牛頓運動定律及其應用

2021-02-19 高中物理

牛頓運動定律是高中物理的核心內容,是毋庸置疑的難點和重點。

一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。

「一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態」,揭示了一切物體都具有慣性,即物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質,叫做慣性。量度物體慣性大小的物理量是質量。

例題1 關於慣性,下列說法中正確的是(    )

A、慣性是指原來靜止的物體總有保持靜止狀態,原來運動的物體總有保持勻速直線運動狀態的性質;

B、靜止的火車啟動時速度變化緩慢,是因為火車靜止時慣性比較大;

C、桌球可以快速抽殺,是因為桌球的慣性小的緣故;

D、在宇宙飛船內的物體不存在慣性。

【答案】A、C

【解析】根據慣性的定義,物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質,叫做慣性,可以知道,A選項正確。量度物體慣性大小的物理量是質量,

在B選項中,不論火車的運動狀態如何,其質量不變,因此,無論火車運動還是靜止,其慣性一樣大,故B選項錯誤。

桌球的質量較小,故其慣性較小,C選項正確。

牛頓第一定律指出,一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,即一切物體都具有慣性,沒有例外,故D選項錯誤。

「除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態」,說明力的作用是改變物體的運動狀態。當物體受到的合外力為零時,物體就保持原來的狀態(靜止或勻速),若受到合外力,其狀態一定發生變化。

例題2 火車在平直軌道上勻速行駛,門窗緊閉的車廂內有一人向上跳起,發現仍落回車上原處,這是因為(    )

A. 人跳起後,車廂內空氣給他以向前的力,帶著他隨同火車一起向前運動

B. 人跳起的瞬間,車廂地板給他一個向前的力,推動他隨同火車一起向前運動

C. 人跳起後,車在繼續向前運動,所以人落下後必定偏後一些,只是由於時間很短,偏後距離太小,不明顯而已

D. 人跳起後直到落地,在水平方向上人和車始終有相同的速度

【答案】D

【解析】根據牛頓第一定律,人跳起後在水平方向不受外力作用,則它在水平方向的運動狀態不會發生改變,水平方向保持起跳前的速度(與火車的速度相同),故落下後人能回到原處,因此D選項正確。

例題3   如圖所示,一個劈形物體M,各面均光滑,放在固定的斜面上,水平面上放一個光滑的小球m,劈形物體M從靜止開始釋放,則小球在碰到斜面前的運動軌跡是(   )

A.沿斜面向下的直線           

B.豎直向下的直線

C.無規則的曲線               

D.拋物線

【答案】B

【解析】根據牛頓第一定律,小球在水平方向不受外力作用,則它在水平方向的運動狀態不會發生改變,水平方向保持靜止,故只能豎直向下運動,因此B選項正確。

物體的加速度跟作用力成正比,跟物體的質量成反比。

公式:F=ma

牛頓第二定律表明了物體的加速度與物體所受合外力的瞬時對應關係,即加速度隨著力的產生而產生、消失而消失、變化而變化。

例題4   如圖所示,A、B的質量關係為mA=m,mB=2m,兩個物體之間用一輕彈簧相連,再用一根細線懸掛在天花板上靜止,剪斷細線的瞬間,兩物體的加速度各是多少?

【答案】

例題5 如圖所示,如圖所示,輕彈簧下端固定在水平面上。一個小球從彈簧正上方某一高度處由靜止開始自由下落,接觸彈簧後把彈簧壓縮到一定程度後停止下落。在小球下落的這一全過程中,下列說法中正確的是(   )

A.小球剛接觸彈簧瞬間速度最大

B.從小球接觸彈簧起加速度變為豎直向上

C.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的速度先增大後減小

D.從小球接觸彈簧到到達最低點,小球的加速度先減小後增大

【答案】CD

【解析】小球的加速度大小決定於小球受到的合外力。從接觸彈簧到到達最低點,彈力從零開始逐漸增大,所以合力先減小後增大,因此加速度先減小後增大。當合力與速度同向時小球速度增大,合力與速度反向時小球速度減小。所以當小球所受彈力和重力大小相等時速度最大。

F=ma是一個矢量方程,任一瞬時,a的方向均與合外力的方向保持一致。

例題6   如圖所示,沿水平方向做勻變速直線運動的車廂中,懸掛小球的懸線偏離豎直方向37°角,球和車廂相對靜止,球的質量為1kg.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)

(1)求車廂運動的加速度並說明車廂的運動情況.

(2)求懸線對球的拉力.

F=ma中F、m、a必須對應同一個物體或同一個系統。

兩物體之間的作用力與反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。

共同點

大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。

不同點

1. 作用力反作用力作用在兩個不同物體上,而平衡力作用在同一個物體上;

2. 作用力反作用力一定是同種性質的力,而平衡力可能是不同性質的力;

3. 作用力反作用力一定是同時產生同時消失的,而平衡力中的一個消失後,另一個可能仍然存在。

例題7 在一次學校組織的拔河比賽中,甲隊獲勝,乙隊失敗。下列說法中正確的是(     )

A、由於甲隊勝、乙隊負,所以甲拉乙的力大於乙拉甲的力;

B、只有兩隊在相持不動時,兩隊拉力大小才相等;

C、不管什麼情況下,兩隊拉力大小總是相等;

D、因為甲隊受到地面的最大靜摩擦力大於乙隊受到地面的最大靜摩擦力。

【答案】C、D

【解析】根據牛頓第三定律,相互作用力總是大小相等,A、B錯,C對。由於甲隊獲勝,以乙隊為研究對象,甲隊的拉力大於乙隊受到的最大靜摩擦力,以甲隊為研究對象,乙隊的拉力等於甲隊受到的靜摩擦力(但小於甲隊受到的最大靜摩擦力),因此甲隊受到的最大靜摩擦力大於乙隊受到的最大靜摩擦力,故D對。

分析一對力是相互作用力還是平衡力,主要看這一對力是否作用在同一個物體上,若是同一物體,則為平衡力,若是兩個物體,則是相互作用力。

超重

物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)大於物體所受重力的現象稱為超重。

物體對支持物的壓力大小等於物體受到的支持力,則以物體為研究對象,物體受到的支持力大於物體受到的重力,合外力向上,物體具有向上的加速度,如圖甲所示。

N-G=ma

失重

物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小於物體所受重力的現象稱為失重。

同理,物體受到的支持力小於物體受到的重力,合外力向下,物體具有向下的加速度,如圖乙所示。

G-N=ma

因此,物體處於超重還是失重狀態,只由物體的加速度決定,與其他因素無關。物體具有向上的加速度時,處於超重狀態;物體具有向下的加速度時,處於失重狀態;物體向下的加速度為重力加速度時,物體處於完全失重狀態。

例題8   下列說法中正確的是(   )

A、體操運動員雙手握住單槓吊在空中不動時處於失重狀態

B、蹦床運動員在空中上升和下落過程都處於失重狀態

C、舉重運動員在舉起槓鈴後不動的那段時間內處於超重狀態

D、遊泳運動員仰臥在水面靜止不動時處於失重狀態

【答案】B

【解析】物體具有向上加速度時,處於超重狀態,具有向下加速度時,處於失重狀態,當向下的加速度為重力加速度時,處於完全失重狀態。由於ACD各項中運動員均處於靜止狀態,加速度為零,不屬於失重和超重狀態;B項中運動員不論上升還是下降,加速度均向下,因此屬於失重狀態,若此時忽略空氣阻力,則屬於完全失重狀態。

例題9   一個質量為50Kg的人站在升降機的底板上,他看到彈簧秤的示數為75N,而掛在彈簧秤下的物體A的質量為5Kg。如圖所示,g取10m/s2,求此時人對地板的壓力。

(1)已知物體的受力情況確定物體的運動情況

(2)已知物體的運動情況確定物體的受力情況

基本思路:

在這兩類基本問題中,受力分析是關鍵,求解加速度是橋梁和樞紐。

基本步驟:

a) 確定研究對象

b) 進行受力分析、運動過程分析

c) 根據運動學公式求解加速度a

d) 求解未知的力或運動參量

例題10   如圖所示,一質量為m的物體放在水平地面上,現在對物體施加一個大小為F的水平恆力,使物體從靜止開始向右移動s後立刻撤去F。物體與水平地面間的動摩擦因數為μ。求

(1) 撤去F時,物體的速度大小是多少?

(2) 撤去F後,物體還能滑行多遠?

【答案】

例題11   質量m=1.5kg的物體(可視為質點)在水平恆力F作用下,從水平面上A點由靜止開始運動,運動一段距離撤去該力,物體繼續滑行t=2.0s停在B點。已知A、B兩點間的距離s=5.0m,物體與水平面間的動摩擦因數μ=0.2,求恆力F多大?(g=10m/s2)

【答案】15N

在分析問題時,應養成畫圖的習慣,包括畫出受力分析圖和運動情境圖,並且應把不同運動過程的受力情況和運動情況區分對應。

(1)超、失重是「視重」變化,不是物體的「實重」發生變化,更不是質量發生變化。

【典例1】如圖所示是商場內智能化的自動電梯。當有乘客乘用時,自動電梯經過先加速後勻速兩個階段運行,則電梯在運送乘客的過程中(  )

【解析】乘客先有沿斜向上方向的加速度後沿斜向上方向做勻速運動,故乘客先處於超重狀態後處於平衡狀態,故B錯誤;電梯勻速運動階段,乘客受豎直方向的重力與支持力的作用而處於平衡狀態,不受摩擦力作用,故A錯誤;乘客在電梯加速階段受電梯的作用力與重力作用,合力沿平行電梯斜面向上,重力豎直向下,故電梯對乘客的作用力斜向前上方,故C錯誤、D正確。

【答案】D

圖像包含信息非常豐富,也非常直觀,可以說「無圖像、不物理」。

(1)極限法

若在題目中出現「最大」、「最小」、「剛好」等關鍵詞時,一般隱含著臨界問題。處理這類問題時,常常把物理問題或過程推向極端,從而將臨界狀態及臨界條件顯露出來。

(2)假設法

有些物理過程沒有出現明顯的臨界問題的線索,但在變化過程中可能出現臨界狀態,也可能不會出現臨界狀態。解答此類問題,一般用假設法,即假設出現某種臨界狀態,分析物體的受力情況及運動狀態與題設是否相符,然後根據實際情況進行處理。

(3)數學法

將物理過程轉化為數學表達式,然後根據數學中求極值的方法,求出臨界條件。涉及二次函數、不等式、三角函數等。

(1)整體法的選取原則

若連接體內各物體具有相同的加速度,且不需要求物體之間的作用力,可以把它們看成一個整體,分析整體受到的合外力,應用牛頓第二定律求出加速度(或其他未知量)。

(2)隔離法的選取原則

若連接體內各物體的加速度不相同,或者需要求出系統內各物體之間的作用力時,就要把物體從系統中隔離出來,應用牛頓第二定律列方程求解。

(3)整體法、隔離法的交替運用

若連接體內各物體具有相同的加速度,且要求物體之間的作用力時,可以先用整體法求出加速度,然後再用隔離法選取合適的研究對象,應用牛頓第二定律求作用力。即「先整體求加速度,後隔離求內力」。若已知物體之間的作用力,則「先隔離求加速度,後整體求外力」。

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    也身體力行,發現了大量物體運動的基本規律,給後人指明了方向。03牛頓力學接下來,牛頓就在這些工作的基礎上,建立了一整套描述物體運動的理論。這就是大名鼎鼎的牛頓力學,也是高中物理的核心。牛頓力學有三大運動定律,理解了伽利略的發現,你就會覺得這些定律非常自然。然後你會發現:通過這些定律,我們竟然真的可以描述物體的各種運動。
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  • 高中物理會考知識點總結:牛頓運動定律
    (1)運動是物體的一種屬性,物體的運動不需要力來維持.(2)定律說明了任何物體都有慣性.(3)不受力的物體是不存在的.牛頓第一定律不能用實驗直接驗證.但是建立在大量實驗現象的基礎之上,通過思維的邏輯推理而發現的.它告訴了人們研究物理問題的另一種新方法:通過觀察大量的實驗現象,利用人的邏輯思維,從大量現象中尋找事物的規律.
  • 詳細解析牛頓第二定律
    這就是牛頓第二定律,該定律的主要思想在伽利略對拋體和斜面運動的分析中已有體現,牛頓將其總結為定律。關於牛頓第二定律,有下列幾點需要說明:⑴牛頓第二定律中所說的運動,是運動量,後來叫動量,即質量與速度的乘積。牛頓關於運動量的該表與動力城正比的說法是不夠確切的。
  • 高中物理:牛頓第二定律知識點總結
    牛頓第二定律是力學中的核心規律,後續的動能定理、向心力公式等都要用到牛頓第二定律。牛頓第二定律和運動學公式也是解決力學問題的一個途徑。務必要理解牛頓第二定律,掌握牛頓第二定律基本應用。一、知識與技能要求1.掌握牛頓第二定律的文字內容和數學公式;2.理解公式中各物理量的意義及相互關係;3.知道在國際單位制中力的單位"牛頓"是怎樣定義的;4.會用 牛頓第二定律的公式進行有關的計算。
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    部分知識點牛頓三定律的理解一、牛頓第一定律 慣性1.牛頓第一定律(1)內容:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(2)意義:①揭示了物體的固有屬性:一切物體都有慣性,因此牛頓第一定律又叫慣性定律;②揭示了力與運動的關係:力不是維持物體運動的原因,而是改變物體運動狀態的原因,即力是產生加速度的原因.2.慣性(1)定義:物體具有保持原來勻速直線狀態或靜止狀態的性質.(2)量度:質量是慣性大小的唯一量度,質量大的物體慣性大,質量小的物體慣性小.
  • 牛頓第二定律
    (2)表達式:F=ma 或 a=F/m(其中m為物體的質量,a為物體的加速度,F為物體所受的合力)(3)注意一點:F=ma 是當公式中F、m、a的單位分別是國際單位牛頓、千克、米每二次方秒才成立,如果不是國際單位,牛頓第二定律公式則為F=kma,k是一個比例係數。