2020年高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题05牛顿三大运动定律的理解与应用含解析.docx
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1、专题05 牛顿三大运动定律的理解与应用【专题导航】目录热点题型一牛顿第一定律的理解和应用1热点题型二牛顿第三定律的理解3热点题型三牛顿第二定律的理解和基本应用61力与运动的关系62牛顿运动定律的瞬时性7热点题型四动力学的两类基本问题91已知受力求运动102 已知运动求受力123等时圆模型13热点题型五动力学图象问题的应用15【题型演练】18【题型归纳】热点题型一牛顿第一定律的理解和应用1惯性的两种表现形式(1)物体的惯性总是以保持“原状”或反抗“改变”两种形式表现出来(2)物体在不受外力或所受的合外力为零时,惯性表现为使物体保持原来的运动状态不变(静止或匀速直线运动)2与牛顿第二定律的对比牛顿
2、第一定律是经过科学抽象、归纳推理总结出来的,而牛顿第二定律是一条实验定律【例1】伽利略创造的把实验、假设和逻辑推理相结合的科学方法,有力地促进了人类科学认识的发展利用如图所示的装置做如下实验:小球从左侧斜面上的O点由静止释放后沿斜面向下运动,并沿右侧斜面上升斜面上先后铺垫三种粗糙程度逐渐降低的材料时,小球沿右侧斜面上升到的最高位置依次为1、2、3.根据三次实验结果的对比,可以得到的最直接的结论是()A 如果斜面光滑,小球将上升到与O点等高的位置B如果小球不受力,它将一直保持匀速运动或静止状态C如果小球受到力的作用,它的运动状态将发生改变D小球受到的力一定时,质量越大,它的加速度越小【答案】A【
3、解析】根据题意,铺垫材料粗糙程度降低时,小球上升的最高位置升高,当斜面绝对光滑时,小球在斜面上没有能量损失,因此可以上升到与O点等高的位置,而B、C、D三个选项,从题目不能直接得出,所以选项A正确【变式1】.(2019安徽六安质检)关于物体的惯性,下列说法中正确的是()A骑自行车的人,上坡前要紧蹬几下,是为了增大惯性冲上坡B子弹从枪膛中射出后在空中飞行,速度逐渐减小,因此惯性也减小C物体惯性的大小,由物体质量的大小决定 D物体由静止开始运动的瞬间,它的惯性最大【答案】C【解析】质量是物体惯性大小的唯一量度,惯性与物体的运动状态无关,故选C.【变式2】(2019益阳模拟)亚里士多德在其著作物理学
4、中说:一切物体都具有某种“自然本性”,物体由其“自然本性”决定的运动称之为“自然运动”,而物体受到推、拉、提、举等作用后的非“自然运动”称之为“受迫运动”伽利略、笛卡儿、牛顿等人批判地继承了亚里士多德的这些说法,建立了新物理学;新物理学认为一切物体都具有的“自然本性”是“惯性”下列关于“惯性”和“运动”的说法中不符合新物理学的是( )A一切物体的“自然运动”都是速度不变的运动静止或者匀速直线运动B作用在物体上的力,是使物体做“受迫运动”即变速运动的原因C可绕竖直轴转动的水平圆桌转的太快时,放在桌面上的盘子会向桌子边缘滑去,这是由于“盘子受到的向外的力”超过了“桌面给盘子的摩擦力”导致的D竖直向
5、上抛出的物体,受到了重力,却没有立即反向运动,而是继续向上运动一段距离后才反向运动,是由于物体具有惯性【答案】C【解析】.力不是维持物体运动状态的原因,力是改变物体运动状态的原因,所以当物体不受到任何外力的时候,总保持静止或者匀速直线运动的状态,故选项A符合题意;当物体受到外力作用的时候,物体的运动状态会发生改变,即力是改变物体运动状态的原因,故选项B符合题意;可绕竖直轴转动的水平圆桌转的太快时,放在桌面上的盘子会向桌子边缘滑去,这是由于“盘子需要的向心力”超过了“桌面给盘子的摩擦力”导致的,故选项C不符合题意;由于物体具有向上的速度,所以具有向上的惯性,虽然受到向下的重力,但物体不会立刻向下
6、运动,故选项D符合题意热点题型二 牛顿第三定律的理解1作用力和反作用力的关系三同大小相同;性质相同;变化情况相同三异方向不同;受力物体不同;产生效果不同三无关与物体种类无关;与物体运动状态无关;与物体是否和其他物体存在相互作用无关2.相互作用力与平衡力的比较作用力和反作用力一对平衡力不同点受力物体作用在两个相互作用的物体上作用在同一物体上依赖关系同时产生、同时消失不一定同时产生、同时消失叠加性两力作用效果不可抵消,不可叠加,不可求合力两力作用效果可相互抵消,可叠加,可求合力,合力为零力的性质一定是相同性质的力性质不一定相同相同点大小、方向都是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上【例2】建筑工
7、人用如图所示的定滑轮装置运送建筑材料质量为70.0 kg的工人站在水平地面上,通过定滑轮将20.0 kg的建筑材料以1.0 m/s2的加速度拉升,忽略绳子和定滑轮的质量及两者间的摩擦,求地面受到的压力和摩擦力的大小(g取10 m/s2,sin 530.8,cos 530.6)【答案】524 N132 N【解析】对建筑材料受力分析如图甲所示由牛顿第二定律得:F1mgma代入数据解得:F1220 N因此绳对人的拉力F2F1220 N工人受力分析如图乙所示由平衡条件得:F2cos 53FfF2sin 53FNMg代入数据解得:FN524 N,Ff132 N由牛顿第三定律得:人对地面的压力大小为524
8、 N,地面受到的摩擦力大小为132 N.【方法技巧】“转换研究对象法”在受力分析中的应用(1)“转换研究对象法”在受力分析中的应用,其本质是牛顿第三定律的应用(2)由于作用力与反作用力的关系,当待求的某个力不容易求时,可先求它的反作用力,再反过来求待求力如求压力时,可先求支持力【变式1】(2019乐山模拟)如图所示,甲、乙两人在冰面上“拔河”两人中间位置处有一分界线,约定先使对方过分界线者赢若绳子质量不计,冰面可看成光滑,则下列说法正确的是()A甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平衡力 B甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作用力与反作用力C若甲的质量比乙大,则甲能赢得“拔河”比赛的胜利D若乙收绳的速度
9、比甲快,则乙能赢得“拔河”比赛的胜利【答案】C【解析】选C.甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是作用力和反作用力,选项A错误;绳静止时,甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是一对平衡力,选项B错误;若甲的质量比乙的质量大,则甲的加速度比乙的小,可知乙先到分界线,故甲能赢得“拔河”比赛的胜利,选项C正确;收绳速度的快慢并不能决定“拔河”比赛的输赢,选项D错误【变式2】(2019四川宜宾期中)如图所示,光滑水平面上静止着一辆小车,在酒精灯燃烧一段时间后塞子喷出下列说法正确的是 ()A由于塞子的质量小于小车的质量,喷出时塞子受到的冲击力将大于小车受到的冲击力B由于塞子的质量小于小车的质量,喷出时塞子受到的冲击力将小于
10、小车受到的冲击力C塞子喷出瞬间,小车对水平面的压力大于小车整体的重力D若增大试管内水的质量,则可以增大小车的惯性【答案】CD【解析】喷出时塞子受到的冲击力和小车受到的冲击力大小相等,方向相反,故A、B错误;塞子喷出瞬间,试管内的气体对小车整体有斜向左下的作用力,所以小车对水平面的压力大于小车整体的重力,故C正确;若增大试管内水的质量,则小车整体的惯性增大,故D正确【变式3】 (2019海口模拟)建筑工人用如图所示的定滑轮装置运送建筑材料一质量为70.0 kg 的工人站在地面上,通过定滑轮将20.0 kg 的建筑材料以0.500 m/s2的加速度拉升,忽略绳子和定滑轮的质量及定滑轮的摩擦,则工人
11、对地面的压力大小为(g取10 m/s2)()A510 N B490 N C890 ND910 N【答案】B【解析】选B.设绳子对建筑材料的拉力为F1,F1mgmaF1m(ga)210 N,绳子对人的拉力F2F1210 N人处于静止,则地面对人的支持力FNm0gF2490 N,由牛顿第三定律知:人对地面的压力FNFN490 N,选项B正确热点题型三牛顿第二定律的理解和基本应用1牛顿第二定律的五个性质2求解思路:求解物体在某一时刻的瞬时加速度,关键是明确该时刻物体的受力情况或运动状态,再由牛顿第二定律求出瞬时加速度3在求解瞬时加速度时应注意的问题物体的受力情况和运动情况是时刻对应的,当外界因素发生
12、变化时,需要重新进行受力分析和运动分析加速度可以随着力的突变而突变,而速度的变化需要一个积累的过程,不会发生突变1力与运动的关系【例3】(2019四川广元一诊)如图所示,弹簧左端固定,右端自由伸长到O点并系住质量为m的物体,现将弹簧压缩到A点,然后释放,物体可以一直运动到B点如果物体受到的阻力恒定,则()A物体从A到O先加速后减速 B物体从A到O做加速运动,从O到B做减速运动C物体运动到O点时,所受合力为零 D物体从A到O的过程中,加速度逐渐减小【答案】A【解析】物体从A到O,初始阶段受到的向右的弹力大于阻力,合力向右随着物体向右运动,弹力逐渐减小,合力逐渐减小,由牛顿第二定律可知,加速度向右
13、且逐渐减小,由于加速度与速度同向,物体的速度逐渐增大当物体向右运动至A、O间某点(设为点O)时,弹力减小到与阻力相等,物体所受合力为零,加速度为零,速度达到最大此后,随着物体继续向右运动,弹力继续减小,阻力大于弹力,合力方向变为向左,至O点时弹力减为零,此后弹力向左且逐渐增大,所以物体越过O点后,合力(加速度)方向向左且逐渐增大,由于加速度与速度反向,故物体做加速度逐渐增大的减速运动综以上分析,只有选项A正确【方法技巧】理解牛顿第二定律的三点注意(1)分析物体的运动性质,要从受力分析入手,先求合力,然后根据牛顿第二定律分析加速度的变化(2)速度的大小如何变化取决于加速度和速度方向间的关系,和加
14、速度的大小没有关系(3)加速度如何变化取决于物体的质量和合外力,与物体的速度没有关系【变式】(2019广西钦州模拟)如图所示,一个小球自由下落到将弹簧压缩到最短后开始竖直向上反弹,从开始反弹至小球到达最高点,小球的速度和加速度的变化情况为()A速度一直变小直到零 B速度先变大,然后变小直到为零C加速度一直变小,方向向上 D加速度先变小后一直变大【答案】B【解析】小球到达最低点时,受弹力大于本身的重力,物体向上做加速运动,速度增加,当重力与弹力相等时达到最大速度,然后物体做减速运动,速度减小,到达最高点的速度为零,故A错误,B正确;开始时弹力大于重力,随着高度增加,弹力减小,加速度减小;当弹力与
15、重力相等时加速度为零,此后弹力小于重力,并且弹力越来越小,物体受到的合力越来越大,加速度反向增大,当物体脱离弹簧后加速度为g,保持不变,故C、D错误2牛顿运动定律的瞬时性加速度与合外力具有瞬时对应关系,二者总是同时产生、同时变化、同时消失,具体可简化为以下两种模型:【例4】如图甲所示,一质量为m的物体系于长度分别为L1、L2的两根细线上,L1的一端悬挂在天花板上,与竖直方向夹角为,L2水平拉直,物体处于平衡状态(1)现将线L2剪断,求剪断L2的瞬间物体的加速度(2)若将图甲中的细线L1换成长度相同(接m后),质量不计的轻弹簧,如图乙所示,其他条件不变,求剪断L2的瞬间物体的加速度【答案】(1)
16、gsin ,方向垂直于L1斜向下方 (2)gtan ,方向水平向右【解析】(1)细线L2被剪断的瞬间,因细线L2对物体的弹力突然消失,而引起L1上的张力发生突变,使物体的受力情况改变,瞬时加速度垂直L1斜向下方,大小为agsin .(2)当细线L2被剪断时,细线L2对物体的弹力突然消失,而弹簧的形变还来不及变化(变化要有一个过程,不能突变),因而弹簧的弹力不变,它与重力的合力与细线L2对物体的弹力是一对平衡力,等大反向,所以细线L2被剪断的瞬间,物体加速度的大小为agtan ,方向水平向右【变式1】两个质量均为m的小球,用两条轻绳连接,处于平衡状态,如图所示现突然迅速剪断轻绳OA,让小球下落,
17、在剪断轻绳的瞬间,设小球A、B的加速度分别用a1和a2表示,则()Aa1g,a2gBa10,a22g Ca1g,a20 Da12g,a20【答案】A【解析】由于绳子张力可以突变,故剪断OA后小球A、B只受重力,其加速度a1a2g,故选项A正确【变式2】在【变式1】中只将A、B间的轻绳换成轻质弹簧,其他不变,如图所示,则【变式1】选项中正确的是 ()Aa1g,a2gBa10,a22g Ca1g,a20 Da12g,a20【答案】D【解析】剪断轻绳OA后,由于弹簧弹力不能突变,故小球A所受合力为2mg,小球B所受合力为零,所以小球A、B的加速度分别为a12g,a20,故选项D正确【变式3】把【变式
18、2】的题图放置在倾角为30的光滑斜面上,如图所示,系统静止时,弹簧与细线均平行于斜面,在细线被烧断的瞬间,则下列说法正确的是 ()AaA0,aBg BaAg,aB0 CaAg,aBgDaA0,aBg【答案】B【解析】细线被烧断的瞬间,小球B的受力情况不变,加速度为0.烧断前,分析整体受力可知线的拉力为T2mgsin ,烧断瞬间,A受的合力沿斜面向下,大小为2mgsin ,所以A球的瞬时加速度为aA2gsin 30g,故选项B正确热点题型四动力学的两类基本问题1解决动力学两类问题的两个关键点2解决动力学基本问题的处理方法(1)合成法:在物体受力个数较少(2个或3个)时一般采用“合成法”(2)正交
19、分解法:若物体的受力个数较多(3个或3个以上),则采用“正交分解法”3两类动力学问题的解题步骤1已知受力求运动【例5】(2019汕头模拟)建设房屋时,保持底边L不变,要设计好屋顶的倾角,以便下雨时落在房顶的雨滴能尽快地滑离屋顶,雨滴下滑时可视为小球做无初速度、无摩擦的运动下列说法正确的是()A倾角越大,雨滴下滑时的加速度越大 B倾角越大,雨滴对屋顶压力越大C倾角越大,雨滴从顶端O下滑至屋檐M时的速度越大D倾角越大,雨滴从顶端O下滑至屋檐M时的时间越短【答案】AC【解析】.设屋檐的底角为,底边长度为L,注意底边长度是不变的,屋顶的坡面长度为x,雨滴下滑时加速度为a,对雨滴受力分析,只受重力mg和
20、屋顶对雨滴的支持力FN,垂直于屋顶方向:mgcos FN,平行于屋顶方向:mamgsin .雨滴的加速度为:agsin ,则倾角越大,雨滴下滑时的加速度越大,故A正确;雨滴对屋顶的压力大小:FNFNmgcos ,则倾角越大,雨滴对屋顶压力越小,故B错误;根据三角关系判断,屋顶坡面的长度x,由xgsin t2,可得:t ,可见当45时,用时最短,D错误;由vgsin t可得:v,可见越大,雨滴从顶端O下滑至M时的速度越大,C正确【变式】(2019上海闵行区模拟)如图所示,直杆水平固定,质量为m0.1 kg的小圆环(未画出)套在杆上A点,在竖直平面内对环施加一个与杆夹角为53的斜向上的拉力F,使小
21、圆环由静止开始沿杆向右运动,并在经过B点时撤掉此拉力F,小圆环最终停在C点已知小圆环与直杆间的动摩擦因数0.8,AB与BC的距离之比s1s285.(g取10 m/s2,sin 530.8,cos 530.6)求:(1)小圆环在BC段的加速度a2的大小;(2)小圆环在AB段的加速度a1的大小;(3)拉力F的大小【答案】(1)8 m/s2(2)5 m/s2(3)1.05 N或7.5 N【解析】(1)在BC段,小圆环受重力、弹力、摩擦力对小圆环进行受力分析如图甲所示,有fNmg则a2g0.810 m/s28 m/s2.(2)小圆环在AB段做匀加速运动,由运动学公式可知v2a1s1小圆环在BC段做匀减
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