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- 2021-05-25 发布
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3 牛顿第二定律
课堂合作探究
问题导学
一、牛顿第二定律
活动与探究 1[来源:学,科,网]
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,可是当我们用力
推一个很重的箱子时却推不动它(如图所示),这跟牛顿第二定律有无矛盾?为什么?
2.一个玩具火箭有两个发动机,可以提供大小相等的推力,当这两个发动机同时向前
推火箭时,火箭的加速度为 3 m/s2。如果这两个发动机以互成 120°角的力推火箭,求火箭的
加速度。
迁移与应用 1
如图所示,沿水平方向做匀变速直线运动的车厢中,悬挂小球的悬线偏离竖直方向 37°
角,球和车厢相对静止,球的质量为 1 kg。(g取 10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)
(1)求车厢运动的加速度并说明车厢的运动情况;
(2)求悬线对球的拉力。
(1)内容:物体的加速度跟所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方
向跟合外力的方向相同。
(2)数学表达式:F 合=ma。式中 F、m、a的单位必须统一为国际单位。
(3)牛顿第二定律的性质
①矢量性:牛顿第二定律的公式是矢量式,任一瞬间,a的方向均与 F的方向一致。
②瞬时性:加速度与合外力是瞬时对应关系,同时产生,同时变化,同时消失。
③同体性:F、m及 a是对同一物体或同一系统而言的。
④独立性:即力的独立作用原理,当物体受多个力作用时,每一个力都产生一个加速度,
物体运动的加速度为每个力产生的加速度的矢量和。
⑤相对性:物体的加速度必须是对静止的或匀速直线运动的参考系而言的。对加速运动
的参考系不适用。
(4)用牛顿第二定律解题的一般步骤
①确定研究对象。
②进行受力分析和运动状态分析,画出示意图。
③求出合力或加速度。受两个力时一般用平行四边形定则求合力,受三个或三个以上
的力时一般用正交分解法求合力。
④根据牛顿第二定律 F=ma求解。
二、合外力、加速度与速度的关系
活动与探究 2
1.关于加速度的两个公式 a=F
m
、a=Δv
Δt
,哪一个公式是加速度的定义式?哪一个公式
是加速度的决定式?
2.物体所受的合外力 F、加速度 a、速度 v 三者在大小和方向上有什么关系?
迁移与应用 2
在平直轨道上运动的车厢中,在光滑水平桌面上用弹簧拴着一个小球,弹簧处于自然
长度,如图所示。当旅客看到弹簧的长度变长时,对火车运动状态的判断可能是( )
A.火车向右方运动,速度在增加中
B.火车向右方运动,速度在减小中
C.火车向左方运动,速度在增加中
D.火车向左方运动,速度在减小中
(1)牛顿第二定律不仅指出了物体的加速度的大小与合外力之间的关系,而且也指明
了加速度与合外力之间的方向关系,即加速度 a的方向就是合外力 F的方向,反过来说合
外力 F的方向就是加速度 a的方向。
(2)加速度 a的大小和方向由物体的合力决定,而物体速度 v 的变化则由 a和 v 的方
向关系决定,a与 v 同向物体做加速运动,a与 v 反向物体做减速运动。
(3)a=Δv
Δt
是加速度的定义式,a=F
m
是加速度的决定式,揭示了物体产生加速度的原
因及影响物体加速度的因素。
三、牛顿第二定律的瞬时性
活动与探究 3
如图所示,质量均为 m的 A和 B两球用轻弹簧连接,A球用细线悬挂起来,两球均处
于静止状态。如果将悬挂 A球的细线剪断,此时 A和 B两球的瞬间加速度各是多少?
迁移与应用 3
如图所示,质量为 m的小球用水平轻弹簧系住,并用倾角为 30°的光滑木板 AB托住,
小球恰好处于静止状态。当木板 AB突然向下撤离的瞬间,小球的加速度大小为( )
A.0 B.2 3
3
g C.g D. 3
3
g
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的建立。
(1)刚性绳(或接触面):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,其中弹力立即发生变化,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)弹簧(或橡皮绳):此种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,其弹力的大小往往可以看成不变。
当堂检测
1.静止在光滑水平面上的物体,受到一个水平拉力,在力刚开始作用的瞬间,下列说
法正确的是( )
A.物体立即获得加速度和速度
B.物体立即获得加速度,但速度仍为零
C.物体立即获得速度,但加速度仍为零
D.物体的速度和加速度均为零
2.下列说法正确的是( )[来源:Zxxk.Com]
A.物体所受合外力为零时,物体的速度必为零
B.物体所受合外力越大,则加速度越大,速度也越大
C.速度方向、加速度方向、合外力方向三者总是相同的
D.速度方向可与加速度成任何夹角,但加速度方向总是与合外力的方向相同
3.某绿化用洒水车的牵引力不变,所受阻力与重力的关系为 Ff=kmg(k为常数),未
洒水时,做匀速直线运动,洒水时它的运动将是( )
A.做变加速运动
B.做初速度不为零的匀加速直线运动
C.做匀减速运动
D.仍做匀速直线运动
4.如图所示,轻弹簧下端固定在水平面上,一个小球从弹簧正上方某一高度处由静止
开始自由下落,接触弹簧后把弹簧压缩到一定程度后停止下落。在小球下落的这一全过程中,
下列说法中正确的是( )
A.小球刚接触弹簧瞬间速度最大[来源:Zxxk.Com]
B.从小球接触弹簧起加速度变为竖直向上
C.从小球接触弹簧到到达最低点,小球的速度先增大后减小
D.从小球接触弹簧到到达最低点,小球的加速度先减小后增大
5.台阶式电梯与地面的夹角为θ,一质量为 m的人站在电梯的一台阶上相对电梯静止,
如图所示。则当电梯以加速度 a匀加速上升时,求:
(1)人受到的摩擦力是多大?
(2)人对电梯的压力是多大?
答案:
课堂合作探究
【问题导学】
活动与探究 1:1.答案:没有矛盾。由公式 F=ma可知,F为合外力,无论怎样小的
力都可以使物体产生加速度,这个力应是合外力。现用力推一很重的箱子时,箱子静止,说
明合外力为零。
2.答案:设每个发动机提供的推力为 F,两个发动机同时向前推火箭时,受力如图甲
所示,此时火箭受合力为 F1=2F;
两个发动机同时以成 120°角的力推火箭,受力如图乙所示,此时火箭受合力为 F2=F。
由牛顿第二定律,在图甲情况下 F1=2F=ma1,在图乙情况下 F2=F=ma2。由两式得
a2=
a1
2
=1.5 m/s2,其方向与合力方向相同,沿与 F成 60°角方向。
迁移与应用 1:答案:(1)7.5 m/s2,方向水平向右 车厢可能向右做匀加速直线运动或
向左做匀减速直线运动 (2)12.5 N
解析:方法一:(合成法)
(1)小球和车厢相对静止,它们的加速度相同。以小球为研究对象,对小球进行受力
分析如图所示,小球所受合力
F合=mgtan 37°,
由牛顿第二定律得小球的加速度为
23= tan37 = =7.5m / s
4
F
a g g
m
合
加速度方向向右。
车厢的加速度与小球相同,车厢做的是向右的匀加速运动或向左的匀减速运动。
(2)由图可知,悬线对球的拉力大小为
= =12.5N
cos37
mgF
。
方法二:(正交分解法)
(1)建立直角坐标系如图所示,正交分解各力,根据牛顿第二定律列方程得 x方向
Fx=ma,
y方向 Fy-mg=0。
即 Fsin θ=ma,Fcos θ-mg=0。
化简解得
3
4
a g =7.5 m/s2,
加速度方向向右。
(2) = =12.5N
cos
mgF
。
活动与探究 2:1.答案:(1)加速度定义为速度的变化量与发生这一变化所用时间的
比值,因此 a=Δv
Δt
是定义式,加速度等于速度的变化率,但不能说 a与Δv 成正比,a与Δt
成反比;(2)根据牛顿第二定律,物体的加速度跟合外力成正比。跟物体的质量成反比,也
就是说,物体的加速度由合外力与质量决定,因此 a=F
m
是加速度的决定式。
2.答案:(1)物体所受合外力的方向决定了其加速度的方向。合外力与速度同向时,
物体做加速运动,反之做减速运动。
(2)合外力与加速度的大小关系是 F=ma,只要有合外力,不管速度是大还是小,都
存在加速度。只要合外力为零,则加速度也为零,与速度的大小无关。只有速度的变化率
才与合外力有必然的联系。
迁移与应用 2:BC 解析:本题如直接分析火车的运动,将不知从何处着手,由于小
球随车一起运动,因此取小球作为研究对象。
由于弹簧变长了,故小球受到向左的弹力,即小球受到的合力向左。
因为加速度 a与 F 合同向,故小球的加速度方向向左。
加速度 a方向向左,并不能说明速度方向也向左,应有两种可能:
(1)速度 v 方向向左时,v 增大,做加速运动,C正确;(2)速度 v 方向向右时,a与
v 方向相反,速度 v 减小,做减速运动,B正确。[来源:Zxxk.Com]
活动与探究 3:答案:先分析细线未剪断时 A和 B的受力情况,如图所示。A球受重力
mg、弹力 F1及细线拉力 F2;B球受重力 mg、弹力 F1′,且 F1′=mg。
剪断细线瞬间,F2瞬时消失,但轻质弹簧尚未收缩,仍保持原来形变,F1不变,故 B
球受力不变,此时 B球瞬间加速度 aB=0。[来源:学*科*网]
此时 A球受到的合力向下,F=F1+mg,且 F1=F1′=mg,则 F=2mg,由牛顿第二定律
得 2mg=maA,aA=2g,方向向下。
迁移与应用 3:B 解析:撤离木板瞬时,小球所受重力和弹簧弹力没变,二者合力大
小等于撤离前木板对球的支持力 FN,由于 FN= mg
cos 30°
=
2 3
3
mg,所以撤离木板瞬间小球加
速度大小为 a=FN
m
=
2 3
3
g。
【当堂检测】
1.B 2.D 3.A 4.CD
5.答案:(1)macos θ (2)m(g+asin θ)
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