高三物理一轮复习讲义牛顿运动定律.pdf
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1、牛顿运动定律 考点扫描 内容考试要求 16.牛顿第一定律惯性 17. 牛顿第二定律质量 18.牛顿第三定律 19.牛顿力学的适用范围 20. 牛顿定律的应用 23. 超重和失重 112. 单位制,中学物理中涉及到的国际单 位的 基本单位和其他物理量的单位。 “ 牛顿运动定律 ” 是高中物理的核心内容之一,是动力学的“ 基石 ” ,也是整个经典力学的理 论基础,是历年高考的必考内容其考查的重点有:准确理解牛顿第一定律和牛顿第三定律; 熟练掌握牛顿第二定律及其应用,尤其是物体的受力分析方法;理解和掌握运动和力的关系; 理解超重和失重本章内容的命题形式倾向于应用型、综合型和能力型,易与生产生活、军事
2、 科技、工农业生产等紧密联系,还可以力、电综合题形式出现从能力角度来看,重点考查思 维( 抽象、形象、直觉思维) 能力、分析和解决问题的能力;将实际问题抽象成物理模型的能力 在复习时, 建议抓住两个重点:一是加强对本章基本概念和规律的理解,如惯性、 失重与超重; 牛顿三定律等 二是要掌握两类动力学问题的处理方法,具体应从以下几个方面下功夫:灵 活运用隔离法和整体法来求解加速度相等的连接体问题;熟练运用正交分解法处理受力较复 杂的问题, 在正交的两个方向上分别应用牛顿运动定律;综合应用牛顿运动定律和运动学规 律分析、 解决问题, 注意多阶段 ( 过程 ) 运动上的连接点;运用超重和失重的知识定性
3、分析一 些力学现象 第1课牛顿第一定律牛顿第三定律 基础过关 一、牛顿第一定律 1. 一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止 2.力是改变物体运动状态的原因,即力是使物体产生加速度的原因,运动不需要力来维持。 3.惯性是一切物体都具有的性质,是物体的固有性质, 与物体的运动情况和受力情况无关, 质量是惯性大小的唯一量度。 二、牛顿第三定律 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 考点突破 一、牛顿第一定律 1 建立:牛顿第一定律不能用实验直接证明,它是在可靠的经验事实( 如伽利略斜面实验) 基础上采用科学的逻辑推理得出的结论
4、 2条件:物体不受外力或所受合外力为零“ 不受外力 ” 是理想环境下的条件,“ 受合外力 为零 ” 是实际环境下的条件 3结论:物体总保持匀速直线运动状态或静止状态 4 惯性:物体具有保持原来运动状态的性质叫惯性与物体是否受力、怎样受力无关,与物 体是否运动,怎样运动、所处的地理位置无关,一切物体都具有惯性。 5惯性与力的关系:物体的惯性不是力,力可以改变物体的运动状态,但不能改变物体的惯 性,惯性的大小反应了改变物体运动状态的难易程度。质量是物体惯性大小的唯一量度,质量 越大惯性越大。惯性与力是两个截然不同的概念 6牛顿第一定律的建立,具有以下三个重要意义: (1)它揭示了物体的一种性质 一
5、切物体都具有惯性因此,牛顿第一定律又叫做惯性 定律 (2)它揭示了力的本质 力是改变物体运动状态的根本原因,而不是维持物体运动状态 的原因,是产生加速度的原因 (3)它揭示了不受外力或所受合外力为零时物体的运动规律 匀速直线运动或静止状 态 7牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础,不能简单地认为它是牛顿第二定律在不受外力 的特例, 牛顿第一定律定性地给出了力与运动的关系,并指出了任何物体都有惯性,牛顿第二 定律定量地给出了力与运动的关系。 二、牛顿第三定律 1作用力和反作用力是同时存在、同时变化、同时消失. 2 作用力和反作用力是同种性质的力,如作用力是摩擦力,反作用力也一定是摩擦力 3 作用力和
6、反作用力作用在不同物体上,因而它们之间的作用效果不存在相互抵消或合力 为零的问题 4 无论相互作用的物体双方处于何种运动状态( 静止、运动、加速等 ) ,牛顿第三定律都 成立 说明:牛顿三定律只适合于宏观物体的低速运动,只适合于惯性参考系. 方法梳理 作用力与反作用力和平衡力的区别 内容作用力与反作 用力 两平衡力 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 相互依存, 不可 单独存在 无依赖关系,撤除一 个,另一个可依然存 在,只是不再平衡 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
7、,可叠加,可求 合力,合力为零 力 的一 定 是 同 性 质可以是同性质的力, 性质的力也可以是不同性质的 力 典型例题 例1 16世纪末,伽利略用实验和推理,推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力 和运动的理论, 开启了物理学发展的新纪元以下说法中, 与亚里士多德观点相反的是() A 两物体从同一高度自由下落,较轻的物体下落较慢 B 一个运动的物体,如果不再受力了,它总会逐渐停下来;这说明:静止状态才是物体不受 力时的 “ 自然状态 ” C两匹马拉的车比一匹马拉的车跑得快;这说明:物体受的力越大,速度就越大 D一个物体维持匀速直线运动,不需要力 解析:本题考查对牛顿第一定律的认识和对
8、运动和力关系的认识.牛顿第一定律讲的虽是 特殊状态,揭示的却是任何物体都具有保持原状态这一基本属性的普遍规律,故选项D对 变式训练 1:关于牛顿第一定律有下列说法正确的是() A 牛顿第一定律是实验定律 B 牛顿第一定律说明力是改变物体运动状态的原因 C 惯性定律与惯性的实质是相同的 D 物体的运动不需要力来维持 解析:牛顿第一定律揭示了力的本质 力是改变物体运动状态的根本原因,而不是维持物体 运动状态的原因,是产生加速度的原因, 选项 BD 正确 例2.在谷物的收割和脱粒过程中,小石子、草屑等杂物很容易和谷物混在一起,另外谷粒中也 有瘪粒 .为了将它们分离,可用扬场机分选,如图3-1-1所示
9、,它的分选原理是() A.小石子质量最大,空气阻力最小,飞的 最远 B.空气阻力对质量不同的物体影响不同 C.瘪谷和草屑质量最小,在空气阻力作用下,反向加速最大,飞得最远 D.空气阻力使它们的速度变化快慢不同 解析:各种杂物以相同速度从机器内抛出,由于受空气阻力不同,产生的加速度也不一样, 使它们速度变化快慢不同。小石子质量大,惯性大,运动状态难以改变,故飞得最远,而实谷 物质量和惯性介于小石子和瘪粒之间,故飞行距离居中,瘪粒和草屑质量和惯性小,飞行距离 最近。选项 D正确 变式训练 2:关于惯性,下述哪些说法是正确的是() A.静止的火车启动时速度变化缓慢,是因为物体静止时惯性大 B.战斗机
10、投入战斗时,必须丢掉副油箱,减小惯性以保证其运动的灵活性 C.乒乓球可快速抽杀,是因为乒乓球惯性小的缘故 D.在绕地球运转的宇宙飞船内的物体不存在惯性 解析:惯性是物体本身的固有属性,只由质量决定,与物体的运动状态,受力情况均无 关系。质量越大,惯性越大,所以选项BC 正巧确 例3. 甲乙两队拔河比赛,甲队胜,若不计绳子的质量,下列说法正确的是() A因甲队胜而乙队负,所以甲队拉绳子的力大于乙队拉绳子的力 B只有在两队相持不动时,两队拉力才大小相等 C不管什么情况,两队的拉力大小总是相等 D甲队获胜的原因是甲队受地面的最大静摩擦力大于乙队受地面的最大静摩擦力 解析: 甲拉乙与乙拉甲的力是一对作
11、用力与反作用力,与它们的运动状态无关,任何情况下相 等,故 C 对;若取甲、乙两队和绳子所组成的系统为研究对象,要水平方向受到地面对两队的 静摩擦力, 甲队获胜, 则甲队受地面的最大静摩擦力大于乙队受地面的最大静摩擦力,而使乙 队被拉动所以选项D对 变式训练 3:在滑冰场上,甲、乙两小孩子分别坐在滑板上,原来静止不动,在相互猛推一下 后分别向相反方向运动.假定两板与冰面间的动摩擦因数相同,已知甲在冰上滑行的距离比乙 远,这是由于() 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
12、小于乙的加速度的大小 解析:甲与乙间推力是作用力与反作用力,总是等大且反向,作用时间也相等,所以选项C正 确 第2课时牛顿第二定律 基础过关 一、牛顿第二定律 物体的加速度 a 跟所受的合外力 F 成正比, 跟物体的质量 m成反比, 加速度的方向与合外 力的方向相同,其数学表达式为 Fma 合 . 二、力学单位制 在国际单位制中,选定七个基本物理量的单位作为基本单位,其中三个力学部分的基本单 位分别是千克、米、秒;它们所对应的物质量分别是质量、长度和时间。 考点突破 对牛顿第二定律的理解 1“ 同体性 ” 牛顿第二定律公式中的 F 、 m、a三个量必须是对同一个物体或同一个系 统而言的 2“
13、矢量性 ” 牛顿第二定律的公式是矢量式,公式 F a m 合 不仅确定了加速度与合外力的 大小关系,还确定了加速度与合外力的方向始终一致 3“ 瞬时性 ” 牛顿第二定律反映了加速度与合外力的瞬时对应关系合外力恒定时,加 速度保持不变;合外力变化时,加速度随之变化;合外力为零时,加速度也为零 4“ 独立性 ” 作用于物体上的每一个力都各自产生加速度 5“ 同时性 ” 牛顿第二定律中 F、a只有因果关系而没有先后关系F发生变化,a同 时变化 ( 包括大小和方向) 6“ 局限性 ” 牛顿第二定律只适用于惯性参考系,适用于宏观物体的低速运动,不适用 于微观粒子的高速运动 7“ 统一性 ” 牛顿第二定律
14、定义了力的基本单位 牛顿,因此应用牛顿第二定律时要 用统一的单位,即 m的单位用 kg , F 的单位用 N,a的单位用 2 /ms 8牛顿第二定律的意义是定量地确定了力和运动的关系 方法梳理 1如何由牛顿第二定律求出瞬时加速度 分析物体在某一时刻的瞬时加速度, 关键是分析瞬时前、 后的受力情况及运动状态, 再由牛顿第 二定律求出瞬时加速度. 此类问题应注意两种基本模型. (1) 轻绳 ( 或接触面 ): 可认为是一种不发生明显形变就能产生弹力的物体, 若剪断 ( 或脱离 ) 后, 其中弹力立即消失,不需要形变恢复时间. 一般题目中所给细线和接触面在不加特殊说明时, 均可按此模型处理. (2)
15、 弹簧 ( 或橡皮绳 ): 此类物体的特点是形变量大, 形变恢复需要较长时间, 在瞬时问题中, 弹簧与物体相连时,其弹力的大小往往可以看成不变;但弹簧的一端被剪断不与物体相连时, 弹力可以突变 2力、加速度、速度关系 (1)物体所受合力的方向决定了其加速度的方向,只要有合力,不管速度是大,是小,或 是零,都有加速度,只有合力为零时,加速度才能为零。一般情况下,合力与速度无必然的联 系。 (2)合力与速度同向时,物体加速;合力与速度反向时,物体减速。 (3)加速度的定义式 t v a ,是一个量度式, a与 v与 t无直接关系; m F a 是加速度的 决定式, aF,a m 1 . 3运用牛顿
16、运动定律处理矢量的两种基本方法 (1)合成法 合成法就是先直接求出物体所受外力的合力,然后应用牛顿定律F合=ma求解的方法。当物 体只受两、三个力作用,且较容易求出其合力时,使用此法比较方便。 (2)分解法 分解法是指在不同方向上应用牛顿第二定律。 正交分解可以将受力较为复杂的力学问题转化为单个方向的较为简单的动力学问题进行 求解,使复杂问题简单化。 典型例题 例1.在水平路面上, 一个大人推一辆重车, 一个小孩推一辆轻车, 各自做匀加速直线运动 (阻力不计 ). 甲、乙两同学在一起议论. 甲同学说 : 根据牛顿运动定律, 大人的推力大, 小孩的推 力小 , 因此重车的加速度大. 乙同学说 :
17、 根据牛顿运动定律. 重车质量大 , 轻车质量小 , 因此轻车 的加速度大 . 你认为他们的说法是否正确? 解析:甲、乙两同学的结论和理由都不全面和充分. 由牛顿第二定律知, 物体的加速度决定 于物体所受的合外力和物体的质量, 即 F a m = 合 . 对于重车 , 受到的推力大, 但车的质量也大, 因 而 M a 不一定大 , 同理轻车质量小, 但小孩推力也小,因而 m a 也不一定大 . 判定谁的加速度大. 只 有看各自的 F m 的值 变式训练 1:.从牛顿第二定律可知,无论怎么小的力都可以使物体产生加速度,但是用较小的 力去推地面上很重的物体时,物体仍然静止,这是因为() A.推力比
18、静摩擦力小 B.物体有加速度,但太小,不易被察觉 C.物体所受推力比物体的重力小 D.物体所受的合外力仍为零 解析:因为物体还要受到地面的摩擦力作用,产生加速度的是合外力。合外力的零,加速度也 为零,所以选项D正确 例2。如图 3-2-1所示, 水平力 F作用在质量为M的箱子上, 箱内有质量为 m的物体 ,,m与M之间, M与地面间均光滑, (1)在 m与箱后壁碰撞前,箱的加速度为() A M F B )/(mMF C mF / D。 mmgF/ )( 图3-2-1 (2)在 m与箱后壁碰撞后,箱的加速度为() (仍在上述选项中选择) 解析:牛顿第二定律的表达式为F=ma.,式中的 F、m 、
19、a三者必需是对同一个研究对象。如果 是单一物体的质量m ,则必需是这一个物体所受的合外力F;若是系统的质量m 。则必需是系统 所受到的合外力,不包括系统的内力。认为两种情况下都是选项B实际上这是没有理解F、m 、a 三者的同体性。在m与箱后壁碰撞前,外力F对应的质量为M;而 m与箱后壁碰撞后,外力F对 应的质量为( M+m) 。所以前者选A后者应选 B。 图3-2-2 变式训练 2:如图 3-2-2 所示,甲、乙两图都在光滑的水平面上的小车的质量都是M ,人的质 量都是 m ,甲图人推车,乙图人拉绳子的力都是F, (绳与轮的质量和摩擦均不计),对于甲、乙 两车的加速度大小说法正确的是: A.甲
20、车的加速度大小为 F M B.甲车的加速度大小为0 C.乙车的加速度大小为 2F Mm+ D.乙车的加速度大小为0 解析: :对于甲 , 以人车整体为研究对象,水平方向合力为零,由牛顿第二定律得 0a = 甲 ;对 乙水平方向整体受力为2T,再由牛顿第二定律得 2F a Mm = + 乙 ,所以说项 B、C正确 第3课时牛顿第二定律的应用 考点突破 一、应用牛顿运动定律解决动力学的两类基本问题 1.已知物体的受力情况,求运动情况 2.已知物体的运动情况,求受力情况: 在这两类问题中,受力分析是关键,加速度是联系物体受力情况和运动情况的桥梁。 解题思维过程如下: 二、力和运动的关系 1力是改变物
21、体运动状态的原因,即: 力加速度速度变化(运动状态变化) 物体所受到的合力决定了物体当时加速度的大小,而加速度的大小决定了单位时间内速度 的变化量的大小。加速度的大小与速度大小无必然的联系。 2物体所受的合外力决定物体运动的性质,即决定物体做匀速运动还是变速运动、匀变速 运动还是变加速运动;物体作何种形式的运动,还要根据物体的初始运动状态,即初速度v0 进行分析方能确定。如果合外力与初速度v0的方向都沿一条直线,则物体做变速直线运动;如 果物体受的合外力方向与初速度方向不在一条直线上,则物体做曲线运动,其中, 如果物体所 受合外力是恒力,则物体做匀变速曲线运动,如平抛运动; 如果合外力的大小不
22、变而方向总是 与速度方向垂直,则物体做匀速圆周运动。 方法梳理 运用牛顿运动定律解题的基本思路和一般步骤 1.通过审题,灵活地选取研究对象,明确物理过程。 2.分析研究对象的受力情况和运动情况。必要时画好受力示意图和运动过程示意图。 3.根据牛顿第二定律和运动公式列方程。合力的求解常用合成法或正交分解法;要特别注 意公式中各矢量的方向及正负号的选择。 4.统一单位后,将数值代入方程求解。 5.检查答案是否完整、合理,必要时需讨论。 典型例题 例1 (2008年全国理综 1卷考题)如图 3-3-1所示,一辆有动力驱动的小车上有一水平放置的弹 簧,其左端固定在小车上,右端与一小球相连,设在某一段时
23、间内小球与小车相对静止且弹簧 处于压缩状态,若忽略小球与小车间的摩擦力,则在此段时间内小车可能是() A.向右做加速运动 B.向右做减速运动 C.向左做加速运动 D.向左做减速运动图3-3-1 解析:对小球水平方向受到向右的弹簧弹力N,由牛顿第二定律可知,小球必定具有向右的加 速度,小球与小车相对静止,故小车可能向右加速运动或向左减速运动 变式训练 1:一航天探测器完成对月球的探测任务后,在离开月球的过程中,由静止开始沿着与月球表面成 一倾斜角的直线飞行,先加速运动,再匀速运动探测器通过喷气而获得推动力以下关于喷气方向的描述 中正确的是() A 探测器加速运动时,沿直线向后喷气 B.探测器加速
24、运动时,竖直向下喷气 C.探测器匀速运动时,竖直向下喷气 D.探测器匀速运动时,不需要喷气 解析:物体所受合外力的方向与物体的运动方向在同一直线上,才能做直线运动。A选项中, 探测器向后喷气,可获一个向前的反冲力,该力与重力的合力方向偏离原运动的方向,探测器 不可能作直线运动,故选项A错误;同理可判断B错误; C选项中,探测器向下喷气,当上的反 冲力等于向下的重力时,探测器所受的合力为零,作匀速直线运动,所以选项C正确;当探测 器不喷气,没有反冲力,在重力作用下做斜抛运动,故选项D错误。 例2. 如图 3-3-2 所示 ,AD、BD 、CD 是竖直平面内三根固定的光滑细杆,A、B、C、D位于同
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