高中物理必修一第四章 运动和力的关系（2024人教版）

第四章运动和力的关系明显可见的线索却把人们引到错误的判断上去爱因斯坦把科学家探索自然奥秘的努力，比做福尔摩斯侦探小说中警员破案的过程亚里士多德：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在某个地方伽利略：将人们引入歧途的是摩擦力没有摩擦力，球将永远运动下去伽利略的理想斜面实验视频or演示实验为了阐明自己的观点，伽利略设计了图示的斜面实验：让一个小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一个斜面。如果没有摩擦，小球将到达原来的高度。如果第二个斜面倾角减小，小球仍将到达原来的高度，但是运动的距离更长。由此可以推断，当斜面最终变为水平面时，小球要到达原有高度将永远运动下去。这说明，力不是维持物体运动的原因。阻力不可能完全消除，第二个斜面也不可能做得无限长，所以，伽利略的实验是一个“理想实验”伽利略理想实验的本质是想象着把实际中存在、影响物体运动的摩擦力去掉，抓住事物的本质。这种依据逻辑推理把实际实验理想化的思想也是研究物理问题的重要方法之一伽利略同时代的法国科学家笛卡儿也研究了这个问题。他认为，如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。他还认为，这应该成为一个原理，是人类整个自然观的基石。亚里士多德：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在某个地方。伽利略：若没有摩擦，球将永远运动下去。笛卡尔：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。牛顿：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。牛顿第一定律第一节牛顿第一定律一、牛顿第一定律（Newton’sfirstlaw）一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态牛顿第一定律所描述的状态是一种理想状态。它是利用逻辑思维进行分析的产物，不可能用实验直接验证。牛顿第一定律又叫惯性定律物体这种保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性（inertia）。做一做好玩的小实验：视频：科技馆惯性火车3.惯性是物体的一种属性，而不是一种力1.一切物体具有惯性。2.质量是惯性大小唯一的量度。惯性参考系在桌面上放置一张纸和一个小钢球，小钢球静止在纸面上（图4.1-2）。如果突然迅速拉动纸的一边，虽然小钢球相对桌面的位置几乎不变，但是如果只关注纸面及其上的小钢球时，你会发现小钢球相对于纸面向相反的方向运动。当纸相对于桌面加速运动时，如果以这张纸为参考系来观察，小钢球相对于纸面的运动状态在改变。按照牛顿第一定律，小钢球的运动状态发生改变，说明小钢球在水平方向上应该受到力的作用。但实际上，小钢球只受到竖直方向的重力和支持力，水平方向几乎不受力，这不是和牛顿第一定律相矛盾吗？若以地面为参考系，上述矛盾则不会存在。因为，在纸加速运动的过程中，尽管小钢球相对于纸面的运动状态在改变，但它相对于地面的位置并没有变化，因而仍然保持静止状态。这与用牛顿第一定律分析得到的结论是一致的。对于同一个物体的运动，为何会得到两种不同的分析结果呢？这是由于我们观察物体的运动时所选择的参考系不同。牛顿第一定律是否成立与选择什么参考系有关。如果在一个参考系中，一个不受力的物体会保持匀速直线运动状态或静止状态，这样的参考系叫作惯性参考系，简称惯性系。以加速运动的纸为参考系，牛顿第一定律并不成立，这样的参考系叫作非惯性系。思考：加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量。由前面的学习我们知道，力是改变物体运动状态的原因，那么，加速度到底跟哪些因素有关系呢？a—F合a—ma—F合a—m保持m不变保持F合不变第二节实验：探究加速度与力、质量的关系控制变量法学生实验：结论a正比于F合a反比于m保持m不变保持F合不变前面两式子可以改写成：F=Kma。k是比例常数。如果公式中的物理量选择合适的单位，可以使k=1，从而使公式简化。国际单位制中，力的单位是牛顿。牛顿这个单位是根据牛顿第二定律来这样定义的：使质量1千克的物体产生1米/秒2加速度的力，叫做1牛顿。即：1牛=1千克·米/秒2

可见，如果都用国际单位制的单位，在上式中就可以使k=1，上式简化成：F=ma这就是牛顿第二定律的公式。牛顿第二定律第三节一、牛顿第二定律（Newton’ssecondlaw）：1、描述：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。2、公式：F=ma（3）独立性：每个力都独立产生各自的加速度，与其它力无关，物体实际运动的加速度为这些加速度的矢量和，即合力产生合加速度。3、加速度与力（1）瞬时性：加速度和力的关系是瞬时对应，a与F同时产生，同时变化，同时消失；（2）矢量性：加速度的方向总与合外力方向相同.F1=ma1F2=ma2F合=ma例：木箱质量2kg，在水平向右的外力F＝4N的水平作用力的作用下由静止开始沿水平面向右运动，经过4S后撤去外力。已知动摩擦因数μ＝0.1，求经过10s木箱发生的位移？（g＝10m/s2）16m例：一个物体质量为5kg，放在地面上，现用一个竖直向上的拉力F令其从静止开始匀加速上升，在3秒内上升的位移为4.5m，求此拉力F的大小。（g＝10m/s2）55N

例：质量为60kg的消防队员从高为2m的平台上跳下，双脚着地后他用双脚弯曲的方法缓冲，使自己的重心又下降了0.5m停下，在着地过程中，地面对他双脚的平均作用力估计为多大？（g＝10m/s2）5G第五节

牛顿运动定律的应用与第四节调换了位置专题：牛二解题步骤① 确定研究对象（隔离个体整体）② 分析运动状态、受力建立合适的直角坐标系

（通常以a为正方向）④ 列牛顿第二运动定律方程（两方向）⑤ 列辅助方程

（特例是力全部正交的时候，此时坐标系建在力的方向上，分解加速度）X方向上的牛二y方向上的牛二例：如图所示，质量为m的物块放在水平桌面上，物块与桌面间的动摩擦因数为μ。用与水平方向成θ角斜向上、大小为F的拉力F作用与该物块，使其从静止开始向右运动。已知重力加速度为g。求：物块的加速度a例：倾角为θ的斜面不光滑，动摩擦因数为μ，重力加速度为g，已知物体放在斜面上沿斜面加速下滑，求加速度aθmgsinθ－f＝maN－mgcosθ＝0f=μN

质量为20kg的物体静止在水平地面上，物体与地面的动摩擦因数为0.5，物体受到斜向右上方与水平面成37o夹角的拉力F的作用沿水平面向右运动，物体运动的加速度a为0.5m/s2，g取10m/s2，求：（1）F的大小（2）如果F作用了20s以后撤去，求物体从开始运动到停止运动走过的位移。F倾角为θ=37o的固定斜面动摩擦因数μ=0.5，g取10m/s2，一个质量m=10kg的物体以v0=10m/s的初速度冲上斜面，求：（1）物体在斜面上能上升的最大距离（2）物体返回到斜面底端的速度vv0特例：一人随自动扶梯以加速度a＝2m/s2沿斜面向上匀加速运动，已知人的质量为m＝50kg，扶梯倾角θ＝37o，求人对扶梯的压力和摩擦力a例质量为20kg的物体静止在水平地面上，物体与地面的动摩擦因数为0.5，当物体受到100N斜向右上方与水平面成37o夹角的拉力作用后，物体被拉动，6s末撤去水平拉力，求物体还能再运动多远？（0.9m）大家知道，质量可以用天平来测量。但是在太空，物体完全失重，用天平无法测量质量，那么应该如何测量呢？由牛顿第二定律F＝ma可知，如果给物体施加一个已知的力，并测得物体在这个力作用下的加速度，就可以求出物体的质量。这就是动力学测量质量的方法。北京时间2013年6月20日上午10时，我国航天员在天宫一号空间实验室进行了太空授课，演示了包括质量的测量在内的一系列实验。用动力学方法测质量质量的测量是通过舱壁上打开的一个支架形状的质量测量仪完成的。测量时，航天员把自己固定在支架的一端，另外一名航天员将支架拉开到指定的位置。松手后，支架拉着航天员从静止返回到舱壁（图4.3-7）。支架能够产生一个恒定的拉力F；用光栅测速装置能够测量出支架复位的速度v和时间t，从而计算出加速度a。这样，就能够计算出航天员的质量m。你能设计出一种在太空中测量质量的方法吗？罗贯中在《三国演义》中描写张飞：“身长八尺，豹头环眼，燕颔虎须，声若巨雷，势如奔马。”汉代的度制为1尺=23.1cm

张飞身高八尺8*23.1=184.8cm第四节力学单位制：美国国家航空航天局(NASA)在20世纪末发射一个火星探测器,但它由于飞得靠火星过近,因温度过高而起火,脱离轨道坠入火星的大气层。调查原因时发现：原来探测器的制造商洛克希德.马丁公司计算加速时的力使用了英制单位，而喷气推动实验室的工程师理所当然地认为他们提供的数据是以国际单位算出来的，并把这些数据直接输入电脑。就是因为在单位制上的失误，结果犯了一个“极端愚蠢的错误”，价值1.25亿美元的火星探测器毁于一旦。一次因单位失误而导致的事故2、国际单位制1、基本单位：在物理学中，只要选定几个物理量（基本量）的单位（基本单位），就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量（导出量）的单位（导出单位）基本单位和导出单位一起就组成了一个单位制（systemofunits）1960年第11届国际计量大会制订了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制，叫作国际单位制（LeSystèmeInternationald′Unités，法文），简称SI。物理量名称物理量符号单位名称单位符号长度L米m质量m千克（公斤）kg时间t秒s电流I安[培]①A热力学温度T开[尔文]K物质的量n，（v）摩[尔]mol发光强度I，（Iv）坎[德拉]cd小刚在课余制作中需要计算圆锥的体积，他从一本书中查得圆锥体积的计算公式为小红说，从单位关系上看，这个公式肯定是错误的。她的根据是什么？基本单位的定义秒的定义铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间为1s。现在测量时间的最精准仪器是原子钟。图4.4-3为某原子钟的照片。米的定义米是光在真空中1/299792458s时间间隔所经路径的长度。以上米的定义是1960年国际计量大会上批准的。与此同时，宣布废除1889年国际米原器为标准的米的定义。国际米原器是以铂铱合金制成的。千克的定义国际千克原器的质量为1kg。国际千克原器是1889年第一届国际计量大会批准制造的，它是一个用铂铱合金制成的圆柱体，高度和直径均为39mm。原型保存在巴黎国际计量局。2018年11月16日，第26届国际计量大会决定，千克由普朗克常量h及米和秒定义。即1kg＝h

/6.62607015×10-34m2·s-1

该决定将于2019年5月20日起生效。此次标准实施后，SI单位中的7个基本单位将全部建立在不变的自然常数基础上，保证了SI单位的长期稳定性和通用性第六节：超重和失重一、重力的测量1、测g，天平测m，G=mg2、二力平衡法将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于静止状态。这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小相等，测力计的示数反映了物体所受的重力大小。例：一质量为40kg的小孩站在升降机中的体重计上。（1）当升降机以0.5m/s2加速上升时，

体重计的读数为()N。(2)当升降机以0.5m/s2的加速度减速下降时，

体重计的读数为()N(3)当升降机以0.5m/s2的加速度加速下降时，体重计的读数为()N420420380二、超重和失重1、物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力小于物体所受重力的现象，叫作失重（weightlessness）a向下减速上升加速下降GFNaG－FN＝maFN＝G－ma<G若a=g，则FN＝0完全失重2、物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力大于物体所受重力的现象，叫作超重（overweight）a向上加速上升减速下降超重失重典型题质量为m的物体在升降机中的台秤上，视数为0.8mg，问升降机的运动状态？某人在地面上最多举起60kg的重物，而在一电梯内可举起80kg的重物，则电梯加速度为____？若电梯以2.5m/s2加速上升，则最多又能举起____kg的物体？一个人站立在磅秤上，在他忽然蹲下到静止的过程中，磅秤上读出的示数如何变化？视频or学生实验

取一只塑料瓶，在下端靠近底边处钻一个小孔，用手堵住瓶口，然后往瓶里加满水。▲提起瓶子，把堵小孔的手移去，可看到小孔处有水喷射出。一个有趣的实验视频

当瓶子自由下落时，瓶中的水处于完全失重状态，小孔以上部分的水对以下部分的水的没有压力，小孔没有水流出。

这是因为液体受到重力而使内部存在压力，小孔以上部分的水对以下部分的水的压力造成小孔处的水流出。▲让瓶子从某一高处自由下落，会发现什么结果？这是为什么？航天飞机中的人和物，都处于完全失重状态人造地球卫星，宇宙飞船、航天飞机绕地

球做圆周运动。近地卫星远离地球的卫星航天器中的宇航员g/gg/仍受地球引力地球引力提供圆周运动的向心加速度无法利用天平测质量0测力计无法测重力但其它的拉力或压力仍可测量在宇宙飞船中专题：连结体问题处理方法：a相同（1）个体A+个体B

对A受力分析，列牛二对B受力分析，列牛二

联立（2）整体+个体木块A和B置于光滑的水平面上它们的质量分别为mA=2kg和mB=3kg。如图所示当水平力F=10N作用于左端A上，两物体一起加速运动时，求AB间的作用力大小若AB与地面之间有摩擦力且动摩擦因数为0.1，求AB间的作用力大小如图所示，木块A质量为1kg，木块B质量为2kg，叠放在水平地面上，AB之间动摩擦因数为0.1，地面光滑，今用水平力F作用于B，保持AB相对静止的条件是F不超过多少？若力F作用于A呢？如图所示，木块A质量为1kg，木块B质量为2kg，叠放在水平地面上，AB之间动摩擦因数μ1为0.1，地面与B之间的动摩擦因数μ2为0.2，今用水平力F作用于B，保持AB相对静止的条件是F不超过多少？质量为m的物块A放在质量为M的斜面体的斜面上，和斜面体一起在动摩擦因数为μ的地面上向右做匀加速运动，如图所示。若物块与斜面体保持相对静止，斜面倾角为θ，重力加速度为g，求（1）加速度a（2）推力F小车在水平面上向左作直线运动，车厢内用OA、OB两细线系住小球。球的质量m=4kg。线OA与竖直方向成θ

=37o角。g

=10m/s2，求：

（1）小车以5m/s的速度作匀速直线运动，求OA、OB两绳的张力？

（2）当小车改作匀减速直线运动，并在12.5米距离内速度降为零的过程中，OA、OB两绳张力各多大？

（3）小车如何运动时，可使OB绳所受拉力恰好为零？专题：弹簧瞬间——cuttherope如图所示，两个质量相同的物块悬挂稳定后，突然剪断AB之间的绳，加速度各为多大？若是剪断弹簧呢？两端有约束的弹簧的力瞬间不变(形变不瞬变)AB绳上的力可瞬间变如图所示，当剪断AB、OB瞬时，求两图中小球的加速度。水平传送带长L=4m，始终以v=2m/s的速率向右