新教材高中物理第四章运动和力的关系5牛顿运动定律的应用课件新人教版必修第一册

1、第四章 运动和力的关系学习目标1.结合生活情境,识别动力学的两类问题,理解加速度是解决动力学问题的桥梁.归纳出解决动力学问题的基本思路和方法,会用牛顿第二定律和运动学公式解决有关问题.逐步形成运动与相互作用观念.2.通过传送带模型,会对传送带上的物体进行受力分析,能正确解答传送带上的物体运动问题,培养物理建模能力,建立应用科学知识解决实际问题的意识.5牛顿运动定律的应用知识点一 从受力确定运动情况1.根据牛顿第二定律我们知道:力是产生加速度的原因,也就是力是改变物体运动状态的原因.如图所示,用力推车,车做加速运动;用头顶球,足球运动方向发生改变.这说明“运动”与“力”总是息息相关的.从物体的受

2、力出发,可以了解物体的运动情况.那么,怎样把受力和运动联系起来?答案:因为牛顿第二定律确定了加速度与力的关系,而在运动学公式中有加速度与运动参量的关系,所以加速度作为“桥梁”,把物体的受力与运动联系起来.2.通常可以用哪些关系求物体的加速度?3.从受力确定运动情况:如果已知物体的受力情况,可以由牛顿第二定律求出物体的 ,再通过 确定物体的运动情况.加速度运动学的规律知识点二从运动情况确定受力1.一位同学通过电视机观看火箭发射的情景,他听到现场指挥倒计时结束发出“点火”命令后,立刻用停表计时,测得火箭底部到达发射架顶端的时间为t,他想估算出火箭受到的推力,试分析还要知道哪些条件.不计空气阻力,重

3、力加速度为g.2.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 ,结合受力分析,再根据 求出力.加速度牛顿第二定律小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的在括号内打“”,错误的打“”).探究一从受力确定运动情况问题情境在高速公路上,车辆驶入下坡路段后持续使用刹车容易造成刹车毂过热,致使车辆制动性能降低或制动失灵,而发生追尾、对撞等恶性交通事故.为避免这种事故,经常在高速下坡路段修一段“避险车道”,如图所示.避险车道均采用上坡式制动坡床,坡度一般为3540,失控车辆冲上这个车道后,利用上坡路段和地面砂石的阻力,强制车辆减速停车.1.假如你是设计“避险车道”的工程师,

4、怎样确定车道的最短长度?答案:汽车驶入避险车道,做匀减速运动,汽车从进入避险车道到安全停下所运动的位移就是车道的最短长度.先分析汽车在避险车道上的受力情况,然后根据牛顿第二定律求出加速度,再利用运动学公式确定车道的最短长度.2.若已知汽车在高速公路上行驶的最大速度为vm,重力加速度为g,要计算避险车道的长度,还要知道哪些物理量?过程建构从受力确定运动情况.(1)解题思路.(2)解题步骤.确定研究对象,对研究对象进行受力分析,并画出物体的受力示意图.根据力的合成与分解,求出物体所受的合力(包括大小和方向).根据牛顿第二定律列方程,求出物体运动的加速度.结合物体运动的条件,选择运动学公式,求出要求

5、的运动学参量.【典例1】一木箱装货物后质量为50 kg,静止在地面上.某人以200 N斜向上的力拉木箱,拉力的方向与水平面成30角,木箱与地面间的动摩擦因数为0.2,g取10 m/s2.求:(1)木箱的加速度大小;(2)第2 s末木箱的速度大小.解析:取木箱为研究对象,木箱的受力情况如图所示,取加速度a的方向为x轴的正方向,建立直角坐标系xOy.答案: (1)1.86 m/s2(2)3.72 m/s【典例2】如图所示,在游乐场里有一种滑沙运动,某人坐在滑板上从斜坡的A点由静止开始滑下,滑到斜坡底端B点后,沿水平滑道再滑行一段距离到达C点停下来.如果人和滑板的总质量m=60 kg,滑板与斜坡滑道

6、和水平滑道间的动摩擦因数均为=0.5,斜坡的倾角=37(sin 37=0.6,cos 37=0.8),斜坡与水平滑道间是平滑连接的,整个运动过程中空气阻力忽略不计,g取10 m/s2.(1)人从斜坡上滑下的加速度大小是多少?(2)若由于场地的限制,水平滑道的最大距离BC为l=20.0 m,则人从斜坡上滑下的距离AB应不超过多少?学会审题(1)分析人下滑过程及在水平滑道上的受力情况.(2)运用牛顿第二定律和运动学规律分析求解相关量.解析:(1)以人(含滑板)为研究对象,对其进行受力分析,建立如图甲所示的坐标系.设人从斜坡上滑下的加速度为a1,由牛顿第二定律得mgsin -Ff1=ma1,FN1-

7、mgcos =0,Ff1=FN1,联立解得a1=g(sin -cos )=2 m/s2.甲(2)人在水平滑道上的受力分析如图乙所示.答案:(1)2 m/s2(2)50 m乙探究二从运动情况确定受力问题情境如图所示,房屋屋顶的设计要考虑很多因素,其中很重要的一点是要考虑排水问题.如果某地降雨量较大,设计的房屋屋顶应使雨滴能尽快淌离房顶,设雨滴沿屋顶流下时不考虑阻力且初速度为0.1.设计屋顶时需要考虑哪些因素?2.某同学设计了以下几种坡度的屋顶(房屋的宽度一定),试分析哪一种排水效果最好(水最快淌离屋顶).过程建构从运动情况确定受力.(1)解题思路.(2)解题步骤.确定研究对象,对研究对象进行受力

8、分析和运动过程分析,并画出受力示意图和运动草图.选择合适的运动学公式,求出物体的加速度.根据牛顿第二定律列方程,求物体所受的合力.根据力的合成或分解的方法,由合力求出所需的力.【典例3】如图所示,一位滑雪者以v0=20 m/s的初速度沿直线冲上一倾角为30的斜坡,从刚冲上斜坡开始计时,至3.8 s末,该滑雪者的速度变为0.如果该滑雪者(含滑雪设备)的质量为m=80 kg,求该滑雪者受到的阻力.g取10 m/s2.学会审题(1)根据已知条件求出加速度.(2)分析滑雪者的受力情况.(3)运用牛顿第二定律求出其受到的阻力.答案:21 N,方向沿斜坡向下根据牛顿第二定律,有mgsin 30+Ff=ma

9、,代入数据解得Ff=21 N,方向沿斜坡向下.答案:3.125104 N解决动力学问题的两个关键点课堂评价1.一个物体静止在光滑水平面上,现有水平恒力F作用在物体上,使物体由静止开始运动,当物体的位移为x0时,立刻换成-4F的力,作用相同时间,该过程中物体的总位移为( )A.-x0B.x0C.0D.-2x0答案:A2.一种汽车安全带控制装置的示意图如图所示,当汽车处于静止或匀速直线运动时,摆锤竖直悬挂,锁棒水平,棘轮可以自由转动,安全带能被拉动.当汽车突然刹车时,摆锤由于惯性绕轴摆动,使得锁棒锁定棘轮,安全带不能被拉动.若摆锤从图中实线位置摆到虚线位置,汽车可能的运动方向和运动状态是( )A.

10、向左行驶、匀速直线运动B.向左行驶、突然刹车C.向右行驶、突然刹车D.向右行驶、匀速直线运动答案:C解析:解析:对摆锤进行受力分析,建立直角坐标系,如图所示.摆锤在水平方向所受合力不为0且方向向左,故摆锤的加速度方向向左,所以若汽车向左运动,则可能向左做匀加速运动;若汽车向右运动,则可能向右做匀减速运动.故选项C正确.3.行车过程中,如果车距不够,刹车不及时,汽车将发生碰撞,车里的人可能受到伤害,为了尽可能地减轻碰撞造成的伤害,人们设计了安全带.假定乘客质量为70 kg,汽车车速为90 km/h,从踩下刹车到车停止需要的时间为5 s,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

11、.450 NB.400 NC.350 ND.300 N答案:C4.(2021全国乙卷)水平地面上有一质量为m1的长木板,木板的左端上有一质量为m2的物块,如图甲所示.用水平向右的拉力F作用在物块上,F随时间t的变化关系如图乙所示,其中F1、F2分别为t1、t2时刻F的大小.木板的加速度a1随时间t的变化关系如图丙所示.已知木板与地面间的动摩擦因数为1,物块与木板间的动摩擦因数为2.假设最大静摩擦力均与相应的滑动摩擦力相等,重力加速度大小为g.则( )解析:由题图丙可知tt2时木板做匀加速运动,物块与木板相对运动,t1tt2时,物块与木板一块加速运动,t1(m1+m2)g,答案:BCD5.如图所

12、示,楼梯口一倾斜的天花板与水平面成=37角,一装修工人手持木杆绑着的刷子粉刷天花板,工人所持木杆对刷子的作用力始终竖直向上,大小为F=10 N,刷子的质量为m=0.5 kg,刷子可视为质点,刷子与天花板间的动摩擦因数为=0.5,天花板长为l=4 m,g取10 m/s2,sin 37=0.6,试求:(1)刷子沿天花板向上运动的加速度大小;(2)工人把刷子从天花板底端推到顶端所用的时间.解析:(1)以刷子为研究对象,受力分析如图所示.答案:(1)2 m/s2(2)2 s6.21世纪新能源环保汽车在设计阶段要对其各项性能进行测试.某次新能源汽车性能测试中,牵引力传感器传回的牵引力随时间变化的关系如图

13、甲所示;但由于故障,速度传感器只传回了第25 s以后的数据,如图乙所示.已知汽车质量为1 500 kg,若测试平台是水平的,且汽车由静止开始做直线运动,汽车所受阻力恒定.甲乙(1)18 s末汽车的速度是多少?(2)前25 s内汽车的位移是多少?答案:(1)26 m/s(2)608 m学科素养培优模型建构传送带模型中的动力学问题传送带模型1.水平传送带模型.水平传送带模型分为三种情况,如下表所示.模型图示滑块可能的运动情况模型1可能一直加速;可能先加速后匀速模型2v0=v时,一直匀速;v0v时,可能一直减速,也可能先减速再匀速;v0v时,返回时速度为v;当v0v时,返回时速度为v02.倾斜传送带

14、模型.物体沿倾角为的传送带传送时,可以分为两类:物体由底端向上运动;物体由顶端向下运动.解决倾斜传送带问题时要特别注意mgsin 与mgcos (设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)的大小和方向的关系,进一步判断物体所受合力与速度方向的关系,确定物体的运动情况.模型图示滑块可能的运动情况模型1可能从左端滑下;可能静止;可能一直加速;可能先加速后匀速模型2可能一直加速;可能先加速后匀速;可能先以a1加速后以a2加速模型3可能一直加速;可能一直匀速;可能先加速后匀速;可能先减速后匀速;可能先以a1加速后以a2加速;可能一直减速模型4可能一直加速;可能一直匀速;可能先减速后反向加速【典例1】如图所示,水平

15、方向的传送带顺时针转动,传送带速度大小v=2 m/s 不变,两端A、B间距离为 3 m.一物块从B端以v0=4 m/s滑上传送带,物块与传送带间的动摩擦因数=0.4,g取10 m/s2.物块从滑上传送带至离开传送带的过程中,速度随时间变化的图像是( )ABCD答案:B【思维建构】水平传送带问题的解题思路:第一步:构建物理模型水平传送带模型3第二步:解读模型规律物块先减速,再反向加速,最后和传送带一起匀速运动第三步:扩展延伸如果传送带较短,物块一直减速【典例2】如图甲所示,倾角为的传送带以恒定速率逆时针运行.现将一质量m=2 kg的小物体轻轻放在传送带的A端,物体相对地面的速度随时间变化的关系如图乙所示,2 s末物体到达B端,取沿传送带向下为正方向,g取10 m/s2,求:(1)小物体在传送带A、B两端间运动的平均速度v的大小.(2)物体与传送带间的动摩擦因数.甲乙答案:(1)8 m/s(2)0.5【典例3】如图所示,有一条沿顺时针方向匀速转动的传送带,其速度v=4 m/s,传送带与水平面的夹角=37,现将质量m=1 kg的物块(物块可视作质点)轻放在其底端,与此同时,给物块一沿传送带方向向上的恒力F,F=8 N