专题14 牛顿三大定律（教师版）新高一物理多维度导学与分层专练

高一物理多维度导学与分层专练专题14牛顿三大定律导练目标导练内容目标1牛顿第一定律和惯性目标2牛顿第三定律目标3牛顿第二定律及瞬时加速度问题【知识导学与典例导练】牛顿第一定律和惯性1.牛顿第一定律：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。(1)揭示了物体的惯性：不受力的作用时，一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态。(2)揭示了力的作用对运动的影响：力是改变物体运动状态的原因。2．对惯性的理解(1)保持“原状”：物体在不受力或所受合外力为零时，惯性表现为使物体保持原来的运动状态(静止或匀速直线运动)。(2)反抗改变：物体受到外力时，惯性表现为抗拒运动状态改变。惯性越大，物体的运动状态越难以被改变。(3)惯性的量度：质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性越大，与物体的速度和受力情况无关。3．牛顿第一、第二定律的关系(1)牛顿第一定律是以理解实验为基础，经过科学抽象、归纳推理总结出来的，牛顿第二定律是实验定律。(2)牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例，它揭示了物体运动的原因和力的作用对运动的影响；牛顿第二定律则定量指出了力和运动的联系。【例1】水平仪的主要测量装置是一个内部封有液体的玻璃管，液体中有一气泡，水平静止时，气泡位于玻璃管中央，如图所示。一辆在水平轨道上行驶的火车车厢内水平放置两个水平仪，一个沿车头方向，一个垂直于车头方向。某时刻，气泡位置如图2所示，则此时关于火车运动的说法可能正确的是（）A．加速行驶，且向左转弯B．加速行驶，且向右转弯C．减速行驶，且向左转弯D．减速行驶，且向右转弯【答案】B【详解】CD．由题意可知，水平静止或匀速直线运动时，气泡位于玻璃管中央，由图2可以看出:沿车头方向的气泡向车头方向移动，当火车加速时，气泡和液体由于惯性不会随火车立即加速，还会以原来的速度运动，相对火车向后运动，因为气泡密度小于液体密度，所以气泡在液体作用下就向前运动，故CD错误；AB．垂直于车头方向的装置中气泡处于右端，因原来火车做直线运动，气泡位于中心位置，当火车向右转弯时，气泡和液体由于惯性不会立即随火车右转，还会沿直线运动，所以气泡和液体就相对火车向左运动，因为气泡密度小于液体密度，所以气泡在液体的作用下相对中心位置向右运动；所以此时刻火车应是加速运动且向右转弯，故A错误，B正确。故选B。牛顿第三定律1.内容：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，作用在同一条直线上。2.作用力与反作用力的特点(1)三同：①同大小；②同变化；③同性质(2)三异：①方向不同；②受力物体不同；③产生的效果不同(3)二无关：①与相互作用的物体运动状态无关；②与是否和其他物体相互作用无关；3.作用力和反作用力与一对平衡力的区别名称项目作用力与反作用力一对平衡力作用对象两个相互作用的不同物体同一个物体作用时间一定同时产生、同时消失不一定同时产生、同时消失力的性质一定相同不一定相同作用效果不可抵消可相互抵消【例2】2021年9月20日，我国天舟三号火箭在海南文昌发射中心发射升空，大约经历597秒后，飞船进入预定轨道并进行正常工作，这是我国载人航天工程的第20次发射任务，也是长征系列运载火箭的第389次飞行。如图所示，火箭点火升空。燃料燃烧后的燃气以很大的速度从火箭喷口喷出，火箭获得推力而升空，则（）A．火箭获得的推力来自空气B．喷出燃气对火箭的作用力与火箭的重力是一对作用力与反作用力C．喷出燃气对火箭的作用力与火箭对喷出燃气的作用力是一对作用力与反作用力D．火箭飞离大气层后，不受重力作用【答案】C【详解】A．火箭获得的推力来自燃料燃烧后的燃气，故A错误；BC．喷出燃气对火箭的作用力与火箭对喷出燃气的推力是一对作用力与反作用力，故B错误，C正确；D．火箭飞离大气层后，没有脱离地球的引力范围，受重力作用，故D错误。故选C。牛顿第二定律及瞬时加速度问题1.牛顿第二定律：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.表达式：F＝ma，其中F为物体受到的合外力。3.牛顿第二定律的五个特性4.合力、加速度、速度之间的决定关系(1)不管速度是大是小，或是零，只要合力不为零，物体都有加速度。(2)a＝eq\f(Δv,Δt)是加速度的定义式，a与Δv、Δt无必然联系；a＝eq\f(F,m)是加速度的决定式，a∝F，a∝eq\f(1,m)。(3)合力与速度同向时，物体加速运动；合力与速度反向时，物体减速运动。【例3】某人把一根细绳的下端绑着一支圆珠笔，上端临时固定在地铁竖直扶手上。地铁起动后的某段运动过程中，细绳偏离了竖直方向，他用手机拍摄了当时的照片，拍摄方向跟地铁前进方向垂直（）A．从图中可以判断地铁的运动方向B．从图中可以判断地铁的加速度方向C．若细绳与杆子的夹角增大，则地铁速度增大D．若细绳与杆子的夹角增大，则地铁的加速度减小【答案】B【详解】AB．由于地铁的加速度方向与笔的加速度方向相同，所以通过判断笔的加速度方向可知地铁的加速度方向；但是由于不知道地铁速度的变化情况，故地铁运动方向与加速度方向可能相同，也可能相反，所以不能判断地铁朝向哪一个方向运动，故A错误，B正确；CD．以笔为研究对象，笔受到重力及细绳拉力的共同作用，设绳子与杆子的夹角为，则由牛顿第二定律可得笔的加速度大小为，增大，则笔加速度增大，地铁加速度增大，但是地铁的速度不一定增大，CD错误。故选B。5.牛顿第二定律的瞬时加速度问题（1）轻绳、轻杆、硬接触面模型的特点：对于轻绳、轻杆和硬接触面这类物体认为是一种不发生明显形变就能产生弹力的物体，剪断(或脱离)后，其弹力立即改变或消失，不需要形变恢复时间。①在瞬时问题中，其弹力可以看成是瞬间改变的。②一般题目中所给细绳、轻杆和接触面等在不加特殊说明时，均可按此模型处理。二、弹力不能瞬间改变的情形。（2）弹簧、橡皮绳模型的特点①当弹簧、橡皮绳的两端与物体相连时，由于物体具有惯性，弹簧、橡皮绳的形变量不会瞬间发生突变。②在求解瞬时加速度的问题中，其弹力的大小可认为是不变的，即弹簧或橡皮绳的弹力不发生突变。【例4】物块A1、A2、B1和B2的质量均为m，A1、A2用刚性轻杆连接，B1、B2用轻质弹簧连结，两个装置都放在水平的木板上，处于平衡状态，如图所示。今突然撤去木板，让物块下落，在除去木板的瞬间，A1、A2的加速度分别为aA1和aA2，B1、B2的加速度分别为aB1和aB2，则（）A．aA1=g，aA2=g，aB1=0，aB2=2g B．aA1=g，aA2=2g，aB1=g，aB2=gC．aA1=g，aA2=g，aB1=g，aB2=g D．aA1=0，aA2=2g，aB1=0，aB2=2g【答案】A【详解】在除去木板的瞬间，采用整体法研究A1、A2所受的力。A1、A2由于用刚性轻杆连接，加速度一定相等，将一起下落，整体的加速度等于重力加速度g。采用隔离法研究B1、B2受到的力，在除去木板前，根据平衡条件得知，弹簧的弹力大小等于mg，木板对B2的支持力大小等于2mg。在除去木板的瞬间，弹簧的弹力没有来得及变化，B1的受力情况不变，则B1所受合力为零，即；B2受到重力mg和弹簧压力mg，所以合力大小为2mg，即故A正确，BCD错误。故选A。【例5】如图所示，两小球分别用轻质细绳和轻弹簧系在天花板上，两小球之间用一轻质细绳连接，细绳、弹簧与竖直方向的夹角均为，细绳水平拉直，现将细绳剪断，则细绳剪断瞬间，下列说法正确的是（）A．细绳上的拉力与弹簧弹力之比为B．细绳上的拉力与弹簧弹力之比为C．A与B的加速度之比为D．A与B的加速度之比为【答案】BD【详解】依题意，可知A、B两球的质量相等，均设为m，剪断细绳L2瞬间，对A球受力分析，如图1所示由于细绳L1的拉力突变，沿细绳L1方向和垂直于细绳L1方向进行力的分解，得FT=mgcosθ；ma1=mgsinθ剪断细绳L2瞬间，对B球进行受力分析，如图2所示，由于弹簧的弹力不发生突变，则弹簧的弹力还保持不变，有Fcosθ=mg；ma2=mgtanθ所以FT∶F=cos2θ∶1；a1∶a2=cosθ∶1故选BD。【多维度分层专练】1．如图所示，放置在水平面上密闭的容器里充满了某种无色液体，在水平外力F的作用下向右做加速运动。设容器后面部分液体密度为，前面部分液体密度为，关于容器内液体前后密度的大小比较，正确的是：（）A． B．C． D．、大小无法比较【答案】C【详解】因为容器在水平外力F的作用下向右做加速运动，容器后面部分液体密度为，前面部分液体密度为，根据牛顿第一定律可知，质量大的物体惯性大，更不容易改变运动状态，故，ABD错误，C正确。故选C。2．如图所示为“摘灯笼”游戏示意图，要求游戏者在规定的时间内将尽可能多的灯笼摘下即可获胜，已知灯笼上下用两根相同的细绳L1、L2连接后悬挂于天花板上，人只能拉下面的细绳L1，若两根细线绳能承受的最大拉力相同，则为了顺利摘下灯笼（）A．在细绳L1下端缓慢增加拉力B．在细绳L1下端突然猛一拉C．由于细绳L2中的拉力大于细绳L1中的拉力，故细绳L2一定先断D．细绳L1与细绳L2一定同时断【答案】A【详解】A．悬挂的灯笼受到自身重力G，细绳L2沿绳向上的拉力F2，细绳L1沿绳向下的拉力F1，由平衡可知显然F2>F1则在缓慢增加拉力时，绳2先断，能顺利摘下灯笼，故A正确；BCD．若细绳1突然施加很大的力，此时由于惯性，灯笼有保持原状态（静止）的特性，使得绳2的形变量不能立即增加，绳2的拉力未明显变化，所以绳1先断。不能顺利摘下灯笼，故BCD错误。故选A。3．小云同学为了取出如图所示羽毛球筒中的羽毛球，一手拿着球筒的中部，另一手用一个较大的力击打羽毛球筒的上端，则（）A．该同学无法取出羽毛球B．该同学是在利用羽毛球的惯性C．该同学击打筒的上端是为了改变羽毛球筒的惯性D．羽毛球筒向下运动的过程中，羽毛球受到向上的摩擦力才会从上端出来【答案】B【详解】A．羽毛球从上端出来，故A错误；B．用较大的力击打羽毛球筒，羽毛球筒迅速向下运动，羽毛球由于惯性仍在原位置，羽毛球相对于羽毛球筒向上运动，故B正确；C．该同学击打筒的上端是为了改变羽毛球筒的运动状态，故C错误；D．羽毛球相对球筒向上运动，受到向下的摩擦力，故D错误。故选B。4．牛顿在总结C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的研究结果后，提出了著名的牛顿第三定律，阐述了作用力和反作用力的关系。下列关于作用力和反作用力的说法正确的是（）A．物体先对地面产生压力，然后地面才对物体产生支持力B．物体对地面的压力和地面对物体的支持力互相平衡C．人推车前进，人对车的作用力大小等于车对人的作用力大小D．物体在地面上滑行，物体对地面的摩擦力大于地面对物体的摩擦力【答案】C【详解】A．作用力和反作用力是同时产生同时消失的，所以A错误；B．物体对地面的压力和地面对物体的支持力是作用力与反作用力，所以B错误；C．作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，所以人推车前进，人对车的作用力大小等于车对人的作用力大小，则C正确；D．物体在地面上滑行，物体对地面的摩擦力与地面对物体的摩擦力互为相互作用力，所以物体对地面的摩擦力于地面对物体的摩擦力等大反向，则D错误；故选C。5．如图，站在滑轮车上的甲、乙两人原来静止不动，甲、乙相互猛推一下后分别向相反方向运动，滑轮车与地面间的动摩擦因数相同。甲在水平地面上滑行的距离比乙远，这是因为（）A．在推的过程中，甲推乙的力小于乙推甲的力B．在推的过程中，甲推乙的时间小于乙推甲的时间C．在刚分开时，甲的初速度大于乙的初速度D．在分开后，甲的加速度大小小于乙的加速度大小【答案】C【详解】A．在推的过程中，甲推乙的力和乙推甲的力是一对作用力和反作用力，根据牛顿第三定律，作用力和反作用力大小相等，方向相反。故A错误；B．根据作用力与反作用力的特点可知，作用力与反作用力的时间总是相等的。故B错误；C．由运动学公式可知刚分开时，甲的初速度大于乙的初速度，故C正确；D．分开后，两人受到的合力都是摩擦力，根据牛顿第二定律所以甲乙的加速度大小相等，故D错误；故选C。6．为了让乘客乘车更为舒适，某探究小组设计了一种新的交通工具，乘客的座椅能随着坡度的变化而自动调整，使座椅始终保持水平，如图所示。当此车减速上坡时，则乘客（仅考虑乘客与水平面之间的作用）（）A．处于失重状态 B．不受摩擦力的作用C．受到向前（水平向右）的摩擦力作用 D．所受合力竖直向上【答案】A【详解】A．当此车减速上坡时，整体的加速度沿斜面向下，乘客具有向下的分加速度，所以处于失重状态。故A正确；BC．同理，乘客具有水平向左的分加速度，所以静摩擦力水平向左。故BC错误；D．根据牛顿第二定律，可知乘客所受合力沿斜面向下。故D错误。故选A。7．如图所示，小车内一根沿竖直方向的轻质弹簧和两根与竖直方向成θ角的细绳OA，OB拴接一小球．当小车和小球相对静止，一起在水平面上向右运动时，下列说法正确的是（

）A．不可能两根绳都没有拉力 B．轻弹簧对小球可能没有弹力C．细绳AO对小球可能没有拉力 D．两根细绳不一定对小球有拉力，但是轻弹簧对小球一定有弹力【答案】BC【详解】A．当小车和小球一起向右匀速运动时，小球的合力为零，可能两绳均无拉力，只受重力和弹簧的弹力作用，A错误；BCD．若小球和小车向右做匀加速运动，小球的合力一定水平向右，小球的受力可能是：①弹簧和绳AO对小球均无弹力，小球受重力和绳OB的弹力；②弹簧对小球无弹力，小球受重力和两根绳的拉力；BC正确，D错误。故选BC。8．如图所示，质量分别为，的两物体置于光滑的水平面上，中间用轻质弹簧测力计连接。两个大小分别为，的水平拉力分别作用在、上，弹簧测力计未超出弹性限度，则（）A．弹簧测力计的示数是50NB．若增大，两物体一起做匀加速直线运动时，弹簧测力计示数可能不变C．在突然撤去的瞬间，的加速度大小为4D．在突然撤去的瞬间，的加速度大小为15【答案】D【详解】A．对两物体和弹簧测力计组成的系统，根据牛顿第二定律得整体的加速度隔离，根据牛顿第二定律有解得所以弹簧测力计的示数为45N，A错误；B．根据增大，变大，B错误；C．在突然撤去的瞬间，弹簧的弹力不变，的加速度不变，为，的加速度C错误；D．在突然撤去的瞬间，弹簧的弹力不变，的加速度不变，为，的加速度，D正确。故选D。9．如图所示，光滑斜面的倾角为，A球质量为2m、B球质量为m，图甲中A、B两球