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- 2021-05-26 发布
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专题四 牛顿运动定律
[考纲解读]
章 内容
加试要求
说明
必考 加试
牛
顿
运
动
定
律
牛顿第一定律 c 1.不要求区别惯性质量与引力质量.
2.不要求分析非惯性系中物体的运动情况.
3.不介绍其他的单位制.
4.求解连接体问题时,只限于各物体加速度
相同的情形.
5.不要求解决加速度不同的两个物体的动
力学问题.
牛顿第二定律 d d
力学单位制 b
牛顿第三定律 c c
牛顿运动定律应用 d d
超重与失重
b
一、牛顿第一定律
1.内容
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.
2.意义
(1)指出力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因,即力是产生加速度的原
因.
(2)指出了一切物体都有惯性,因此牛顿第一定律又称为惯性定律.
(3)牛顿第一定律描述的只是一种理想状态,而实际中不受力作用的物体是不存在的,当物体
受外力但所受合力为零时,其运动效果跟不受外力作用时相同,物体将保持静止或匀速直线
运动状态.
3.惯性
(1)定义:物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质.
(2)量度:质量是物体惯性大小的唯一量度,质量大的物体惯性大,质量小的物体惯性小.
(3)普遍性:惯性是物体的固有属性,一切物体都有惯性,与物体的运动情况和受力情况无关.
二、牛顿第二定律
1.内容
物体加速度的大小跟所受外力的合力成正比,跟它的质量成反比,加速度的方向跟合外力方
向相同.
2.表达式:F=ma.
三、牛顿第三定律
1.牛顿第三定律的内容
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“三同、三异、三无关”
(1)“三同”:①大小相同;②性质相同;③变化情况相同.
(2)“三异”:①方向不同;②受力物体不同;③产生的效果不同.
(3)“三无关”:①与物体的种类无关;②与物体的运动状态无关;③与物体是否和其他物体
存在相互作用无关.
四、力学单位制
1.力学中的基本物理量及单位
(1)力学中的基本物理量是长度、质量、时间.
(2)力学中的基本单位:基本物理量的所有单位都是基本单位.如:毫米(mm)、克(g)、毫秒(ms)
等等.三个基本物理量的单位在国际单位制中分别为米(m)、千克(kg)、秒(s).
2.单位制
(1)由基本单位和导出单位组成的单位系统叫做单位制.
(2)国际单位制(SI):国际计量大会制定的国际通用的、包括一切计量领域的单位制,叫做国
际单位制.
五、超重与失重
1.超重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向上的加速度.
2.失重
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.
(2)产生条件:物体具有向下的加速度.
1.冰壶在冰面上运动时受到的阻力很小,可以在较长时间内保持运动速度的大小和方向不变,
我们可以说冰壶有较强的抵抗运动状态变化的“本领”.这里所指的“本领”是冰壶的惯性,
则惯性的大小取决于( )
A.冰壶的速度 B.冰壶的质量
C.冰壶受到的推力 D.冰壶受到的阻力
答案 B
解析 质量是惯性大小的唯一量度.
2. (2016·金华十校 9 月模拟)踢足球是青少年最喜爱的运动项目之一,足球运动中包含有丰
富的物理常识.如图 1 所示,某校一学生踢球时( )
图 1
A.脚对球的作用力大于球对脚的作用力
B.脚对球的作用力与球对脚的作用力大小相等
C.脚对球的作用力与球的重力是一对平衡力
D.脚对球的作用力与球对脚的作用力是一对平衡力
答案 B
解析 由牛顿第三定律:作用力与反作用力总是大小相等、方向相反,作用在同一条直线上
知:B 正确,A、D 错误,一学生踢球时,脚对球的作用力与球的重力不在一条直线,所以不
是平衡力,C 不正确.
3.(2016·浙江 10 月学考·2)下列均属于国际制基本单位的是( )
A.m、N、J B.m、kg、J
C.m、kg、s D.kg、m/s、N
答案 C
解析 力学中有 3 个基本物理量:质量、长度、时间,单位分别是:kg、m、s.力(N),功(J)
这些都不是国际基本物理量,所以答案为 C.
4.牛顿第二定律的表达式可以写成 m=F
a
,对某个物体来说,它的质量 m( )
A.跟合外力 F 成正比
B.跟合外力 F 与加速度 a 都无关
C.跟它的加速度 a 成反比
D.跟合外力 F 成反比,跟它的加速度 a 成正比
答案 B
解析 m=F
a
只是一个计算式,物体质量与合外力和加速度均无关.
5.(2015·浙江 1 月学考)如图 2 所示,小文同学在电梯中体验加速上升和加速下降的过程,
这两个过程( )
图 2
A.都是超重过程
B.都是失重过程
C.加速上升是失重过程,加速下降是超重过程
D.加速上升是超重过程,加速下降是失重过程
答案 D
解析 加速上升时加速度方向向上,故支持力大于重力,为超重;加速下降时加速度方向向
下,支持力小于重力,为失重,故选 D 项.
牛顿第一定律和牛顿第三定律
1.应用牛顿第一定律分析实际问题时,要把生活感受和理论问题联系起来深刻认识力和运动
的关系,正确理解力不是维持物体运动状态的原因,克服生活中一些错误的直观印象,建立
正确的思维习惯.
2.相互作用力与平衡力的比较
对应名称
比较内容 作用力与反作用力 一对平衡力
不同点
作用在两个相互作用的物体上 作用在同一物体上
同时产生、同时消失
不一定同时产生、同
时消失
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
一定是同性质的力 性质不一定相同
相同点 大小相等、方向相反、作用在同一条直线上
例 1 课间休息时,一位男生跟一位女生在课桌面上扳手腕比力气,结果男生把女生的手腕
压倒到桌面上,如图 3 所示,对这个过程中作用于双方的力,描述正确的是( )
图 3
A.男生扳女生手腕的力一定比女生扳男生手腕的力大
B.男生扳女生手腕的力与女生扳男生手腕的力一样大
C.男生扳女生手腕的力小于女生臂膀提供给自己手腕的力
D.男生扳女生手腕的力与女生臂膀提供给自己手腕的力一样大
答案 B
解析 根据牛顿第三定律,男生扳女生手腕的力与女生扳男生手腕的力大小相等.
应用牛顿第三定律应注意的三个问题
1.定律中的“总是”说明对于任何物体,在任何情况下牛顿第三定律都是成立的.
2.作用力与反作用力虽然等大反向,但因作用的物体不同,所产生的效果(运动效果或形变效
果)往往不同.
3.作用力与反作用力只能是一对物体间的相互作用力,不能牵扯第三个物体.
变式题组
1.(多选)如图 4 所示,在匀速前进的磁悬浮列车里,小明将一小球放在水平桌面上,且小球
相对桌面静止.关于小球与列车的运动,下列说法正确的是( )
图 4
A.若小球向前滚动,则磁悬浮列车在加速前进
B.若小球向后滚动,则磁悬浮列车在加速前进
C.磁悬浮列车急刹车时,小球向前滚动
D.磁悬浮列车急刹车时,小球向后滚动
答案 BC
解析 列车加(减)速时,小球由于惯性保持原来的运动状态(即原速率)不变,相对于车向后
(前)滚动,选项 B、C 正确.
2.(2014·浙江 1 月学考)如图 5 所示,将甲、乙两弹簧互相钩住并拉伸,则( )
图 5
A.甲拉乙的力小于乙拉甲的力
B.甲拉乙的力大于乙拉甲的力
C.甲拉乙的力与乙拉甲的力是一对平衡力
D.甲拉乙的力与乙拉甲的力是一对相互作用力
答案 D
解析 根据牛顿第三定律,相互作用的两个物体间的作用力大小相等、方向相反.甲、乙间的
力为相互作用力,故 D 项正确.
3.(2016·金华十校 9 月模拟)下列说法中正确的是( )
A.运动越快的汽车越不容易停下来,是因为汽车运动得越快,惯性越大
B.作用力与反作用力一定是同种性质的力
C.伽利略的理想实验是凭空想象出来的,是脱离实际的理论假设
D.马拉着车向前加速时,马对车的拉力大于车对马的拉力
答案 B
解析 物体的惯性大小只与物体的质量有关,与物体的速度无关,选项 A 错误;作用力与反
作用力一定是同种性质的力,选项 B 正确;伽利略的理想实验是建立在严格的推理的基础上
的,与实际的理论不脱离,选项 C 错误;马拉着车向前加速时,马对车的拉力与车对马的拉
力是一对作用力与反作用力,故马对车的拉力等于车对马的拉力,选项 D 错误.
牛顿第二定律的理解和应用
1.对牛顿第二定律的理解
2.牛顿第二定律瞬时性的“两种”模型
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:
(1)刚性绳(或接触面)——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
即消失,不需要形变恢复时间.
(2)弹簧(或橡皮绳)——两端同时连接(或附着)有物体的弹簧(或橡皮绳),特点是形变量大,
其形变恢复需要较长时间,在瞬时性问题中,其弹力的大小往往可以看成保持不变.
例 2 (2016·东阳市联考)如图 6 所示,物块 1、2 间用刚性轻质杆连接,物块 3、4 间用轻
质弹簧相连,物块 1、3 质量为 m,物块 2、4 质量为 M,两个系统均置于水平放置的光滑木板
上,并处于静止状态.现将两木板沿水平方向突然抽出,设抽出后的瞬间,物块 1、2、3、4
的加速度大小分别为 a1、a2、a3、a4.重力加速度大小为 g,则有( )
图 6
A.a1=a2=a3=a4=0
B.a1=a2=a3=a4=g
C.a1=a2=g,a3=0,a4=m+M
M
g
D.a1=g,a2=m+M
m
g,a3=0,a4=m+M
M
g
答案 C
解析 在抽出木板的瞬间,物块 1、2 与刚性轻杆连接处的形变立即消失,受到的合力均等于
各自重力,所以由牛顿第二定律知 a1=a2=g;而物块 3、4 间的轻质弹簧的形变还来不及改
变,此时弹簧对物块 3 向上的弹力大小和对物块 4 向下的弹力大小仍为 mg,因此物块 3 满足
mg=F,a3=0;由牛顿第二定律得物块 4 满足 a4=F+Mg
M
=m+M
M
g,所以 C 正确.
求解瞬时加速度问题时应抓住“两点”
1.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
析和运动分析.
2.加速度可以随着力的突变而突变,而速度的变化需要一个过程的积累,不会发生突变.
变式题组
4.如图 7 所示,质量为 1 kg 的物体与桌面间的动摩擦因数为 0.2,物体在 7 N 的水平拉力作
用下获得的加速度大小为(g 取 10 m/s2)( )
图 7
A.0 B.5 m/s2
C.8 m/s2 D.12 m/s2
答案 B
解析 物体所受合外力 F 合=F-μmg=5 N,加速度 a=F 合
m
=5 m/s2,选项 B 正确.
5.(2016·温州联考)如图 8 所示,两小球悬挂在天花板上,a、b 两小球用细线连接,上面是
一轻质弹簧,a、b 两球的质量分别为 m 和 2m,在细线烧断瞬间,a、b 两球的加速度为(取向
下为正方向)( )
图 8
A.0,g B.-g,g
C.-2g,g D.2g,0
答案 C
解析 在细线烧断之前,a、b 可看成一个整体,由二力平衡知,弹簧弹力等于整体重力,故
方向向上,大小为 3mg.当细线烧断瞬间,弹簧的形变量不变,故弹力不变,故 a 受向上 3mg
的弹力和向下 mg 的重力,故加速度 aa=3mg-mg
m
=2g,方向向上.对 b 而言,细线烧断后只受
重力作用,故加速度 ab=2mg
2m
=g,方向向下.取向下为正方向,有 aa=-2g,ab=g.故选项 C
正确.
6.如图 9 所示,两个质量分别为 m1=2 kg,m2=3 kg 的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 F1=30 N、F2=20 N 的水平拉力分别作用在 m1、m2 上,则
( )
图 9
A.弹簧测力计的示数是 25 N
B.弹簧测力计的示数是 50 N
C.在突然撤去力 F2 的瞬间,m1 的加速度大小为 5 m/s2
D.在突然撤去力 F1 的瞬间,m1 的加速度大小为 13 m/s2
答案 D
解析 以 m1、m2 整体为研究对象,根据牛顿第二定律可得 a=F1-F2
m1+m2
=2 m/s2,以 m1 为研究对
象,F1-F=m1a,解得 F=26 N,故选项 A、B 错误.在突然撤去力 F2 的瞬间,弹簧的弹力不发
生变化,故 m1 的加速度不发生变化,选项 C 错误.在突然撤去力 F1 的瞬间,m1 的加速度大小
为 a1=F
m1
=13 m/s2,选项 D 正确.
超重与失重现象
1.尽管物体的加速度不是竖直方向,但只要其加速度在竖直方向上有分量,物体就会处于超
重或失重状态.
2.超重并不是重力增加了,失重并不是重力减小了,完全失重也不是重力完全消失了.在发生
这些现象时,物体的重力依然存在,且不发生变化,只是物体对支持物的压力(或对悬挂物的
拉力)发生了变化.
3.在完全失重的状态下,平常一切由重力产生的物理现象就会完全消失,如天平失效、液体
柱不再产生压强等.
例 3 应用物理知识分析生活中的常见现象,可以使物理学习更加有趣和深入.例如,平伸
手掌托起物体,由静止开始竖直向上运动,直至将物体抛出.对此现象分析正确的是( )
A.手托物体向上运动的过程中,物体始终处于超重状态
B.手托物体向上运动的过程中,物体始终处于失重状态
C.在物体离开手的瞬间,物体的加速度大于重力加速度
D.在物体离开手的瞬间,手的加速度大于重力加速度
答案 D
解析 手托物体向上运动,一定先向上加速,处于超重状态,但后面的运动可以是减速的,
也可以是匀速的,不能确定,A、B 错误;物体和手具有共同的速度和加速度时,二者不会分
离,故物体离开手的瞬间,物体向上运动且只受重力,物体的加速度等于重力加速度,但手
的加速度应大于重力加速度,并且方向竖直向下,手与物体才能分离,所以 C 错误,D 正确.
超重和失重现象判断的“三”技巧
1.从受力的角度判断,当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态,
小于重力时处于失重状态,等于 0 时处于完全失重状态.
2.从加速度的角度判断,当物体具有向上的加速度时处于超重状态,具有向下的加速度时处
于失重状态,向下的加速度为重力加速度时处于完全失重状态.
3.从速度变化的角度判断
(1)物体向上加速或向下减速时,超重;
(2)物体向下加速或向上减速时,失重.
变式题组
7.(2014·浙江 7 月学考)两砖块叠在一起放在竖直升降电梯的水平底板上.当两砖块间的压
力小于上面砖块的重力时,电梯可能的运动是( )
A.向上加速运动
B.向上减速运动
C.向下匀速运动
D.向下减速运动
答案 B
解析 对上面的砖块进行分析,根据牛顿第二定律得,a=mg-F
m
,由题意知支持力小于重力,
则加速度方向竖直向下,所以电梯向上做减速运动或向下做加速运动,故 B 正确,A、C、D
错误.
8.关于超重和失重现象,下列描述中正确的是( )
A.电梯正在减速上升,在电梯中的乘客处于超重状态
B.磁悬浮列车在水平轨道上加速行驶时,列车上的乘客处于超重状态
C.荡秋千时秋千摆到最低位置时,人处于失重状态
D.“神舟九号”飞船在绕地球做圆轨道运行时,飞船内的航天员处于完全失重状态
答案 D
9.(2015·浙江 10 月选考)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 10 所示,当此车匀减
速上坡时,则乘客(仅考虑乘客与水平面之间的作用)( )
图 10
A.处于超重状态
B.不受摩擦力的作用
C.受到向后(水平向左)的摩擦力作用
D.所受合力竖直向上
答案 C
解析 当车匀减速上坡时,加速度方向沿斜坡向下,人的加速度与车的加速度相同,根据牛
顿第二定律知人的合力方向沿斜面向下,合力的大小不变.人受重力、支持力和水平向左的静
摩擦力,如图.将加速度沿竖直方向和水平方向分解,则有竖直向下的加速度,则:mg-FN
=may.FNa2 D.无法判断
答案 A
解析 以滑梯上孩子为研究对象受力分析并正交分解重力如图所示.
x 方向:mgsin α-Ff=ma,
y 方向:FN-mgcos α=0,
Ff=μFN
由以上三式得
a=g(sin α-μcos α)
由表达式知,a 与质量无关,A 对.
14.粗糙的水平地面上一物体在水平拉力作用下做直线运动,水平拉力 F 及运动速度 v 随时间
变化的图象如图 6 甲、乙所示.取重力加速度 g=10 m/s2.求:
图 6
(1)前 2 s 内物体运动的加速度和位移的大小;
(2)物体的质量 m 和物体与地面间的动摩擦因数μ.
答案 (1)2 m/s2 4 m (2)5 kg 0.1
解析 (1)由 v-t 图象可知,物体在前 2 s 内做匀加速直线运动,前 2 s 内物体运动的加速
度为
a=Δv
Δt
=4
2
m/s2=2 m/s2
前 2 s 内物体运动的位移为 x=1
2
at2=4 m
(2)对物体进行受力分析,如图所示.
对于前 2 s,由牛顿第二定律得
F-Ff=ma,
Ff=μFN=μmg
2 s 之后物体做匀速直线运动,由平衡条件得 F′=Ff
由 F-t 图象知 F=15 N,F′=5 N
代入数据解得 m=5 kg,μ=0.1.
15.如图 7 所示,一物体以 v0=2 m/s 的初速度从粗糙斜面顶端下滑到底端用时 t=1 s.已知
斜面长度 L=1.5 m,斜面的倾角θ=30°,重力加速度取 g=10 m/s2.求:
图 7
(1)物体滑到斜面底端时的速度大小;
(2)物体沿斜面下滑的加速度大小和方向;
(3)物体与斜面间的动摩擦因数.
答案 (1)1 m/s (2)1 m/s2,方向沿斜面向上
(3)2 3
5
解析 (1)设物体滑到斜面底端时速度为 v,则有:
L=v0+v
2
t,代入数据解得:v=1 m/s
(2)因 v<v0,物体做匀减速运动,加速度方向沿斜面向上,加速度的大小为:
a=v0-v
t
=1 m/s2.
(3)物体沿斜面下滑时,受力分析如图所示.
由牛顿第二定律得:Ff-mgsin θ=ma
FN=mgcos θ
Ff=μFN
联立解得:μ=a+gsin θ
gcos θ
,
代入数据解得:μ=2 3
5
.
16.(2016·绍兴市 9 月选考)中国已迈入高铁时代,高铁拉近了人们的距离,促进了经济的发
展.一辆高铁测试列车从甲站始发最后停靠乙站,车载速度传感器记录了列车运行的 vt 图象
如图 8 所示.已知列车的质量为 4.0×105 kg,假设列车运行中所受的阻力是其重力的 0.02
倍,求:
图 8
(1)甲、乙两站间的距离 L;
(2)列车出站时的加速度大小;
(3)列车出站时的牵引力大小.
答案 (1)115.2 km (2)0.5 m/s2 (3)2.8×105 N
解析 (1)由题意 v=432 km/h=120 m/s,匀速运动时间 t=720 s;两站间距对应 v-t 图线
下的面积,有 S=1
2
(720+1 200)×120=115 200
距离 L=115 200 m=115.2 km
(2)考察启动阶段 a= v
t′
,解得:a=0.5 m/s2
(3)在启动阶段 F-Ff=ma,又 Ff=0.02mg,代入得 F=2.8×105 N
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