上海市高三物理二轮复习讲义第三单元牛顿运动定律

第三单元牛顿运动定律目录TOC\o"13"\h\u第1讲牛顿运动定律 1第2讲牛顿运动定律的应用 9第3讲实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系 21课标要求:1.通过实验,探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律,能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验,认识超重和失重现象。2.知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。知识结构第1讲牛顿运动定律内容梳理【概念规律】1.牛顿第一定律(1)内容:一切物体总保持__________或__________状态,除非有作用力迫使它改变这种状态。揭示了力不是维持速度的原因,力是改变__________的原因。(2)惯性：物体自身具有保持__________或__________的性质。揭示了一切物体都具有惯性,与运动情况和受力情况__________,因此牛顿第一定律也叫做__________。2.牛顿第二定律(1)内容:物体运动的加速度大小与物体受到的__________成正比,同物体的__________成反比,加速度方向与__________的方向相同。(2)表达式:__________1N的物理意义:使质量为1kg的物体产生1m/s2加速度的力为(3)国际单位制:由基本单位和导出单位组成。7个基本单位分,力学中有3个:长度单位米、__________单位__________、__________单位;热学中有2个:热力学温度单位开尔文、__________单位__________;电学中有1个:__________单位__________;光学中的发光强度单位坎德拉。用基本物理量的单位根据物理量之间的关系所推导出的其他物理量的单位叫__________。(4)揭示:是__________惯性的大小的唯一量度。3.牛顿第三定律(1)内容:两个物体间的一对作用力F和反作用力F'(2)表达式:__________答案:1.匀速直线运动静止物体运动状态匀速直线运动静止无关惯性定律2.作用力质量作用力F=ma时间秒质量千克物质的量摩尔电流安培导出单位3.大小相反同一条直线F【问题情境举隅】比比谁的力气大以鸡蛋击石,石头没损坏,而鸡蛋破了。两人掰手腕、两队拔河比赛,最终决出胜负。启动加速火箭点火升空,赛车启动加速,它们的运动状态都发生了变化。关键点拨惯性【例题1】对下列现象的解释中正确的是 ()A.在牵引力的作用下,汽车沿水平方向前进,所以力是使物体运动的原因B.竖直向上抛出的物体由于惯性向上运动,惯性逐渐变小,所以速度越来越小C.高速行驶的汽车由于速度大,惯性大,所以很难停下来D.质量越大的物体运动状态不容易改变是由于物体的质量越大,惯性也越大的缘故课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】惯性是物体的固有属性,一切物体都具有惯性。惯性的大小只与物体的质量有关,质量越大,惯性越大。惯性与物体的受力情况、运动状态和所处位置无关。惯性的表现形式:当物体不受力或所受合力为零时,惯性表现为保持匀速直线运动状态或静止状态。当物体所受合力不为零时,惯性表现为运动状态改变的难易程度,质量越大,惯性越大,运动状态越难改变。理解牛顿第一定律【例题2】如图所示,小明面朝东坐在列车中,看到水平桌面上的小球忽然离开他向东滚动,仅凭这一现象可知 ()A.列车的加速度方向一定向西 B.列车的加速度方向一定向东C.列车的速度方向一定向西 D.列车的速度方向一定向东课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因,而不是维持物体运动状态的原因。牛顿第一定律描述的是一种物体不受任何力作用的理想化状态,实际上是不存在的。如果物体所受的合力等于零,那么物体同样会保持匀速直线运动或静止状态。牛顿第一定律揭示了惯性是物体所具有的固有属性。理解牛顿第二定律【例题3】下列说法中正确的是 ()A.由F=ma可知,F与a成正比,m与B.牛顿第二定律说明当物体有加速度时,物体才受到外力的作用C.加速度的方向总跟合力的方向一致D.当外力停止作用时,加速度不会立即消失课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】因果性：力是使物体产生加速度的原因。矢量性:加速度的方向与力(或合力)的方向始终一致。瞬时性:加速度与力(或合力)同时产生,同时消失。局限性:只适用于宏观、低速运动的物体,不适用于微观、高速运动的物体。牛顿第二定律的简单运用【例题4】2021年10月16日0时23分,“神舟十三号”成功发射,顺利将三名宇航员送入太空并进驻空间站。在空间站中,测量一个物体的质量,需要运用特殊方法:如图所示,先对质量1kg的标准物体P施加一个水平恒力F,测得其在1s内的速度变化量大小是10m/s,然后将标准物与待测物Q紧靠在一起,施加同一水平恒力F,测得它们1s内速度变化量大小是2m/s,求待测物体Q的质量。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨4】解题的基本思路：以物体P为研究对象→分析物体P的受力情况→分析物体P的运动情况→根据牛顿第二定律列式求解→以物体P和Q为整体作为研究对象→分析PQ整体的受力情况→分析PQ整体的运动情况→根据牛顿第二定律列式求解国际单位制【例题5】现有以下一些物理量和单位,(1)特斯拉、(2)米/秒、(3)牛顿、(4)焦耳、(5)电功率、(6)秒、(7)厘米、(8)库仑。其中属于物理量的有__________(填序号,下同);在国际单位制中被选定为基本单位的有__________。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。理解牛顿第三定律【例题6】如图所示,粗糙水平面上的一只木箱在水平推力的作用下匀速前进。则 ()A.推力与地面对木箱的摩擦力是一对作用力与反作用力B.木箱对地面的压力与地面对木箱的支持力是一对作用力与反作用力C.地面对木箱的摩擦力与木箱对地面的摩擦力是一对平衡力D.木箱对地面的压力与木箱受到的重力是一对平衡力课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨5】一对作用力与反作用力和一对平衡力的异同点共同点:大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。不同点:一对作用力与反作用力一对平衡力对象两个相互作用的物体同一个物体关系同时产生、同时消失不一定同时产生、同时消失性质相同不一定相同效果不能抵消相互抵消过关演练【经典过关】对一些生活中的现象,小明同学识图从惯性角度进行分析。其中合理的是 ()A.“强弩之末,势不能穿鲁缟”,是因为强砮射出的箭的惯性减小了B.车辆转弯时适当减速,是为了减小车辆的惯性,使行驶更安全C.汽车超速行驶易引发交通事故,是因为速度大的汽车惯性更大D.货运列车在有些站加挂车厢,这会增大它的惯性2.牛顿第一定律表明,力是物体__________发生变化的原因;静止物体的惯性表现为__________。3.“神舟十号太空授课”的一项内容是测量航天员的“体重”。测量设备以恒定拉力拉动航天员,并同时测量两个物理量:设备提供的拉力和__________;再根据__________就能得出航天员的质量。4.如图所示,在水平向右匀速行驶的车厢内,用细绳a和b系住一小球,绳b处于水平状态。若车辆紧急刹车(小球相对于车厢的位置不变),则两根细绳的拉力Fa________(选填“变大”“变小”或“不变”,下同),Fb________5.2018年国际基本单位之一“千克”被重新定义为:一千克等于普朗克常量ℎ除以6.62607015×10−34m2⋅A.kg⋅sm2 B.kg⋅m2s 6.如图所示,甲乙两人掰手腕。若甲对乙的力为Fa,乙对甲的力为Fb,最终甲获胜,则A.Fa<Fb B.C.Fa和Fb相互抵消 D.Fa【综合演练】理想实验理想实验不是真实实验,而是利用理想模型进行逻辑推理的思维活动。理想实验作为一种抽象思维方法,对科学的发展起到了重要和积极的作用,如伽利略的理想实验,不仅纠正了亚里士多德的观点,更为牛顿第一定律的建立奠定了基础。1.古希腊哲学家亚里士多德根据观察和思辨得出力是__________的原因。这一根据生活经验和事物表象得出的错误观点被人们沿用了近2000年。2.17世纪,伽利略通过__________理想实验,揭示了“力与运动的关系”。如图所示,该理想实验的设想步骤如下:①减小右边斜面的倾角,小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度。②两个斜面对接,让静止的小球沿左边斜面滚下,小球将滚上右边另一个斜面。③如果没有摩擦,小球将上升到原来释放时的高度。④继续减小右边斜面的倾角,最后使它成为水平面,小球就应沿水平面一直运动下去。上述理想实验的设想步骤的正确排列顺序是：__________→__________→__________→__________(选填序号,下同)。上述步骤中,属于可靠事实的是__________,属于理想化推论的是__________。伽利略提出物体的运动不需要任何力来维持,力__________的原因。伽利略开创了实验总结、理论演绎和逻辑推理相结合的科学研究方法。第2讲牛顿运动定律的应用内容梳理【概念规律】1.牛顿第一定律揭示了力是改变物体运动状态的原因,即力是物体产生__________的原因。2.牛顿第二定律揭示了合力与速度__________时,物体做加速直线运动;合力与速度__________时,物体做减速直线运动。3.超重与失重(1)超重①产生条件:物体的加速度方向__________②原理解释:根据牛顿第二定律F−mg③运动状态:加速__________或减速__________(2)失重①产生条件:物体的加速度方向__________②原理解释:根据牛顿第二定律mg−F③运动状态:加速__________或减速__________(3)完全失重①产生条件:物体的加速度方向__________,且加速度大小等于__________②原理解释:根据牛顿第二定律mg−③运动状态:自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动等答案:1.加速度2.同向反向3.竖直向上mg+a>上升下降竖直向下mg−a<下降【问题情境举隅】道路减速装置道路上有各种各样的减速装置,如高速公路事故多发地段的减速带、险峻道路上的避险车道。交通工具的运动各类交通工具启动、制动时都在做变速运动。飞机在跑道上加速起飞；公共汽车减速驶入公交站；列车加速驶过铁路大桥。体育运动奥运口号“更快、更高、更强、更团结”，不仅体现了人类不断地追求运动极限，而且体现了人类团结一致的必要性。蹦极、蹦床。自由式滑雪大跳台、冰壶等运动都借助器械完成加速后，完成后续的一系列动作。竖直方向的运动上海中心内有世界上最快的电梯，能在55秒内直达119楼观景台；无人机能迅速上升到高空进行拍摄；2023年5月30日神舟十六号载人飞船发射取得圆满成功。关键点拨两类基本问题【例题1】物流公司通过滑轨把货物直接装运到卡车中。如图所示，倾斜滑轨与水平面的夹角为37∘,长度l1=2m,水平滑轨长度可调,两滑轨间平滑连接。若货物从倾斜滑轨顶端由静止开始下滑,其与滑轨间的动摩擦因数均为μ=0.25,货物可视为质点(1)求货物在倾斜滑轨上滑行时加速度a1(2)求货物在倾斜滑轨末端时速度v的大小;(3)若货物滑离水平滑轨末端时的速度不超过2m/s,求水平滑轨的最短长度l2课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】牛顿运动定律应用的两类基本问题(1)已知力求解运动状态变化确定研究对象→对研究对象进行受力分析→求出研究对象受到的合力→根据牛顿第二定律列式求加速度→根据运动学公式求运动中的某一物理量。(2)已知运动状态变化求力确定研究对象→对研究对象进行运动分析→根据运动学公式求加速度→根据牛顿第二定律列式求合力→根据受力情况求受到的某一个力。解题关键:(1)两类分析：做好受力分析和运动分析。(2)两个桥梁：加速度是力与运动的桥梁,速度是各段运动的桥梁。超重与失重【例题2】如图所示,游乐场里的“跳楼机”可以使人体验超重和失重状态。一个可坐二十多人的环形座舱套装在竖直柱子上,由升降机送上几十米的高处,然后让座舱自由下落。落到一定位置时,制动系统启动,到地面时刚好停止。已知座舱开始下落时的高度为75m,当落到离地面30m的位置时开始制动,座舱做匀减速直线运动。若座舱中某人的质量为60kg,g取10m/(1)当座舱落到离地面50m的位置时,人对座舱的压力。(2)当座舱落到离地面20m的位置时,人对座舱的压力。(3)体验超重和失重的时间之比。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨2】判断超重与失重的依据(1)受力角度:物体受向上的拉力(或支持力)力大于重力时,物体处于超重状态;物体受向上的拉力(或支持力)小于重力时,物体处于失重状态。(2)加速度角度:物体具有向上的加速度时,物体处于超重状态;物体具有向下的加速度时,物体处于失重状态。瞬时问题【例题3】如图所示,细绳一端系在小球O上,另一端固定在天花板上A点,细绳与天花板的夹角为θ,轻质弹簧一端与小球连接,另一端固定在竖直墙上B点,小球处于静止状态。将细绳剪断的瞬间,求小球的加速度大小和方向。(重力加速度为g)课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨3】瞬时问题的基本解题思路确定研究对象→分析原状态下研究对象的受力情况→分析在突变时研究对象的受力情况→根据牛顿第二定律列式求瞬时加速度→判断结果的合理性本题的关键点:剪断细绳瞬间,细绳的拉力消失,弹簧的弹力不变(弹簧不突变)。思维拓展:如果从小球与轻质弹簧连接点将弹簧全部剪掉瞬间,弹簧的弹力消失,细绳的拉力改变(细绳突变),小球由静止开始向下摆动,细绳的拉力突变为重力沿细绳方向的分量。临界值问题【例题4】如图所示,倾角为60∘的光滑斜面体上,一个质量为m的小球被平行于斜面的轻绳系于斜面上,斜面体放在水平面上,重力加速度为g(1)要使小球对斜面无压力,斜面运动的加速度至少多大。(2)要使小球对轻绳无拉力,斜面运动的加速度大至少多大。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(1)两物体脱离的临界条件:FN(2)轻绳松弛的临界条件:FT(3)轻绳断裂的临界条件:FT(4)相对滑动的临界条件：静摩擦力达到最大值。变加速问题【例题5】如图所示,一根轻质弹簧下端固定在水平地面上,一个质量为m的小球(可视为质点),从距弹簧上端ℎ处静止下落。以小球下落点为起点,取竖直向下为正方向建立x轴,小球下落到最低点的位移为H。整个过程中弹簧一直处于竖直状态,且始终处于弹性限度内。小球下落过程中的加速度a、速度v、弹簧的弹力F和弹性势能EP变化图像中正确的是 课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨5】弹簧弹力作用下小球的运动特征(1)OA阶段:小球只受重力作用,做自由落体运动。(2)AB阶段:小球受到重力和竖直向上的弹簧弹力作用。由于弹力小于重力,小球继续加速。由于弹簧形变量增大,弹力增大,合力减小,加速度减小,小球做加速OO度减小的加速。(3)B点位置:重力与弹力大小相等,合力为零,加速度为零,速度达到最大。(4)BC阶段:由于惯性小球继续向下运动,弹簧形变量继续增大,弹力大于重力,合力向上,小球做减速运动。由于弹簧形变量增大,弹力增大,合力增大,加速度增大,小球做加速度增大的减速。图像问题【例题6】如图(a)所示,一小木块由静止开始,沿斜面下滑至水平地面,其运动过程中的速率一时间图(v−t图)如图(b)所示。斜面倾角α增大后,将该木块从斜面上的同一位置由静止释放(忽略小木块从斜面到水平地面转角过程中的能量损失),下列v−课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨6】注意事项(1)分清图像横坐标和纵坐标代表的物理量,掌握图像反映的物理过程,会分析临界点。(2)明确图线与坐标轴的交点、图线的转折点、图线的交点的物理意义。(3)把图像与题意、情景相结合,利用图线特殊点、斜率、面积的物理意义,从中寻找解题的突破口。常见图像v−F−F−x图像:表示力随位移的变化规律,与过关演练【经典过关】1.如图所示,质量为1kg的物体静止在水平地面上,用大小为10N、且与水平方向成37∘的力F斜向下推物体,使物体由静止开始运动,运动50m后撤去推力F,此时物体的速度为20m/s。cos⁡37∘(1)物体与地面间的滑动摩擦因素;(2)物体运动的总位移大小。2.小明同学站在力传感器上做下蹲、起立动作,右图是力传感器所受的压力F随时间t变化的图线,设该同学在下蹲过程中加速度的最大值为a,g=10m/s2A.一次下蹲、起立的动作,aB.一次下蹲、起立的动作,aC.两次下蹲、起立的动作,aD.两次下蹲、起立的动作,a3.如图所示,细绳拴着一个质量为m的小球,小球用固定在墙上的水平轻质弹簧支撑,静止时细绳与竖直方向的夹角为53∘。重力加速度为g,cos⁡53∘=0.6A.53g B.43g C.4.如图所示,固定在小车上的支架的斜杆与竖直杆的夹角为θ,在斜杆下端固定一质量为m的小球,杆对球的作用力为F,则小车 ()A.静止时,F=B.以水平向右加速度a运动时,F=C.以水平向右加速度a运动时,F=D.以水平向左加速度a运动时,F=mg5.如图所示,一辆卡车后面用轻绳拖着质量为m的物体A,不计一切阻力,重力加速度为g。(1)当卡车以a1=0.5g的加速度水平向左运动时,绳的拉力为mg(2)当卡车的加速度a26.如题图(a)所示,一质量m=2kg的物体在水平推力F作用下由静止开始运动,水平推力F随位移s变化的图像如题图(b)所示。已知物体与地面之间的动摩擦因数μ=0.5,则运动过程中物体的最大加速度a=__________m/s2;距出发点【综合演练】蹦极运动蹦极(BungeeJumping)是近些年来兴起的一项非常刺激的户外休闲活动。跳跃者站在约40米以上(相当于10层楼)高度的桥梁、塔顶、高楼、吊车甚至热气球上,把一端固定的一根长长的橡皮条绑在踝关节处,然后两臂伸开、双腿并拢、头朝下跳下去。绑在跳跃者踝部的橡皮条很长,足以使跳跃者在空中体验几秒钟的完全失重状态。当人体落到离地面一定距离时,橡皮绳被拉开、绷紧、阻止人体继续下落。到达最低点时橡皮再次弹起,人被拉起,随后,又落下,这样反复多次直到橡皮绳的弹性消失为止,这就是蹦极的全过程。研究“蹦极”运动时,在运动员身上装好传感器,用于测量运动员在不同时刻下落的高度及速度。如图(a)所示,运动员及所携带装备的总质量为60kg,弹性绳原长为10m。运动员从蹦极台自由下落,根据传感器测到的数据,得到如图(b)所示的速度一位移图像。1.在研究运动员下落阶段的姿态时__________(选填“能”或“不能”)看作质点。运动员下落过程中在__________m位置处动能最大,运动员在该位置受力特点是:2.运动员处于完全失重状态的时间为__________s,处于超重状态的距离为__________m3.某同学认为运动员在下落过程中可以忽略阻力,你是否同意他的观点?如果同意,请估算运动员下落过程中动能最大时和落到最低点时,绳的弹性势能的大小;如果不同意,请说明理由。4.取起跳点为坐标原点O,以竖直向下为正方向,忽略空气阻力和风对人的影响,人可视为质点。从跳下至第一次到达最低点的运动过程中,用v、t分别表示在竖直方向上人的速度和下落时间,在图上绘制v与第3讲实验:探究加速度与物体受力、物体质量的关系内容梳理【概念规律】1.实验目的应用__________的方法进行实验,探究物体加速度与物体受力、物体质量的关系。2.实验原理由__________可知,力是使物体运动状态发生改变的原因,而物体运动状态发生改变时,物体就具有了__________,因此力是使物体产生__________的原因。物体的加速度a与物体受到的力F、物体的质量m均有关。需通过__________法研究加速度与物体受力、物体质量之间的定量关系。3.实验器材带滑轮的力学轨道及附件、分体式__________传感器、数据采集器、计算机、小车、重物(钩码或回形针等)、配重片、细绳、天平等。4.实验方法与步骤悬挂在细线下端的重物在竖直方向运动,当其质量m0足够__________时,可认为细线中的拉力F=m运用控制变量法进行实验。先保持小车__________不变,改变拉力F的大小,探究小车加速度a与F的定量关系;再保持__________不变,改变小车质量m,探究小车加速度a与m的定量关系;综合两种情况下的实验结果,通过分析即可得出加速度a与小车所受的力F、小车质量m三者之间的定量关系。5.实验数据记录和处理(1)保持小车的质量m不变,更换不同质量的重物,分别测量小车所受的拉力F和相应的加速度a,并将数据记录在表中。根据表中的数据在图中画出a−m实验序号拉力F加速度a123456(2)保持重物不变,即小车所受的拉力不变,在小车内加减__________,记录小车的质量m,测量小车的加速度a,并将实验数据记录在表中。根据表中的数据在图中画出a−F=__________实验序号质量m加速度a123456观察实验数据及a−m图像特征发现,a与m可能成反比。尝试在图中画出6.结果分析与实验结论(1)小车质量m一定时,__________________________________________________。(2)小车所受拉力F一定时,__________________________________________________。答案:1.控制变量2.牛顿第一定律加速度加速度控制变量3.位移4.小质量m拉力F5.配重片关键点拨误差来源【例题1】“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置如图(a)所示。(1)第一组、第二组同学分别将导轨水平、倾斜放置(右端垫高)进行实验,根据实验数据分别绘制了a−F图线,如图(b)所示。图线①是轨道__________(选填“水平”或“倾斜”)放置实验时获得的图线,其横轴截距的物理含义是__________;图线②(2)两组同学思考后,调整装置,重新实验,获得实验图线③和④,如图(c)所示,图线③和④不重合的原因是__________________________________________________。(3)实验时小车所受拉力的实际值__________(选填“大于”“等于”或“小于”)测量值。课堂笔记:________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【点拨1】误差来源1：小车质量为M,重物质量为m,小车受到的拉力为F。以小车为研究对象F以小车和重物整体为研究对象mgF当满足m≪M时,重物的重力可以作为小车受到的拉力。探究加速度与物体受力的关系时,当不满足m≪M时,误差来源2:小车与轨道间存在摩擦阻力F以小车为研究对象Fa探究加速度与物体受力的关系时,a−F的关系图线是一条不过原点的直线,如图(b)中图线①。可以适当垫高轨道,利用重力沿斜面的分量平衡摩擦力。如果轨道垫得过高,就会出现如图(b)中图线误差来源3:当细绳与轨道面不平行时,细绳拉力平行轨道的分力起到小车沿轨道加速的作用。实验拓展【例题2】“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置如图所示。(1)由于实验中没有注意始终满足小车质量M≫m(2)小王同学想用该装置来验证F=Ma。他将钩码换成小桶,在小车中放入沙子,将小车中的沙子逐次放入小桶中,但保持小车、小桶及沙子的总质量不变。记录小桶和沙子的总质量为m,小车和沙子的总质量为M,则小车的加速度可表示为a=__________(用“m、M、g”表示)。实验中测量不同的m对应的加速度a,此时__________要求M≫m(选填“不必”或“仍然”),作