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20191018370.pdf
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1、第 1 页 共 29 页 1 专题 05 牛顿三大运动定律的理解与应用专题 05 牛顿三大运动定律的理解与应用 【专题导航】【专题导航】 目录目录 热点题型一 牛顿第一定律的理解和应用.1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.6热点题型三 牛顿第二定律的理解和基本应用.6 1 力与运动的关系 6 2 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.9热点题型四 动力学的两类基本问题.9 1 已知受力求运动 .10 2 已知运动求受力 12 3 等时圆模型 .13 热点题型
2、五动力学图象问题的应用15热点题型五动力学图象问题的应用15 【题型演练】18【题型演练】18 【题型归纳】【题型归纳】 热点题型一 牛顿第一定律的理解和应用热点题型一 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 第 2 页 共 29 页 2 运动) 2与牛顿第二定律的对比 牛顿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
3、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 【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
4、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)(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 第 3 页 共 29 页 3 【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)【变式 2】(2019益阳模拟)亚里士多德在其著作物理学中说
5、: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
6、擦力”导致的 D竖直向上抛出的物体,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
7、上的惯性,虽然受到向下 的重力,但物体不会立刻向下运动,故选项 D 符合题意 热点题型二 牛顿第三定律的理解热点题型二 牛顿第三定律的理解 1作用力和反作用力的关系 第 4 页 共 29 页 4 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 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,
8、可叠加, 可求合力,合力为零 不同 点 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 N 132 N 第 5 页 共 29 页 5 【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
9、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 53Ff F2sin 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 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)【变式 1】(2019乐山模拟)如图
10、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( ) 第 6 页 共 29 页 6 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
11、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)(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 第 7 页 共 29 页 7 【解析】喷出时塞子受到的冲击力和小车受到的
12、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
13、子对建筑材料的拉力为F1, F1mgma F1m(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 第 8 页 共 29 页 8 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,当外界因素发生变化时,需要重新进行受力分析
14、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1 力与运动的关系 【例 3】(2019四川广元一诊)(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
15、力逐渐减小,由牛顿第二定律可知,加速度向右且逐渐减小,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
16、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,和加速度的大小没有关系 第 9 页 共 29 页 9 (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)(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
17、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
18、平拉直,物体处于平衡状态 第 10 页 共 29 页 10 (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)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,
19、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,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,a2g Ba10,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
20、他不变,如图所示,则【变式 1】选项中正 确的是 ( ) 第 11 页 共 29 页 11 Aa1g,a2g Ba10,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 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 1 2 【答案】B 【解析】
21、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T 2mgsin ,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 第 12 页 共 29 页 12 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
22、求运动1 已知受力求运动 【例 5】(2019汕头模拟)(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 第 13 页 共 29 页 13 【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和屋顶对雨滴的
23、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 L 2cos 1 2 2L gsin 2 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gLtan 度越大,C 正确 【变式】(2019上海闵行区模拟)(2019上海闵行区模拟)如图所示,直杆水平固
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