2022年高考物理二轮专题复习 牛顿运动定律的应用教案

2022年高考物理二轮专题复习 牛顿运动定律的应用教案一、牛顿第一定律一切物体总保持匀速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。1牛顿第一定律导出了力的概念力是改变物体运动状态的原因。（运动状态指物体的速度）又根据加速度定义：，有速度变化就一定有加速度，所以可以说：力是使物体产生加速度的原因。（不能说“力是产生速度的原因”、“力是维持速度的原因”，也不能说“力是改变加速度的原因”。）2牛顿第一定律导出了惯性的概念一切物体都有保持原有运动状态的性质，这就是惯性。惯性反映了物体运动状态改变的难易程度（惯性大的物体运动状态不容易改变）。质量是物体惯性大小的量度。3牛顿第一定律描述的是理想化状态牛顿第一定律描述的是物体在不受任何外力时的状态。而不受外力的物体是不存在的。物体不受外力和物体所受合外力为零的效果都是保持原有运动状态，但它们在本质上是有区别的，不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特例。二、牛顿第三定律两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。1区分一对作用力反作用力和一对平衡力一对作用力反作用力和一对平衡力的共同点有：大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。不同点有：作用力反作用力作用在两个不同物体上，而平衡力作用在同一个物体上；作用力反作用力一定是同种性质的力，而平衡力可能是不同性质的力；作用力反作用力一定是同时产生同时消失的，而平衡力中的一个消失后，另一个可能仍然存在。2一对作用力和反作用力的冲量和功一对作用力和反作用力在同一个过程中（同一段时间或同一段位移）的总冲量一定为零，但作的总功可能为零、可能为正、也可能为负。这是因为作用力和反作用力的作用时间一定是相同的，而位移大小、方向都可能是不同的。三、牛顿第二定律物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同。即F=ma 。特别要注意表述的第三句话。因为力和加速度都是矢量，它们的关系除了数量大小的关系外，还有方向之间的关系。明确力和加速度方向，也是正确列出方程的重要环节。1对应性若F为物体受的合外力，那么a表示物体的实际加速度；若F为物体受的某一个方向上的所有力的合力，那么a表示物体在该方向上的分加速度；若F为物体受的若干力中的某一个力，那么a仅表示该力产生的加速度，不是物体的实际加速度。2重要意义牛顿第二定律确立了力和运动的关系，明确了物体的受力情况和运动情况之间的定量关系。加速度是联系物体的受力情况和运动情况的桥梁（或纽带）。3应用牛顿第二定律解题的步骤明确研究对象。可以以某一个物体为对象，也可以以几个物体组成的质点组为对象。设每个质点的质量为mi，对应的加速度为ai，则有：F合=m1a1+m2a2+m3a3+mnan对此结论的证明如下：分别以质点组中的每个物体为研究对象用牛顿第二定律：F1=m1a1，F2=m2a2，Fn=mnan，将以上各式等号左、右分别相加，左边所有力中，凡属于系统内力的，总是成对出现并且大小相等方向相反的，其矢量和必为零，所以最后得到的是该质点组所受的所有外力之和，即合外力F合。对研究对象进行受力分析。同时还应该分析研究对象的运动情况（包括速度、加速度），并把速度、加速度的方向在受力图旁边画出来。若研究对象在不共线的两个力作用下做匀变速运动，一般用平行四边形定则（或三角形定则）解题；若研究对象在不共线的三个以上的力作用下做匀变速运动，一般用正交分解法解题（注意灵活选取坐标轴的方向，既可以分解力，也可以分解加速度）。当研究对象在研究过程的不同阶段受力情况有变化时，必须分阶段进行受力分析，分阶段列方程求解。注意临界条件的分析。凡是题目中出现“刚好”、“恰好”等字样的，往往要利用临界条件。所谓“临界”，就是物体同时处于两种不同的状态，同时具有两种状态下的所有性质。在列方程时，要充分利用这种两重性。4应用举例例1物体在N个力作用下处于静止，若将其中某一个力的方向保持不变，大小逐渐减小到零后再逐渐恢复到原值并保持该值。在其他力都保持不变，物体将做怎样的运动？vOtt1t2ABC解：物体将沿该力的反方向先做加速度逐渐增大的加速运动，接着做加速度逐渐减小的加速运动，最后保持匀速运动。（注意平衡和静止的区别；还要注意另外N-1个力是否变化。）其速度图象如右图所示，OA段对应的是该力减小过程，AB段对应的是该力恢复原大过程，BC段对应的是保持原值后的过程。例2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vOtt1t2ABCt3解：小球的加速度大小决定于小球受到的合力。从接触弹簧到到达最低点，弹力从零开始逐渐增大，所以合力先减小后增大，因此加速度先减小后增大。当合力与速度同向时小球速度增大，所以当小球所受弹力和重力大小相等时速度最大。选CD。其速度图象如右图所示，OA段对应自由下落阶段；AB段对应弹力逐渐增大到等于重力阶段；BC段对应减速下降阶段。例3. 如图所示，质量m =4kg的小球挂在小车后壁上，细线与竖直方向成37角。求：小车以a=g向右加速；小车以a=g向右减速时，细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大？解：向右加速时小球对后壁必然有压力，球在三个共点力作用下向右加速。合外力向右，F2向右，因此G和F1的合力一定水平向左，所以 F1的大小可以用平行四边形定则求出：F1=50N，可见向右加速时F1的大小与a无关；F2可在水平方向上用牛顿第二定律列方程：F2-0.75G =ma计算得F2=70N。可以看出F2将随a的增大而增大。（这种情况下用平行四边形定则比用正交分解法简单。）F1GvaF1F2Gav要注意到：向右减速时，F2有可能减为零，这时小球将离开后壁而“飞”起来。这时细线跟竖直方向的夹角会改变，因此F1的方向会改变，大小也会改变。所以必须先求出这个临界值。若G和F1的合力刚好等于ma，F2刚好等于零，a的临界值为。当a=ga0，因此小球必将离开后壁。应用平行四边形定则，得F1=mg=56N， F2=0ABC例4如图所示，物体从光滑斜面上的A点由静止开始下滑，经过B点后进入水平面（设经过B点前后速度大小不变），最后停在C点。每隔0.2s通过速度传感器测量物体的瞬时速度。下表给出了部分测量数据。（重力加速度g=10m/s2）t（s）0.00.20.41.21.4v（m/s）0.01.02.01.10.7求：斜面的倾角；物体与水平面之间的动摩擦因数；t=0.6s时的瞬时速度v。解：从前3列数据和v=a1t得a1=5m/s2，而a1=gsin，因此=30。从后2列数据和vt=v0-a2t得a2=2m/s2，而a2=g，因此=0.2。设沿斜面下滑时间为t，当时瞬时速度为a1t；从t到1.4s时间内v=a1t-0.7=a2(1.4-t)，解得t=0.5s。即到B点时的瞬时速度vB=2.5m/s，因此t=0.6s时的瞬时速度为v= vB- a2t=2.5-20.1=2.3m/s四、连接体（质点组）vaFAB在应用牛顿第二定律解题时，有时为了方便，可以取一组物体（一组质点）为研究对象。这一组物体一般具有相同的速度和加速度，但也可以有不同的速度和加速度。以质点组为研究对象的好处是可以不考虑组内各物体间的相互作用，这往往给解题带来很大方便。使解题过程简单明了。例5如图所示，A、B两木块的质量分别为mA、mB，在水平推力F作用下沿光滑水平面匀加速向右运动，求A、B间的弹力N。解：这里有a、N两个未知数，需要要建立两个方程，要取两次研究对象。比较后可知分别以B、（A+B）为对象较为简单（它们在水平方向上都只受到一个力作用）。可得。这个结论还可以推广到水平面粗糙时（A、B与水平面间相同）；也可以推广到沿斜面方向推A、B向上加速的问题，有趣的是，答案是完全一样的。例6如图，倾角为的斜面与水平面间、斜面与质量为m的木块间的动摩擦因数均为，木块由静止开始沿斜面加速下滑时斜面始终保持静止。求水平面给斜面的摩擦力大小和方向。解：以斜面和木块整体为研究对象，水平方向仅受静摩擦力作用，而整体中斜面始终静止，只有木块的加速度有水平方向的分量。先以木块为研究对象，求出木块沿斜面下滑的加速度，再在水平方向对质点组用牛顿第二定律，把加速度a沿水平、竖直方向正交分解，很容易得到：若给出斜面质量M，可得水平面对斜面的支持力大小为N=Mg+mg(cos+sin)cosABF例7如图所示，mA=1kg，mB=2kg，A、B间静摩擦力的最大值是5N，水平面光滑。用平力F拉B，当拉力大小分别是F=10N和F=20N时，A、B的加速度各多大？解：先确定临界值，即刚好使A、B发生相对滑动的F值。当A、B间的静摩擦力达到5N时，即可以认为它们仍然保持相对静止，有共同的加速度，又可以认为它们间已经发生了相对滑动，A在滑动摩擦力作用下加速运动。这时以A为对象得到a =5m/s2；再以A、B系统为对象得到 F =(mA+mB)a =15N。当F=10N15N时，A、B间一定发生了相对滑动，用质点组牛顿第二定律列方程：，而a A =5m/s2，于是可以得到a B =7.5m/s2m2mm2mF例8如图所示，光滑水平面上放置质量分别为m和2m的四个木块，其中两个质量为m的木块间用一不可伸长的轻绳相连，木块间的最大静摩擦力是mg。现用水平拉力F拉其中一个质量为2 m的木块，使四个木块一同一加速度运动，则轻绳对m的最大拉力为 A B C D 解：由于系统加速度向右，因此右边两木块间的摩擦力大于轻绳拉力，左边两木块间的摩擦力小于轻绳拉力，因此达到最大加速度时，右边两木块间刚好达到最大静摩擦力。以右上和左边三木块为对象，mg=4ma；以左边两木块为对象，Fm=3ma；由这两方程可以解得Fm=。五、超重和失重根据二力平衡的原理，可以在平衡状态下利用弹簧秤称物体的重量。这时弹力和重力大小相等，因此弹簧秤上的示数（视重）等于被称物体的重量。当系统处于加速状态时，二力平衡被打破，弹力和重力大小不再相等。这时弹簧秤的示数（视重）不再等物体的重量。这种现象被称为超重或失重。1当物体存在向上的加速度时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力大于重力，这种现象叫做超重。（加速上升或减速下降或竖直面内圆周运动到最低点时刻等）超重状态下，视重大于物体的实际重量。2当物体存在向下的加速度时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力小于重力，这种现象叫做失重。（加速下降或减速上升或竖直面内圆周运动到最高点时刻等）失重状态下，视重小于物体的实际重量。3当物体向下的加速度大小等于g时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力为零，这种现象叫做完全失重。（自由下落或竖直上抛或沿圆轨道正常运行的人造卫星内的物体等）完全失重状态下，视重为零。4无论是超重还是失重，物体的重量实际上都没有改变，只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力大小发生了变化，即“视重”发生了变化。例9嫦娥一号月球卫星由长征三号甲火箭发射。以嫦娥一号卫星为对象，从地面竖直向上加速发射阶段叫做阶段；进入绕月轨道后绕月球做匀速圆周运动阶段叫做阶段。有下列说法：第阶段嫦娥一号卫星处于超重阶段，重量保持不变；第阶段嫦娥一号卫星处于超重阶段，重量逐渐减小；第阶段嫦娥一号卫星处于失重阶段，重量保持不变；第阶段嫦娥一号卫星处于完全失重阶段，重量逐渐减小。上述说法中正确的是A只有 B只有 C只有 D只有解：第阶段卫星加速度向上，处于超重状态，由于重力加速度g=GM/r2，上升阶段r逐渐增大，g逐渐减小，因此重量mg逐渐减小，正确。第阶段卫星加速度向下，等于重力加速度，处于完全失重状态（也属于失重状态），到月球距离保持不变，因此重力不变，正确。选B。六、向心力和向心加速度（牛顿第二定律在圆周运动中的应用）1做匀速圆周运动物体所受的合力为向心力“向心力”是一种效果力。任何一个力，或者几个力的合力，或者某一个力的某个分力，只要其效果是使物体做匀速圆周运动的，都可以作为向心力。2一般地说，当做圆周运动物体所受的合力不指向圆心时，可以将合力沿半径方向和切线方向正交分解，沿半径方向的分力为向心力，只改变速度的方向，不改变速度的大小；沿切线方向的分力为切向力，只改变速度的大小，不改变速度的方向。做圆周运动物体所受的向心力和向心加速度的关系同样遵从牛顿第二定律：Fn=man，在列方程时，根据物体的受力分析，在方程左边写出外界给物体提供的向心力，右边写出物体需要的向心力（可选用等各种形式）。如果沿半径方向的合外力大于做圆周运动所需的向心力，物体将做向心运动，半径将减小；如果沿半径方向的合外力小于做圆周运动所需的向心力，物体将做离心运动，半径将增大。3水平面内的匀速圆周运动以圆锥摆为例，圆锥摆是运动轨迹在水平面内的一种典型的匀速圆周运动。其特点是由物体所受的重力与弹力的合力充当向心力，向心力的方向水平。也可以说是其中弹力的水平分力提供向心力（弹力的竖直分力和重力互为平衡力）。OO/GNF例10一根长l的轻绳，上端固定在天花板上，下端系一个质量为m的小球（看作质点）。小球在水平面内做圆周运动时，轻绳与竖直方向的夹角为。求：轻绳受到的拉力N、小球做圆周运动的周期T和线速度v。解：重力G与弹力N的合力F充当向心力，且向心力方向水平指向圆心O（不是悬点O）。由平行四边形定则知，拉力N=mg/cos。mgtan=mv2/r=mr2，而r=lsin，=2/T，由以上各式得：，（式中h为小球轨道平面到悬点O的高度）。可见，在摆线长l不变的情况下，越大（即轨迹所在平面越高）v越大，T越小。本题的分析方法和结论同样适用于火车转弯、飞机在水平面内做匀速圆周飞行、摩托车进行飞车走壁表演等在水平面内的匀速圆周运动的问题。共同点是由重力和弹力的合力提供向心力，向心力方向水平。常见的水平面内的匀速圆周运动还有：汽车在水平面内转弯、物体随转盘做匀速圆周运动等，都可以用牛顿第二定律求解。QP例11如图所示，两个小物块P、Q（看作质点）放在水平圆盘上，质量分别为m1、m2。它们与圆盘间的动摩擦因数都是。P、Q间用长l的细线相连。P放在圆盘的转动轴处，P、Q间的细线刚好被拉直。圆盘开始做转速逐渐增大的圆周运动。当角速度增加到多大时，P、Q开始相对于圆盘滑动？解：很小时，Q的向心力由静摩擦力提供；当静摩擦力达到最大值后，细线开始有拉力产生；P所受拉力和静摩擦力平衡；当拉力达到P的最大静摩擦力时，为临界状态。再增大时，P、Q将一起沿半径向外滑动。，因此4竖直面内圆周运动最高点处的受力特点及分类绳FGFG这类问题一般都不考虑摩擦，只有重力做功，机械能守恒。物体做圆周运动的速率时刻在改变：在最高点处的速率最小，在最低点处的速率最大。物体在最低点时向心力向上，而重力向下，所以弹力必然向上且大于重力；在最高点处时，向心力向下，重力也向下，弹力的方向就不能确定了，要分三种情况进行讨论。弹力只可能向下，如绳拉球。这种情况下，即v，否则不能通过最高点。弹力只可能向上，如车过桥。在这种情况下有：，即，否则车将离开桥面做平抛运动（当车落回路面时由于压力突然增大，可能引起爆胎，不安全）。弹力既可能向上又可能向下，如管内转（或杆连球、环穿珠）。这种情况下，速度大小v可以取任意值。但要进一步讨论：当时物体受到的弹力必然是向下的；当时物体受到的弹力必然是向上的；当时物体受到的弹力恰好为零。当弹力大小Fmg时，向心力只有一解：F +mg。OL例12如图所示，杆长为L，球的质量为m，杆连球在竖直平面内绕轴O自由转动，已知在最高点处，杆对球的弹力大小为F=mg/2，求这时小球的瞬时速度大小。解：小球所需向心力向下，本题中F=mg/2mg，所以弹力的方向可能向上也可能向下。若F向上，则；若F向下，则本题是杆连球绕轴自由转动，根据机械能守恒，还能求出小球在最低点的瞬时速度。 需要注意的是：若小球在杆的带动下在竖直面内做匀速圆周运动，则运动过程中小球的动能不变，但机械能不再守恒，这两类题务必加以区分。七、万有引力 人造卫星高中阶段只限于研究星体（包括人造星体）在万有引力作用下做匀速圆周运动。1用万有引力定律求中心星球的质量和密度当一个星球绕另一个星球做匀速圆周运动时，设中心星球质量为M，半径为R，环绕星球质量为m，线速度为v，公转周期为T，两星球相距r，根据万有引力定律：，可得出，由r、v或r、T就可以求出中心星球的质量。将中心星球看做均匀球体，有，可得中心星球的平均密度；如果环绕星球离中心星球表面很近，满足rR，那么中心星球的平均密度。2双星m1m2r1r2O宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动。这种结构叫做双星。设双星中两颗星球的质量分别为m1、m2，两星间距离为L。有以下结论：因为双星和该固定点总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，周期也必然相同。由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此向心力大小必然相等。由F=mr2，得，得，固定点离质量大的星较近。由于角速度相同，因此线速度大小跟质量成反比：v=r。特别需要注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，按题设应该是L；向心力表达式中的r表示它们各自做圆周运动的半径，在本题中应分别为r1、r2。当我们只研究地球和太阳系统或地球和月亮系统时（其他星体对它们的万有引力相比而言都可以忽略不计），也可以把它们看作一个双星系统，只是中心星球的质量远大于环绕星球的质量，因此固定点几乎就在中心星球的球心。中心星球以该点为中心做微小的晃动，一般可认为中心星球是固定不动的。例13天文学家将相距较近，仅在彼此的引力作用下运行的两颗恒星称为双星。双星系统在银河系中很普遍。利用双星系统中两颗恒星的运动特征可推算出它们的总质量。已知某双星系统中两颗恒星围绕它们连线上的某一固定点分别做匀速圆周运动，周期均为T，两颗恒星之间的距离为r，试推算这个双星系统的总质量。（引力常量为G）解：设两星质量分别为m1、m2，轨道半径分别为r1、r2，以m1为对象，万有引力充当向心力，得3万有引力和重力的关系一般的星球都在不停地自转，因此星球表面上的物体所受的万有引力F有两个作用效果：一个是使物体产生重力加速度的分力，即重力G；一个是使物体随星球自转的分力，即向心力fn。它们间的关系是：F=G+ fn。地球自转角速度较小，地球表面的物体随地球自转所需要的向心力fn的大小不超过重力G的0.35%，因此在计算中可以认为万有引力和重力大小相等，即例14某行星自转周期是6小时。在该行星赤道上称得某物体的重力是同一物体在两极称得的重力的90%，求该行星的平均密度。解：由已知，该星球赤道上物体所受的向心力是万有引力的10%，而星球质量，由以上两式可得=3.0103kg/m34人造卫星（只讨论绕地球做匀速圆周运动的人造卫星）和星球表面上的物体不同，人造卫星所受的万有引力只有一个作用效果，就是使它绕星球做匀速圆周运动，因此万有引力等于向心力。又由于我们定义重力是由于地球的吸引而使物体受到的力，也可以认为这个力就是重力。所以对卫星而言，F=G= fn人造卫星的线速度和周期。人造卫星的向心力是由地球对它的万有引力提供的，因此有：，由此可得到两个重要的结论：和。可以看出，人造卫星的轨道半径r、线速度大小v和周期T是一一对应的，其中一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。离地面越高的人造卫星，线速度越小而周期越大。近地卫星。近地卫星的轨道半径r可以近似地认为等于地球半径R，又因为地面附近，所以有m/s，s=84min。它们分别是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。同步卫星。“同步”的含义就是和地球保持相对静止（又叫静止轨道卫星），所以其周期等于地球自转周期，既T=24h，根据可知其轨道半径是唯一确定的，经过计算可求得同步卫星离地面的高度为h=3.6107m5.6R地（3.6万公里），而且该轨道必须在地球赤道的正上方，卫星的运转方向必须是由西向东。例15已知地球质量大约是月球质量的81倍，地球半径大约是月球半径的4倍。不考虑地球、月球自转的影响，由以上数据可推算出 A地球的平均密度与月球的平均密度之比约为98B地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比约为94C靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的周期与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器的周期之比约为 89D靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器线速度与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器线速度之比约为 814解：解根据密度的定义：，带入已知得地月=8164由于不考虑自转，万有引力等于重力，带入已知得g地g月=8116设航天器质量为m0，万有引力充当向心力：，得和，带入已知条件得T地T月=89，v地v月=92。选C。v2v3v4v1QP例16如图所示，发射同步卫星的一种程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P，远地点为同步圆轨道上的Q），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在P点短时间加速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点短时间加速后进入同步轨道后的速率为v4。试比较v1、v2、v3、v4的大小，并用小于号将它们排列起来_。解：根据题意在P、Q两点点火加速过程中，卫星速度将增大，所以有v1v2、v3v4，而v1、v4是绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的线速度，它们对应的轨道半径r1r4，所以v4v1。把以上不等式连接起来，可得到结论：v3v4v1v2。（卫星沿椭圆轨道由PQ运行时，由于只有重力做负功，卫星机械能守恒，其重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，因此有v3c，意味着该天体上的任何物体包括光子也不能逃逸出去，在外界看来，它是全黑的。这就是“黑洞”。