高考物理一轮复习 3.1.2《牛顿第二定律 单位制》课件

欢迎进入物理课堂 第一单元牛顿运动规律第2课时牛顿第二定律单位制 必修1第三章力与运动 基础回顾 考点一牛顿第二定律 1 牛顿第二定律的内容 物体的加速度跟物体所受的外力的合力成 跟物体的质量成 加速度的方向跟合外力的方向 2 牛顿第二定律的数学表达式F合 3 物理意义 牛顿第二定律揭示了物体的 跟物体 及物体本身质量的关系 4 牛顿定律的适用范围 只适用于研究惯性系中运动与力的关系 不能用于非惯性系 只适用于解决 物体的 运动问题 不能用来处理 物体的 运动问题 答案 1 正比反比相同2 ma3 加速度所受的力4 宏观低速微观高速 要点深化 1 牛顿第二定律的几个性质 1 因果统一性 引起物体运动状态变化的外因是物体受到的合外力 这里强调三个字 受 合 外 即物体受力是合力并且是外力 物体的加速度是合外力对物体所产生的效果 即加速度是结果 合外力是原因 物体的质量是决定其加速度的内因 质量越大 惯性越大 运动状态的改变越困难 2 瞬时性 牛顿第二定律对运动物体在运动过程中的任何一个时刻都成立 当合外力的大小和方向发生变化时 物体的加速度的大小和方向也同时发生相应的变化 若合外力为零 加速度也立即为零 合外力为恒力 物体就做匀变速运动 加速度时刻随着合外力的变化而变化 加速度的改变不需要时间的积累 3 矢量性 牛顿第二定律是矢量表达式 加速度是矢量 其方向始终与物体受到的合外力的方向一致 与速度的方向没有直接关系 加速度的方向与速度变化的方向相同 但由合外力的方向决定 4 独立性 如果几个力同时作用于一个物体 则物体所产生的加速度等于每个力单独作用时产生的加速度的矢量和 如果将一个力分解成几个不同方向的分力 则每个分力使物体产生的加速度等于实际加速度在各个分力方向上的加速度分量 例如 常常把在斜面上做变速运动的物体所受的合外力分解为平行斜面方向与垂直于斜面方向上 再在这两个方向上分别应用牛顿第二定律列方程 其效果与求一加速度时相当 且求解更为简便 2 对F ma的说明 1 牛顿第二定律公式可写成F ma或a 但前者较易操作 因为能把物体所受的力集中处理好 注意列式时等号右边只列ma 不要夹杂着某个作用力在加或减 2 由F ma可知 只要作用在物体上的合外力不为零 物体就产生加速度 速度就要变化 但物体产生的加速度与原来的速度无关 3 当a 0时 F 0 故力的平衡问题是牛顿第二定律的特例 并不是牛顿第一定律的特例 基础回顾 考点二力学单位制 在力学中 选用 三个最基本物理量的单位作为基本单位 对应的单位是 选定基本单位后 由物理公式推导出的单位叫 基本单位和导出单位一起组成 1 基本单位 所选定的 物理量的单位 2 导出单位 根据物理 中其他物理量和基本物理量的关系 推导出的物理量的单位 3 力的国际单位是 简称 符号 答案 长度质量时间米千克秒导出单位物理单位制1 基本2 公式3 牛顿牛N 要点深化 1 国际单位制 1 从根本上说 所有的物理量都是由基本物理量构成的 在力学范畴内 所有的力学量都是由长度 质量和时间这三个基本物理量组成的 因此基本物理量的单位选定也就决定了其他导出物理量的单位 国际单位制 1960年第11届国际计量大会制订了一种国际通用的 包括一切计量领域的单位制 叫做国际单位制 其法文简称为SI 2 以下是国际单位制中的七个基本物理量和相应的国际单位制中的基本单位 3 物理公式不仅决定了物理量之间的关系 也决定了物理量单位间的关系 推导物理量的单位要借助物理公式 依据单位是否正确可以判断物理公式是否正确 2 力的国际单位力的国际单位是牛顿 简称牛 符号N 牛顿 N 为导出单位 1N 的物理意义是 使质量为1kg的物体产生1m s2的加速度的作用力为1N 即1N 1kg m s2 题型一已知受力情况求运动情况 根据牛顿第二定律 已知物体的受力情况 可以求出物体运动的加速度 再根据物体的初始条件 初位置和初速度 应用运动学公式 求出物体的运动情况 即求出物体在任意时刻的速度 位置 也就是求出了物体的运动情况 可用程序图表示如下 风洞实验室中可产生水平向左 大小可调节的风力 现将一套有一小球的细直杆放入风洞实验室 小球孔径略大于细杆直径 小球与杆间的滑动摩擦因数 0 5 如下图所示 保持小球所受风力F 0 5mg不变 使杆与水平方向间夹角为37 并固定 则小球从静止开始在细杆上滑下距离2 4m所需时间为多少 g取g 10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 解析 设杆对小球的支持力为FN 摩擦力为Ff 对这些力进行正交分解 如图所示 在x轴上 由牛顿第二定律 有 mgsin Fcos Ff ma在y轴上 由平衡条件 有 FN Fsin mgcos 0又Ff FN解上述三式得 a 7 5m s2又由运动学公式s at2 由以上各式解得小球从静止出发在细杆上滑下距离s所需时间为t 0 8s答案 0 8s 题型训练 1 如图所示 质量m 4 0kg的物体与地面间的动摩擦因数为 0 50 物体在与地面成 37 的恒力F 54 5N作用下 由静止开始运动 t1 0 20s撤去F 则再经过多长时间物体停下来 g 10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 解析 物体受到恒力F作用时受力如右图所示 设物体此时加速度为a1 对这些力进行正交分解 根据牛顿运动定律有 N Fsin mg 0 Fcos f ma1 又因为f N 联立解得 a1 10m s2由v at 得v a1t1 2 0m s 撤去F后物体的受力如右图所示 设物体此时加速度为a2 物体停下来经过时间为t2 根据牛顿运动定律有 f ma2 N mg 0 又因为f N 联立解得 a2 5 0m s2由0 v at 得t2 0 4s 答案 0 4s 题型二已知运动情况求受力情况 根据物体的运动情况 应用运动学公式求出加速度 再根据牛顿第二定律求出物体所受的合外力 从而求出未知的力 或与力相关的某些物理量 如 动摩擦因数 劲度系数等 可用程序图表示如下 如图所示 电梯与水平面夹角为30 电梯从初速度为零开始加速启动 当速度达到1m s时 一个质量为50kg的人踏上第一级 不计这一级的宽度 然后跟电梯一起加速向上运动 到达电梯终点时已经过4s 电梯的终点离地面高度为10m 求这个过程中人对梯面压力和人与梯面间的静摩擦力 g 10m s2 解析 以人为研究对象 人运动的初速度为v0 1m s 位移为s h sin30 20m 时间为t 4s 根据运动学公式 s v0t at2代入数据解得 a 2m s2对人进行受力分析 人受重力mg 竖直向上的支持力FN 水平向右的静摩擦力F 摩擦力方向一定与接触面平行 为了便于研究 取水平向右为x轴正方向 竖直向上为y轴正方向 建立直角坐标系 如左下图 此时只需分解加速度 其中ax acos30 ay asin30 如右下图 根据牛顿第二定律有X方向 F max macos30 Y方向 FN mg may masin30 由 式解得 F 87N由 式解得 FN 550N 根据牛顿第三定律可知 人对梯面压力等于550N 方向竖直向下 而人与梯面间的静摩擦力等于87N 方向水平向右 答案 人对梯面压力等于550N 方向竖直向下 人与梯面间的静摩擦力等于87N 方向水平向右 题型训练 2 用一根绳子提一只质量为50 0kg的桶 假定当绳子的张力等于或小于525N时 这根绳子不会断裂 已知开始时这只桶是静止的 被提至3 0m时它的运动速度是3 0m s 如果加速度固定不变 那么这根绳子是否有断裂的危险 解析 作出示意图 分析作用在桶上的力 建立一个坐标系 假定坐标轴的正方向向上 作出包含v和a的运动图 如下图所示 根据运动学公式 v2 2as代入数据解得a 1 5m s2根据牛顿第二定律有 FT mg ma代入数据解得 FT 570N 根据牛顿第三定律可知桶作用于绳子上的力也等于570N 因此超过了绳子所能承受的最大张力 所以这根绳子有断裂的危险 答案 这根绳子有断裂的危险 题型三牛顿运动定律在传送带问题中的应用 传送带在自动输送各种粮食起很大作用 如图所示 而该模型可分为以下三类 1 水平传送带当传送带水平运动时 应特别注意摩擦力的突变和物体运动状态的变化 摩擦力的突变 常常导致物体的受力情况和运动性质的突变 静摩擦力到达最大值 是物体恰好保持相对静止的临界状态 滑动摩擦力存在于发生相对运动的物体之间 因此两物体的速度达到相同时 滑动摩擦力要发生突变 摩擦力为零或为静摩擦力 2 倾斜传送带 当传送带倾斜运动时 除了要注意摩擦力的突变和物体运动状态的变化外 还要注意物体与传送带之间的动摩擦因数 和传送带倾斜角度 的关系 从而正确判断物体的速度和传送带速度相等时物体运动的性质 3 组合传送带组合传送带是水平传送带和倾斜传送带连接在一起传送物体 如图所示 传送带与地面的倾角 37 从A到B的长度为16m 传送带以v0 10m s的速度逆时针转动 在传送带上端无初速的放一个质量为m 0 5kg的物体 它与传送带之间的动摩擦因数 0 5 求物体从A运动到B所需的时间是多少 sin37 0 6 cos37 0 8 g 10m s2 解析 物体放在传送带上后 开始阶段 传送带的速度大于物体的速度 传送带给物体一沿斜面向下的滑动摩擦力 物体由静止开始加速下滑 受力分析如图 a 所示 当物体加速至与传送带速度相等时 由于 tan 物体在重力作用下将继续加速 此后物体的速度大于传送带的速度 传送带给物体沿传送带向上的滑动摩擦力 但合力沿传送带向下 物体继续加速下滑 受力分析如图 b 所示 综上可知 滑动摩擦力的方向在获得共同速度的瞬间发生了 突变 开始阶段由牛顿第二定律得 mgsin mgcos ma1所以 a1 gsin gcos 10m s2物体加速至与传送带速度相等时需要的时间t1 v a1 1s发生的位移 s a1t12 5m 16m物体加速到10m s时仍未到达B点 第二阶段 有 mgsin mgcos ma2所以 a2 2m s2设第二阶段物体滑动到B的时间为t2则 LAB s vt2 a2t22解得 t2 1s t 2 11s 舍去 故物体经历的总时间t t1 t2 2s 答案 2s 点评 从上述例题可以总结出 皮带传送物体所受摩擦力可能发生突变 不论是其大小的突变 还是其方向的突变 都发生在物体的速度与传送带速度相等的时刻 题型训练 3 如图所示为一平直传送带 A B两处间的距离为L 传送带的运动速度恒为v 有一工件轻轻从A处放上传送带 已知工件与传送带间的动摩擦因数为 和当地的重力加速度为g 且认为传送带的形状及速率不受影响 求传送带将该工件由A处送到B处可能的时间间隔 t及相应的条件 即题中给出量之间应满足的关系 解析 该工件放上传送带 受到水平向右的摩擦力f mg 由牛顿第二定律 可得 a f m g 该工件加速到v所需时间 t v a v g 此过程中 工件运动的位移 x at2 v2 2 g 若v2 2 g L 则工件一直匀加速直到B 可得 at2 L 得 t 若v2 2 g L 则工件先匀加速至速度v后做匀速运动直到B 故 t t 答案 若v2 2 g L 则 t 若v2 2 g L 则 t 警示不能明确研究对象而出错 如图甲所示表示了举重运动的 抓举 技术动作 提杠铃 发力 下蹲支撑 起立 放下杠铃等六个步骤其中的几个状态 现只研究从发力到支撑这个过程 杠铃被举起的实际高度h1 0 48m 已知运动员的质量为M 65kg 所举杠铃的质量m 120kg 运动员从发力到支撑历时t 0 6s 为简便起见 可以认为在该过程中运动员作用于杠铃上的竖直向上的作用力与时间的关系如图乙所示 在该过程中杠铃的速度与时间的关系如图丙所示 空气阻力不计 g取10m s2 求出F t图象中的F0的值 错解 以运动员作为研究对象 则运动过程看作是先向下做匀加速运动 再向上做匀加速运动 由此说明本题无解 解析 前面一段话给同学很多的干扰 造成对象选择错误而不能做出正确的解答 要以杠铃为研究对象 在该过程中它先向上做匀加速运动 后做竖直上抛运动 设杠铃在该过程中的最大速度为vm 有h1 t 得 vm 1 6m s 上抛运动时间应为t2 0 16s 加速运动的时间t1 t t2 0 44s设加速运动的加速度为a 则vm at1 得 a 3 64m s 又由牛顿第二定律有F0 mg ma 所以F0 mg ma 1636 8N 答案 1636 8N 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全