4 牛頓定律 —人教版）（2019）高中物理必修第一冊(cè)講義（機(jī)構(gòu)）

4牛頓運(yùn)動(dòng)定律主要內(nèi)容：力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 失重和超重 國際單位制重點(diǎn)：力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系 牛頓第二定律及其應(yīng)用一、教學(xué)內(nèi)容1. 力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系亞里士多德：從直覺和觀察出發(fā)得出結(jié)論，力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。伽利略（正確觀點(diǎn)）：通過構(gòu)想理想實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，把科學(xué)實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧結(jié)合在一起，利用“科學(xué)實(shí)驗(yàn) + 邏輯推理”的方法（現(xiàn)代科學(xué)范式），得出結(jié)論，力是物體運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。笛卡爾：運(yùn)動(dòng)中的物體沒有受到力的作用，將以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)。2. 慣性與牛頓第一定律第一定律：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非外力迫使物體改變這種狀態(tài)。根據(jù)牛頓第一定律，一切物體具有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變這一性質(zhì)，這一性質(zhì)稱為慣性，故牛頓第一定律也稱為慣性定律。一切物體皆有慣性，慣性有大小，質(zhì)量是一個(gè)物體慣性大小的唯一量度（因而質(zhì)量也稱為慣性質(zhì)量）。牛頓第一定律明確指出力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。第一定律也可以表述為：物體在不受外力作用時(shí)將保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變：初始靜止則一直靜止不動(dòng)，初始運(yùn)動(dòng)，則將以恒定速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。相對(duì)地球靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系稱為慣性參考系，簡(jiǎn)稱為慣性系。相對(duì)于地球做加速運(yùn)動(dòng)（加速度非零）的參考系稱為非慣性系。3. 牛頓第二定律與力第二定律：物體的加速度與物體受到的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比：，或.上式中的物理量都取國際單位制單位則比例系數(shù)，從而有.第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式中的加速度和力都是矢量，加速度的方向由合外力的方向決定。 力作用的獨(dú)立性：多個(gè)力作用在一個(gè)物體上，外力的矢量和即物體的合外力在物體上產(chǎn)生的加速度等價(jià)于每一個(gè)力單獨(dú)存在時(shí)產(chǎn)生的加速度的矢量和。力作用效果的瞬時(shí)性：力作用在物體上和物體產(chǎn)生加速度是同時(shí)的，力的作用消失則產(chǎn)生的加速度也歸零。4. 牛頓第三定律第三定律：兩個(gè)物體之間的相互作用（作用力與反作用力）總是大小相同、方向相反、作用在同一直線上。力的作用總是相互的：一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加一個(gè)力的作用，另一物體一定同時(shí)對(duì)該物體施加一個(gè)力。這樣成對(duì)出現(xiàn)的相互作用力稱為作用力與反作用力。第三定律是說作用力和反作用力總是等大、反向、作用在不同物體上且方向在同一直線上，故有時(shí)也稱第三定律為作用力反作用力定律。5. 物理定律與物理定理物理定律和物理定理都是物理現(xiàn)象所遵循的重要規(guī)律，但二者在物理理論中的地位不同。物理定律是從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)中歸納出來的普遍規(guī)律，是物理理論的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，無法從理論上證明，只能從實(shí)驗(yàn)上檢驗(yàn)。一個(gè)物理理論的定律通常只有有限幾個(gè)，其地位相當(dāng)于數(shù)學(xué)理論中的公理。物理定理是從物理定律出發(fā)，利用邏輯推理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的結(jié)論，其正確性取決于物理定律和推導(dǎo)過程的的正確性；物理定理是否正確最終要用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。一個(gè)物理理論的定理可以有很多個(gè)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律是力學(xué)理論的“公理”和出發(fā)點(diǎn)，不需要也無法在力學(xué)體系內(nèi)部進(jìn)行證明，其正確性由其本身及其推論（物理定理）和實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符合來保證?，F(xiàn)代物理理論都有自己的公理化體系。6. 基本物理量與單位制為了描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)，力學(xué)中引入了質(zhì)量、長度和時(shí)間三個(gè)基本物理量。物理學(xué)中總共有七個(gè)基本物理量：質(zhì)量、長度、時(shí)間、電流強(qiáng)度、溫度、光強(qiáng)和物質(zhì)的量?；疚锢砹康膯挝环Q為基本單位，從基本單位可以導(dǎo)出其他物理量的單位（稱為導(dǎo)出單位），基本單位和導(dǎo)出單位共同組成單位制，目前國際上通用的單位制稱為國際單位制。 前述七個(gè)基本物理量的單位分別是：千克、米、秒、安培、開爾文、坎德拉、摩爾。從基本單位出發(fā)可以導(dǎo)出所有其他物理量的單位。由加速度的單位和牛頓第二定律可知力的單位是，為了紀(jì)念牛頓對(duì)力學(xué)的偉大貢獻(xiàn)，人們還特地把力的單位稱為牛頓。除了基本單位和導(dǎo)出單位之外，還有一個(gè)描述角度的輔助單位：弧度。物理量與基本物理量的關(guān)系稱為該物理量的量綱，兩個(gè)量綱相同的物理量，其物理本質(zhì)是相同的。對(duì)于復(fù)雜的容易記錯(cuò)的物理公式，可以比較公式兩邊的量綱是否相同：兩邊量綱不同，則公式一定不成立；反之則不一定（即量綱相同是等式成立的必要非充分條件）。7. 重量與質(zhì)量生活中通常不區(qū)分物體的重量和質(zhì)量。在物理中重量和質(zhì)量是兩個(gè)完全不同的物理量：重量是物體所受的重力的大小，其量綱和力的量綱相同；質(zhì)量的量綱就是質(zhì)量。物體的（慣性）質(zhì)量反映物體的慣性大小，是物體所包含物質(zhì)的多少，與物體所處的位置和狀態(tài)（非相對(duì)論情形）無關(guān)；而重量則和重力加速度有關(guān)，赤道附件和南北極附近的重力加速度有差異，地球表面和月球表面的重力加速度也有差異，故同一物體在赤道附近和南北極附近其質(zhì)量沒有任何變化，但重量則有差別。8. 牛頓定律的應(yīng)用(1) 失重與超重物體具有向上的加速度或加速度具有非零向上分量時(shí)，物體對(duì)于支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受的重力的情況稱為超重現(xiàn)象。根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)于超重的物體有物體具有向下的加速度或加速度具有非零向下分量時(shí)，物體對(duì)于支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受的重力的情況稱為失重現(xiàn)象。根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)于失重的物體有 物體對(duì)支持物的壓力為零的狀態(tài)叫做完全失重狀態(tài)。當(dāng)物體的加速度等于重力加速度時(shí)，就會(huì)發(fā)生完全失重現(xiàn)象。(2) 利用牛頓定律求解運(yùn)動(dòng)問題(i) 已知物體的受力情況，可通過受力分析得到物體的合外力，再利用牛頓第二定律計(jì)算出物體的加速度，然后利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定物體的速度、位移和運(yùn)動(dòng)時(shí)間等。(ii) 已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，則可以利用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律求出物體的加速度，再利用牛頓定律計(jì)算出物體受到的合外力，然后對(duì)物體進(jìn)行受力分析，得出受力情況。(3) 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于描述宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于光速而言）。此外，這里所講的牛頓運(yùn)動(dòng)定律僅在慣性系下成立。微觀粒子或系統(tǒng)的規(guī)律是量子力學(xué)，在微觀尺度（納米即以下），牛頓定律不再適用；高速運(yùn)動(dòng)（速度和光速可比擬）的物體，具有明顯的相對(duì)論效應(yīng)，適用相對(duì)論力學(xué)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律做適當(dāng)修改（引入慣性力）后，可以用于非慣性系。例1（多選）質(zhì)量為m的物體放在質(zhì)量為M、傾角為的斜面上，斜面置于粗糙的水平地面上，用平行于斜面的力F拉物體使其沿斜面向下勻速運(yùn)動(dòng)，M始終靜止，則下列說法正確的是（ ）AM相對(duì)地面有向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)B地面對(duì)M的支持力為C地面對(duì)M的摩擦力大小為D地面對(duì)M的摩擦力大小為零例2（多選）如圖所示，當(dāng)小車向右加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物塊M相對(duì)車廂靜止于豎直車廂壁上，當(dāng)車的加速度增大時(shí)（）AM對(duì)車廂壁的壓力增大BM受靜摩擦力增大CM受靜摩擦力減小DM仍相對(duì)于車廂靜止例3如圖所示，質(zhì)量為m1的木塊和質(zhì)量為m2的長木板疊放在水平地面上現(xiàn)對(duì)木塊施加一水平向右的拉力F，木塊在長木板上滑行，長木板始終靜止已知木塊與長木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為1，長木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為2，且最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力相等。則（）A1一定小于2B1一定不小于2C改變F的大小，F(xiàn)>2(m1m2)g時(shí)，長木板將開始運(yùn)動(dòng)D若F作用于長木板，F(xiàn)>(12)(m1m2)g時(shí)，長木板與木塊將開始相對(duì)滑動(dòng)例4如圖所示，用一根細(xì)繩將一重物A吊在電梯內(nèi)的天花板上，在下列四種情況下，重物處于超重狀態(tài)的是（ ）A電梯勻速上升B電梯勻速下降C電梯加速上升D電梯加速下降例5兩個(gè)相互接觸的物體放置在光滑無摩擦的水平桌面上；有一大小為 F 的外力水平作用在物體1上。計(jì)算物體 1 的加速度和兩物體間的接觸力。例題參考答案 1. BC；2. AD；3. D；4. C；5. .一、 基礎(chǔ)練習(xí)1. 物體具有_的性質(zhì)，稱為物體的慣性，物體慣性大小的量度是_。2. 牛頓第一定律的內(nèi)容是_，第一定律明確指出_是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。3. 牛頓第二定律的內(nèi)容是_，第二定律給出了物體所受的_和其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化即加速度的定量關(guān)系。4. 牛頓第三定律的內(nèi)容是_，第三定律指出力是物體之間的相互作用，作用力和反作用力的關(guān)系。5. 國際單位制中的七個(gè)基本物理量分別是_, 它們的國際單位制單位分別是_。6. 失重現(xiàn)象是指_; 超重現(xiàn)象是指_。7. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍是_。二、 提高練習(xí)1. 一物塊在水平拉力F的作用下沿水平桌面做勻速直線運(yùn)動(dòng)。若保持F的大小不變，方向與水平面成60度角時(shí)，物塊也做勻速直線運(yùn)動(dòng)。物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為_。 2. 滑塊B置于水平地面上，滑塊A在水平作用力的作用下緊靠B（接觸面豎直），此時(shí)B恰好不滑動(dòng)，A剛好不下滑（見上圖）。已知A、B間的動(dòng)摩擦因數(shù)、B與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為，設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，則A與B的質(zhì)量之比為_。3. 兩個(gè)物塊完全相同，質(zhì)量均為m，用輕彈簧相連，置于帶有擋板C的固定斜面上，斜面的傾角為，彈簧的勁度系數(shù)為k. 初始彈簧處于原長，A恰好靜止. 現(xiàn)用一沿斜面向上的力拉A，知道B剛要離開擋板C，此過程物塊A的位移大小為_。 4. 重力為G的物體A受到與豎直方向成角的外力F后，靜止在豎直墻面上，如上圖所示，試求墻對(duì)物體A的靜摩擦力。5. 單擺運(yùn)動(dòng)是一個(gè)變加速的周期性運(yùn)動(dòng)。計(jì)算擺球在最大擺角位置處的加速度。已知擺球質(zhì)量為m，擺長為l，最大擺角為m. 6. 阿特伍德機(jī)是實(shí)驗(yàn)室用來測(cè)量重力加速的的簡(jiǎn)易裝置，其示意圖如上。若實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到其中一個(gè)物體的加速度為a，計(jì)算重力加速度和繩子的張力。三、練習(xí)參考答案一、基礎(chǔ)練習(xí)(1) 保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，質(zhì)量；(2) 在不受外力作用的情況下，物體保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變：原來靜止則一直靜止，原來運(yùn)動(dòng)，則以恒定的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，外力；(3) 物體的加速度和合外力成正比，和質(zhì)量成反比；合外力；(4) 作用力和反作用力大小相等，方向相反，方向在一條直線上；(5) 質(zhì)量、長度、時(shí)間、電流強(qiáng)度、溫度、光強(qiáng)、物質(zhì)的量，千克、米、秒、安培、開爾文、坎德拉、摩爾；（6）物體具有向下的加速度或加速度具有非零向下分量，因而受到支持力或拉力小于所受到的重力的現(xiàn)象稱為失重；物體具有向上的加速度或加速度具有非零向上分量，因而受到支持力或拉力大于所受到的重力的現(xiàn)象稱為超重二、提高練習(xí)1 ；2 ；3 ；4 ；5 ; 610 / 10