牛顿运动定律

第三章 牛顿运动定律考纲要求1牛顿第一定律，惯性 2牛顿第二定律，质量 3牛顿第三定律 4牛顿力学的适用范围 5牛顿定律的应用 6超重和失重 知识网络：单元切块：按照考纲的要求，本章内容可以分成三部分，即：牛顿第一定律、惯性、牛顿第三定律；牛顿第二定律；牛顿运动定律的应用。其中重点是对牛顿运动定律的理解、熟练运用牛顿运动定律分析解决动力学问题。难点是力与运动的关系问题。1 牛顿第一定律 惯性 牛顿第三定律教学目标：1理解牛顿第一定律、惯性；理解质量是惯性大小的量度2理解牛顿第三定律，能够区别一对作用力和一对平衡力3掌握应用牛顿第一定律、第三定律分析问题的基本方法和基本技能教学重点：理解牛顿第一定律、惯性概念教学难点：惯性教学方法：讲练结合，计算机辅助教学教学过程：一、牛顿第一定律1牛顿第一定律（惯性定律）：一切物体总是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。这个定律有两层含义：（1）保持匀速直线运动状态或静止状态是物体的固有属性；物体的运动不需要用力来维持（2）要使物体的运动状态（即速度包括大小和方向）改变，必须施加力的作用，力是改变物体运动状态的原因点评：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”。） 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。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是有区别的，所以不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特例。2惯性：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。对于惯性理解应注意以下三点：（1）惯性是物体本身固有的属性，跟物体的运动状态无关，跟物体的受力无关，跟物体所处的地理位置无关（2）质量是物体惯性大小的量度，质量大则惯性大，其运动状态难以改变（3）外力作用于物体上能使物体的运动状态改变，但不能认为克服了物体的惯性【例1】下列关于惯性的说法中正确的是物体只有静止或做匀速直线运动时才有惯性物体只有受外力作用时才有惯性物体的运动速度大时惯性大物体在任何情况下都有惯性解析：惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性，与物体的运动状态及受力情况无关，故只有项正确。点评：处理有关惯性问题，必须深刻理解惯性的物理意义，抛开表面现象，抓住问题本质。【例2】关于牛顿第一定律的下列说法中，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：牛顿第一定律是物体在理想条件下的运动规律，反映的是物体在不受力的情况下所遵循的运动规律，而自然界中不受力的物体是不存在的故是错误的惯性是物体保持原有运动状态不变的一种性质，惯性定律(即牛顿第一定律)则反映物体在一定条件下的运动规律，显然C不正确由牛顿第一定律可知，物体的运动不需要力来维持，但要改变物体的运动状态则必须有力的作用，答案为B、D【例3】在一艘匀速向北行驶的轮船甲板上，一运动员做立定跳远，若向各个方向都用相同的力，则 （ ）A向北跳最远B向南跳最远C向东向西跳一样远，但没有向南跳远D无论向哪个方向都一样远解析：运动员起跳后，因惯性其水平方向还具有与船等值的速度，所以无论向何方跳都一样。因此应选答案D。点评：此题主要考查对惯性及惯性定律的理解，解答此题的关键是理解运动员起跳过程中，水平方向若不受外力作用将保持原有匀速运动的惯性，从而选出正确答案【例4】某人用力推原来静止在水平面上的小车，使小车开始运动，此后改用较小的力就可以维持小车做匀速直线运动，可见（ ）A力是使物体产生运动的原因B力是维持物体运动速度的原因C力是使物体速度发生改变的原因D力是使物体惯性改变的原因解析：由牛顿第一定律的内容可知，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，说明一旦物体具有某一速度，只要没有加速或减速的原因，这个速度将保持不变，根据这种观点看来，力不是维持物体的运动即维持物体速度的原因，而是改变物体运动状态即改变物体速度的原因，故选项C正确。【例5】如图中的甲图所示，重球系于线DC下端，重球下再系一根同样的线BA，下面说法中正确的是（ ）A在线的A端慢慢增加拉力，结果CD线拉断B在线的A端慢慢增加拉力，结果AB线拉断C在线的A端突然猛力一拉，结果AB线拉断D在线的A端突然猛力一拉，结果CD线拉断解析：如图乙，在线的A端慢慢增加拉力，使得重球有足够的时间发生向下的微小位移，以至拉力T2逐渐增大，这个过程进行得如此缓慢可以认为重球始终处于受力平衡状态，即 T2T1mg，随着T1增大，T2也增大，且总是上端绳先达到极限程度，故CD绳被拉断，A正确。若在A端突然猛力一拉，因为重球质量很大，力的作用时间又极短，故重球向下的位移极小，以至于上端绳未来得及发生相应的伸长，T1已先达到极限强度，故AB绳先断，选项C也正确。二、牛顿第三定律1 对牛顿第三定律理解应注意：（1）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，作用在一条上（2）作用力与反作用力总是成对出现同时产生，同时变化，同时消失（3）作用力和反作用力在两个不同的物体上，各产生其效果，永远不会抵消（4）作用力和反作用力是同一性质的力（5）物体间的相互作用力既可以是接触力，也可以是“场”力定律内容可归纳为：同时、同性、异物、等值、反向、共线2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。一对作用力和反作用力一对平衡力作用对象两个物体同一个物体作用时间同时产生，同时消失不一定同时产生或消失力的性质一定是同性质的力不一定是同性质的力力的大小关系大小相等大小相等力的方向关系方向相反且共线方向相反且共线3一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。【例6】汽车拉着拖车在水平道路上沿直线加速行驶，根据牛顿运动定律可知（ ）A汽车拉拖车的力大于拖车拉汽车的力B汽车拉拖车的力等于拖车拉汽车的力C汽车拉拖车的力大于拖车受到的阻力D汽车拉拖车的力等于拖车受到的阻力解析：汽车拉拖车的力与拖车拉汽车的力是一对作用力和反作用力，根据牛顿第三定律得知，汽车拉拖车的力与拖车拉汽车的力必定是大小相等方向相反的，因而B正确，A错误。由于题干中说明汽车拉拖车在水平道路上沿直线加速行驶，故沿水平方向拖车只受到两个外力作用：汽车对它的拉力和地面对它的阻力。因而由牛顿第二定律得知，汽车对它的拉力必大于地面对它的阻力。所以C对，D错。【例7】甲、乙二人拔河，甲拉动乙向左运动，下面说法中正确的是A做匀速运动时，甲、乙二人对绳的拉力大小一定相等B不论做何种运动，根据牛顿第三定律，甲、乙二人对绳的拉力大小一定相等C绳的质量可以忽略不计时，甲乙二人对绳的拉力大小一定相等D绳的质量不能忽略不计时，甲对绳的拉力一定大于乙对绳的拉力解析：甲、乙两人对绳的拉力都作用在绳上，即不是作用力和反作用力故B项错误做匀速运动时，绳子受力平衡，即甲、乙两人对绳的拉力大小一定相等，故A项正确 绳的质量可以忽略不计时，绳子所受合力为零故甲、乙二人对绳的拉力大小一定相等 故C项正确绳的质量不能忽略不计时，如果有加速度，当加速度向右时，乙对绳的拉力大于甲对绳的拉力故D项不正确故正确选项为AC。【例8】物体静止在斜面上，以下几种分析中正确的是A物体受到的静摩擦力的反作用力是重力沿斜面的分力B物体所受重力沿垂直于斜面的分力就是物体对斜面的压力C物体所受重力的反作用力就是斜面对它的静摩擦力和支持力这两个力的合力D物体受到的支持力的反作用力，就是物体对斜面的压力解析：物体受到的静摩擦力的反作用力是物体对斜面的静摩擦力故A错误物体对斜面的压力在数值上等于物体所受重力沿垂直于斜面的分力故B错误物体所受的重力的反作用力是物体对地球的吸引力故C错误故正确选项为D。【例9】人走路时，人和地球间的作用力和反作用力的对数有A一对 B二对 C三对 D四对解析：人走路时受到三个力的作用即重力、地面的支持力和地面对人的摩擦力，力的作用总是相互的，这三个力的反作用力分别是人对地球的吸引作用，人对地面的压力和人对地面的摩擦力，所以人走路时与地球间有三对作用力和反作用力，选小结：物体间的作用力和反作用力是相互的，总是成对出现的【例10】物体静止于水平桌面上，则桌面对物体的支持力的大小等于物体的重力，这两个力是一对平衡力物体所受的重力和桌面对它的支持力是一对作用力与反作用力物体对桌面的压力就是物体的重力，这两个力是同一种性质的力物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对平衡的力解析：物体和桌面受力情况如图所示对A 选项，因物体处于平衡状态，且FN与G作用于同一物体，因此FN和G是一对平衡力，故正确对B 选项，因作用力和反作用力分别作用在两个物体上，故错对C 选项，因压力是弹力，而弹力与重力是性质不同的两种力，故C错对D选项，由于支持力和压力是物体与桌面相互作用(挤压)而产生的，因此FN与FN是一对作用力和反作用力，故D错答案：A点评：(1)一对作用力和反作用力与一对平衡力的最直观的区别就是：看作用点，二力平衡时此两力作用点一定是同一物体；作用力和反作用力的作用点一定是分别在两个物体上(2)两个力是否是“作用力和反作用力”的最直观区别是：看它们是否是因相互作用而产生的如B选项中的重力和支持力，由于重力不是因支持才产生的，因此，这一对力不是作用力和反作用力三、针对训练1火车在长直水平轨道上匀速行驶，坐在门窗密闭的车厢内的一人将手中的钥匙相对车竖直上抛，当钥匙（相对车）落下来时（ ）A落在手的后方 B落在在手的前方C落在手中 D无法确定2根据牛顿第一定律，我们可以得到如下的推论 （ ）A静止的物体一定不受其它外力作用B惯性就是质量，惯性是一种保持匀速运动或静止状态的特性C物体的运动状态发生了改变，必定受到外力的作用D力停止作用后，物体就慢慢停下来3关于物体的惯性，下列说法中正确的是（ ）A只有处于静止或匀速运动状态的物体才具有惯性B只有运动的物体才能表现出它的惯性C物体做变速运动时，其惯性不断变化D以上结论不正确4伽利略的理想实验证明了（ ）A要物体运动必须有力作用，没有力作用物体将静止B要物体静止必须有力作用，没有力作用物体就运动C物体不受外力作用时，一定处于静止状态D物体不受外力作用时，总保持原来的匀速直线运动或静止状态5关于惯性，下述哪些说法是正确的（ ）A惯性除了跟物体质量有关外，还跟物体速度有关B物体只有在不受外力作用的情况下才能表现出惯性C乒乓球可快速抽杀，是因为乒乓球的惯性小的缘故D战斗机投人战斗时，必须丢掉副油箱，减小惯性以保证其运动的灵活性6如图所示，一个劈形物体M放在固定的粗糙的斜面上，上面成水平在水平面上放一光滑小球m，劈形物体从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是（ ）A沿斜面向下的直线B竖直向下的直线C无规则曲线D抛物线7关于作用力与反作用力以及相互平衡的两个力的下列说法中，正确的是（ ）A作用力与反作用力一定是同一性质的力B作用力与反作用力大小相等，方向相反，因而可以互相抵消C相互平衡的两个力的性质，可以相同，也可以不同D相互平衡的两个力大小相等，方向相反，同时出现，同时消失8质量为M的木块静止在倾角为的斜面上，设物体与斜面间的动摩擦因数为，则下列说法正确的是 （ ）A木块受重力，斜面对它的支持力和摩擦力的作用B木块对斜面的压力与斜面对木块的支持力大小相等，方向相反C斜面对木块的摩擦力与重力沿科面向下的分力Mgsin大小相等，方向相反D斜面对木块的摩擦力大小可以写成Mgcos9下面关于惯性的说法中，正确的是A运动速度大的物体比速度小的物体难以停下来，所以运动速度大的物体具有较大的惯性B物体受的力越大，要它停下来就越困难，所以物体受的推力越大，则惯性越大C物体的体积越大，惯性越大D物体含的物质越多，惯性越大10关于作用力与反作用力，下列说法中正确的有A物体相互作用时，先有作用力，后有反作用力B作用力与反作用力大小相等，方向相反，作用在同一直线上，因而这二力平衡C作用力与反作用力可以是不同性质的力，例如，作用力是弹力，其反作用力可能是摩擦力D作用力和反作用力总是同时分别作用在相互作用的两个物体上11（2002年春上海大综试题）根据牛顿运动定律，以下选项中正确的是A人只有在静止的车厢内，竖直向上高高跳起后，才会落在车厢的原来位置B人在沿直线匀速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方C人在沿直线加速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方D人在沿直线减速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方12关于物体的惯性，下列说法正确的是A只有处于静止或匀速直线运动的物体才具有惯性B只有运动的物体才能表现出它的惯性C物体做变速运动时，其惯性不断变化D以上说法均不正确13下列现象中能直接由牛顿第一定律解释的是A竖直上升的气球上掉下的物体，仍能继续上升一定高度后才竖直下落B水平匀速飞行的飞机上释放的物体，从飞机上看是做自由落体运动C水平公路上运动的卡车，速度逐渐减小直至停止D用力将完好的鸡蛋敲碎14火车在平直轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起，发现仍落回车上原处，这是因为A人跳起时，车厢内的空气给他以向前的力，带着他随同火车一起向前运动B人跳起瞬间，车厢地板给他一个向前的力，推动他随同火车一起向前运动C人跳起后，车在继续向前运动，所以人落下必定偏后一些，只是由于时间很短，偏后距离太小，不明显而已D人跳起后直到落地，在水平方向上保持与车相同的速度15大人拉小孩，下列说法正确的是A当小孩被大人拉走时，大人拉力大于小孩拉力B当小孩赖着不动时，大人拉力大于小孩的拉力C不管什么情况下，大人拉力总大于小孩的拉力，因为大人的力气总比小孩大D不管什么情况下，大人拉力与小孩拉力大小相等参考答案：1C 2C 3D 4D 5CD6B 小球光滑，因此在水平方向不受力，当小球脱离劈形物后，只受重力，因而小球做自由落体运动直到碰到斜面因而小球的运动轨迹是竖直向下的直线7AC 8ABC 9D 10D 11C 12D13AB 水平公路上运动的卡车，速度逐渐减小直至停止，是因为受到地面对它的摩擦力所以C错误用力将完好的鸡蛋打碎，是因为鸡蛋在外力作用下发生了形变因而D错误14D 人跳起后，因惯性在水平方向人与车始终有相同的速度，所以落回原处故选项D正确15D 大人拉力与小孩拉力是一对作用力和反作用力根据牛顿第三定律，物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上，故不管在什么情况下，大人拉力与小孩拉力大小都相等附：顿第一定律的实验验证1不能用实验直接验证因为不受力的实验只能是理想实验，是无任何实验误差的思维实验 严格来说“不受力”的条件真实实验不能满足，只能靠思维的逻辑推理去把握2根本的方法是实验的间接验证即用实验多次验证牛顿第一定律或它与其他原理共同的逻辑推论的正确性3逻辑论证仅仅是辅助方法逐步减小真实实验中物体在运动方向上的受力，令其逐步为零，则用外推法推论：如果受力等于零，则物体会做匀速直线运动即牛顿第一定律的表述是令人可信的这种逻辑论证的实质不过是为牛顿第一定律又提供了几种理想实验的基础，因此不能做为实验检验的根本标准牛顿生平牛顿Sir Isaac Newton(16421727)是伟大的英国物理学家和数学家。他出生于林肯郡伍尔索普的一个农村家庭，恰与伽利略的去世是同年。牛顿是遗腹子，又是早产儿，先天不足，出生时体重只有3磅，差点夭折。他两岁时母亲改嫁，靠外祖母抚养。牛顿小学时期，体弱多病，性格腼腆，有些迟钝，学习成绩不佳。但他意志坚强，有不服输的劲头。据说，一次班上功课第一的“小霸王”欺侮他，踢了他的肚子一脚。牛顿被迫鼓起勇气与他较量，同时暗下决心在功课上一定要超过小霸王。他告诫自己说：“无论做什么事情，只要肯努力，是没有不成功的。”经过刻苦努力，牛顿超过了小霸王，一跃而成为全班第一。牛顿12岁进金格斯中学上学。那时他喜欢自己设计风筝、风车、日规等玩意。他制作的一架精巧的风车，别出心裁，内放老鼠一只，名曰“老鼠开磨坊”，连大人看了都赞不绝口。1656年牛顿继父去世，母亲让牛顿停学务农，但他学习入迷，经常因看书思考而误活。在舅舅的关怀下，1661年，他进入剑桥大学三一学院学习，得到著名数学家巴罗的赏识和指导。他先后钻研了开普勒的光学、欧几里得的几何学原本等名著。1665年大学毕业，成绩平平。这年夏天伦敦发生鼠疫，牛顿暂时离开剑桥，回到伍耳索普乡下待了18个月。这18个月竟为牛顿一生科学的重大发现奠定了坚实的基础。1667年牛顿返回剑桥大学，进三一学院攻读研究生，1668年获得硕士学位。次年巴罗教授主动让贤，并推荐牛顿继任“卢卡斯自然科学讲座”的数学教授。时年牛顿27岁，从此在剑桥一待30年，1672年牛顿入选为英国皇家学会会员；1689年当选为英国国会议员；1696年出任皇家造币厂厂长；1703年当选为皇家学会会长；1705年英国女王加封牛顿为艾萨克爵士。牛顿是17世纪最伟大的科学巨匠。他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域。牛顿在物理学上最主要的成就是发现了万有引力定律，综合并表述了经典力学的3个基本定律惯性定律、力与加速度成正比的定律、作用力和反作用力定律；引入了质量、动量、力、加速度、向心力等基本概念，从而建立了经典力学的公理体系，完成了物理学发展史上的第一次大综合，建立了自然科学发展史上的里程牌。其重要标志是他于1687年所发表的自然哲学的数学原理这一巨著。在光学上，他做了用棱镜把白光分解为七色光(色散)的实验研究；发现了色差；研究了光的干涉和衍射现象，发现了牛顿环；制造了以凹面反射镜替代透镜的“牛顿望远镜”。1704年出版了他的光学专著，阐述了自己的光学研究的成果。在数学上，牛顿与德国莱布尼兹各自独立创建了“微积分学”；他还建立了牛顿二项式定理。牛顿在声学、热学、流体力学等方面也有不少研究成果和贡献。牛顿的一生遇到不少争论和麻烦。例如，关于万有引力发现权等问题，胡克与他争辩不休，差点影响了原理的出版；关于微积分发明权的问题，与莱布尼兹以及德英两国科学家争吵不止，给内向的牛顿带来极大的痛苦。40岁以后，他把兴趣转向政治、化学(碱金属变成黄金)、神学问题，写了近200万言的著作，毫无价值。常言道“人无完人，金无足赤”，牛顿也是如此。但是牛顿终归是伟大的牛顿，他的科学贡献将永载史册。1727年3月31日，牛顿因肾结石症，医治无效，在伦敦去世，终年86岁。他死后被安葬在威斯敏斯特大教堂之内，与英国的先贤们安葬在一起。后人为纪念他，将力的单位定名为牛顿。英国著名诗人A波普为他写了一个碑铭，镶嵌在牛顿出生的房屋的墙壁上。“道法自然，久藏玄冥；天降牛顿，万物生明。”