛顿运动定律,航天员在轻质支架上被另一航天员拉离平衡位置,松手后,该航天员在大小为120N的恒定合力作用下,经0.5s复位,测得复位时瞬间速度为1m/s,则被测航天员的质量为(

)A.65kg B.60kgC.70kg D.75kg解析

把航天员由静止到复位的过程看作匀加速直线运动,其加速度为答案

B课堂篇探究学习问题一从受力确定运动情况[情境探究]玩滑梯是小孩非常喜欢的活动,如果滑梯的倾角为θ,一个小孩从静止开始下滑,小孩与滑梯间的动摩擦因数为μ,滑梯长度为L,怎样求小孩滑到底端的速度大小和需要的时间?要点提示

首先分析小孩的受力,利用牛顿第二定律求出其下滑的加速度,然后根据公式v2=2ax和x=at2即可求得小孩滑到底端的速度大小和需要的时间。[知识点拨]1.解题步骤(1)确定研究对象,对研究对象进行受力分析,并画出物体的受力分析图。(2)根据力的合成与分解,求合力(包括大小和方向)。(3)根据牛顿第二定律列方程,求加速度。(4)结合物体运动的初始条件,选择运动学公式,求运动学量——任意时刻的位移和速度,以及运动时间等。2.流程[实例引导]例1(2020河北张家口高一月考)如图所示,固定在地面上的斜面足够长,其倾角为30°,一质量为1kg的物块放在斜面底端,在平行于斜面向上F=10N的力的作用下沿斜面向上运动,物块与斜面之间的动摩擦因数为,g取10m/s2,则2s后物块的速度为(

)A.1m/s B.5m/s C.8m/s D.10m/s解析

在拉力作用下,设物体的加速度为a,根据牛顿第二定律有F-mgsin

30°-μmgcos

30°=ma,解得a=2.5

m/s2,物块2

s末的速度为v=at=5

m/s,故选B。答案

B规律方法

应用牛顿第二定律解题时求合力的方法(1)合成法:物体只受两个力的作用产生加速度时,合力的方向就是加速度的方向,解题时要求准确作出力的平行四边形,然后运用几何知识求合力F合。反之,若知道加速度方向就知道合力方向。(2)正交分解法:当物体受到两个以上的力作用而产生加速度时,通常用正交分解法解答,一般把力正交分解为沿加速度方向和垂直于加速度方向的两个分量。即沿加速度方向Fx=ma,垂直于加速度方向Fy=0。变式训练1如图所示,放置于水平地面上质量是10kg的物体,在与水平方向成37°角的斜向右上方的拉力F=100N的作用下,由静止开始沿水平地面做直线运动,物体与地面间的动摩擦因数为μ=0.5(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2),试求:(1)5s末物体的速度大小和5s内物体的位移大小;(2)拉力F多大时物体可以做匀速直线运动?解析

(1)以物体为研究对象进行受力分析,建立直角坐标系如图所示,根据牛顿第二定律得,x方向有Fcos

37°-Ff=may方向有Fsin

37°+FN-mg=0又Ff=μFN联立解得a=6

m/s25

s末物体的速度大小v=at=6×5

m/s=30

m/s5

s内物体通过的位移大小x=at2=×6×52

m=75

m。(2)物体做匀速运动时加速度为零,可得Fcos

37°-μ(mg-Fsin

37°)=0解得F=45.5

N。答案

(1)30m/s

75m

(2)45.5N问题二从运动情况确定受力[情境探究]一运动员滑雪时的照片如图所示,如果:(1)知道在下滑过程中的运动时间。(2)知道在下滑过程中的运动位移。试结合上述情况讨论:由物体的运动情况确定其受力情况的思路是怎样的?要点提示

先根据运动学公式,比如v=v0+at,x=v0t+at2,v2-=2ax等,求得物体运动的加速度,再由牛顿第二定律求物体的受力。[知识点拨]1.解题步骤(1)确定研究对象,对研究对象进行受力分析,画出力的示意图;(2)选取合适的运动学公式,求加速度a;(3)根据牛顿第二定律列方程,求合力;(4)根据力的合成与分解的方法,由合力求所需的力。2.流程[实例引导]例2(2021陕西宝鸡高一期末)汽车安全带的作用是在汽车紧急刹车或发生碰撞时,尽可能地减轻对乘客的伤害。假定乘客质量为70kg,汽车车速为90km/h,从踩下刹车到完全停止需要的时间为5s,安全带对乘客的作用力大小约为(不计人与座椅间的摩擦)(

)A.450N B.400N C.350N D.300N解析

车速为v=90

km/h=25

m/s,刹车的加速度为a==5

m/s2,根据牛顿第二定律得F=ma=350

N,故选C。答案

C规律方法

由运动情况确定受力应注意的两点问题(1)由运动学规律求加速度,要特别注意加速度的方向,从而确定合力的方向,不能将速度的方向和加速度的方向混淆。(2)题目中所求的力可能是合力,也可能是某一特定的力,均要先求出合力的大小、方向,再根据力的合成与分解求分力。变式训练2(2020甘肃天水高一期末)一个质量为5.0kg的物体,从离地面36m高处,由静止开始加速下落,下落过程中阻力恒定,经3s落地。g取10m/s2,求:(1)物体下落的加速度的大小;(2)物体3s末的速度大小;(3)下落过程中物体所受阻力的大小。(2)3

s末的速度大小v=at=24

m/s。(3)根据牛顿第二定律得,mg-Ff=ma解得Ff=10

N下落过程中物体所受阻力的大小为10

N。答案

(1)8m/s2

(2)24m/s

(3)10N问题三多过程问题分析[情境探究]游乐园内有一种大型游戏机叫“跳楼机”。参加游戏的游客质量为m,从离地面h高处由静止释放。忽略座椅与轨道间的摩擦力,让人与座椅沿轨道下落t时间后,开始受到恒定阻力而立即做匀减速运动,下落到地面时速度刚好减小到零。如果把上述复杂的运动过程分为两个简单的过程,你认为这两个过程分别属于已知运动还是已知力的过程?你能提出哪些用牛顿定律和运动学公式可解决的问题?(重力加速度为g)要点提示

第一个过程是已知力的过程,物体只受重力作用,做自由落体运动。第二个过程是已知运动的过程,已知物体的运动时间和运动距离,可以由运动学公式求出加速度。第一个过程可以求出下落的加速度为多大和下落的高度为多少。第二个过程可以求得下落的加速度为多大和座椅给人的支持力为多大。[知识点拨]1.多过程问题:当题目给出的物理过程较复杂,由多个过程组成时,要明确整个过程由几个子过程组成,将过程合理分段,找到相邻过程的联系点并逐一分析每个过程。联系点:前一过程的末速度是后一过程的初速度,另外还有位移关系等。2.注意:由于不同过程中力发生了变化,所以加速度也会发生变化,所以对每一个过程都要分别进行受力分析,分别求加速度。[实例引导]例3(多选)(2020福建福州高一期末)如图甲所示,一水平传送带沿顺时针方向以恒定速率转动,在传送带左端A处轻放一可视为质点的小物块,小物块从A端向B端运动的速度随时间变化的关系图像如图乙所示,t=6s时恰好到B点,重力加速度g取10m/s2,由以上信息可求得(

)A.传送带的速度大小B.传送带A、B间的长度C.小物块的质量D.小物块与传送带间的动摩擦因数解析

由题图乙可知,4

s后小物块与传送带的速度相同,故传送带的速度大小为4

m/s,A正确;题图乙中v-t图线与时间轴所围成的面积表示小物块的位移大小,即传送带A、B间的长度为

=16

m,故B正确;由题图乙可知,加速过程的加速度大小为a==1

m/s2,由牛顿第二定律有μmg=ma,解得μ=0.1,但无法求得小物块的质量m,故C错误,D正确。答案

ABD规律方法

多过程问题的分析方法(1)明确整个过程由几个子过程组成,分析每个过程的受力情况和运动情况,根据每个过程的受力特点和运动特点确定解题方法(正交分解法或合成法)及选取合适的运动学公式。(2)找到相邻过程的联系点:前一过程的末速度是后一过程的初速度,另外还有位移关系等。变式训练3在某一旅游景区,建有一山坡滑草运动项目。该山坡可看成倾角θ=30°的斜面,一名游客连同滑草装置总质量m=80kg,他从静止开始匀加速下滑,在时间t=5s内沿斜面滑下的位移x=50m。(不计空气阻力,g取10m/s2)(1)游客连同滑草装置在下滑过程中受到的摩擦力Ff为多大?(2)滑草装置与草皮之间的动摩擦因数μ为多大?(3)设游客滑下50m后进入水平草坪,试求游客在水平面上滑行的最大距离。

随堂检测1.静止在水平地面上的小车,质量为5kg,在50N的水平拉力作用下做直线运动,2s内匀加速前进了4m,在这个过程中(g取10m/s2)(

)A.动摩擦因数为0.6 B.摩擦力的大小为10NC.小车加速度的大小是1m/s2 D.小车2s末的速度是4m/s解析

小车做初速度为零的匀加速直线运动,根据x=v0t+at2,代入数据解得a=2

m/s2,故C错误;根据v=v0+at可得v=4

m/s,D正确;对小车应用牛顿第二定律,得F-Ff=ma代