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)）

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1、4 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 主要內(nèi)容 力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，慣性與牛頓第一定律，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，失重和超重，國(guó)際單位制 教學(xué)重點(diǎn) 力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，牛頓第二定律及其應(yīng)用，失重與超重，國(guó)際單位制 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(jué)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(guò)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(méi)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

2、 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

3、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(guó)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。 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律定量地描述了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化（即加速度）和動(dòng)力學(xué)因素（力和慣性質(zhì)量）之間的定量關(guān)系

4、，是經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）乃至整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)最重要的物理規(guī)律之一。 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(shuō)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(lái)

5、的普遍規(guī)律，是物理理論的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，無(wú)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(guò)程的的正確性；物理定理是否正確最終要用實(shí)驗(yàn)來(lái)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(wú)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(lái)保證?，F(xiàn)代物理理論都有自己的公理化體系。 例1 分析靜止在固定斜面上的物塊的受力情況，討論動(dòng)摩擦因數(shù)μ與斜面傾角θ之間需要滿足的

6、條件。假定物塊和斜面間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力。 例2 物塊和固定斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，斜面傾角為θ。計(jì)算滑塊沿斜面自由下滑和上滑時(shí)物塊的加速度。若斜面光滑，則自由上滑和下滑時(shí)物塊的加速度又為多少？ 例題參考答案 1. μ > tanθ；2. 自由下滑, 自由上滑方向沿斜面向下；斜面光滑時(shí)上滑和下滑加速度相同，均為方向沿斜面向下。 6. 基本物理量與單位制 物理量的單位是物理量的重要組成部分，沒(méi)有單位物理量的數(shù)值就沒(méi)有意義。歷史上曾 出現(xiàn)過(guò)多種單位制并存的時(shí)代，多種單位制共存為地區(qū)和地區(qū)之間的交流帶來(lái)了很大不便，也阻礙了科學(xué)的傳播和發(fā)展。為了促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展和傳播，也為了溝通和交

7、流的便利，人們建立了國(guó)際單位制。 為了描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)，力學(xué)中引入了質(zhì)量、長(zhǎng)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(zhǎng)度、時(shí)間、電流強(qiáng)度、溫度、光強(qiáng)和物質(zhì)的量。基本物理量的單位稱為基本單位，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(guó)際上通用的單位制稱為國(guó)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(kāi)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。例如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，

8、還有一個(gè)描述角度的輔助單位：弧度。 為了使用方便，國(guó)際單位制中通過(guò)引入詞冠建立新的單位。例如使用詞冠nano-(納)的單位納米（nano-meter，簡(jiǎn)寫(xiě)為nm）和納秒（nano-second，簡(jiǎn)寫(xiě)為ns）。又如使用詞冠kilo-(千)的單位千米（kilo-meter，簡(jiǎn)寫(xiě)為km）和千牛（kN）等。其他使用詞冠的例子還有微米（μm，1μm = 10-6 m）、微秒（μs，1μs = 10-6 s）、兆瓦(MW, 1MW =106 W，功率單位 )、皮法（pF, 1pF = 10-6 F，電容單位）等。常用的詞冠有kilo-（千，簡(jiǎn)寫(xiě)為k）、mega- （兆，簡(jiǎn)寫(xiě)為M）、giga-（京，簡(jiǎn)寫(xiě)為

9、G）、milli- (毫，簡(jiǎn)寫(xiě)為m)、micro- （微，簡(jiǎn)記為μ）、pico- （皮，簡(jiǎn)寫(xiě)為p）、femto- (飛，簡(jiǎn)寫(xiě)為f)等。 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）。 生活和生產(chǎn)中重要的常用非國(guó)際單位制單位有光年（ly, 長(zhǎng)度單位，1光年 = 9.46萬(wàn)億千米 = 9.46×1015 米）、小時(shí)（h, 時(shí)間單位，1h = 3600 s）、噸（t, 質(zhì)量單位，1t = 1×103 kg）、千

10、米每小時(shí)（km/s, 速度單位，1 km/h = 5/18 m/s）、度或千瓦時(shí)（kwh, 能量單位, 1kwh = 3.6×106 J）、匹或馬力（horsepower, 簡(jiǎn)寫(xiě)為h.p., 功率單位，1 h.p. = 735.5 W）、電子伏特（eV, 能量單位, 1eV = 1.6×10-19 J）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm., 壓強(qiáng)單位, 1atm = 1.01×105 Pa）、厘米汞柱（cmHg，壓強(qiáng)單位, 76 cmHg = 1atm.）、攝氏度（℃, 溫度單位, 0℃對(duì)應(yīng)于273.15 K）。 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

11、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(wú)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(méi)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 對(duì)懸掛物的拉力）大于物體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

12、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 對(duì)懸掛物的拉力）小于物體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(wèn)題 (i) 已知物體的受力情況，可通過(guò)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

13、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(shuō)法正確的是（ ） A．M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

14、．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)（　　） A．M對(duì)車廂壁的壓力增大 B．M受靜摩擦力增大 C．M受靜摩擦力減小 D．M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(zhǎng)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(zhǎng)木板上滑行，長(zhǎng)木板始終靜止．已知木塊與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1，長(zhǎng)木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2，且最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力相等。則（　?。? A．μ1一定小于μ2 B．μ1一定不小于μ2 C．改變F的

15、大小，F(xiàn)>μ2(m1＋m2)g時(shí)，長(zhǎng)木板將開(kāi)始運(yùn)動(dòng) D．若F作用于長(zhǎng)木板，F(xiàn)>(μ1＋μ2)(m1＋m2)g時(shí)，長(zhǎng)木板與木塊將開(kāi)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如圖所示，質(zhì)量為M的斜面體靜止在水平地面上，質(zhì)量為m的滑塊在沿著斜面向上的恒力F作用下向下做勻速運(yùn)動(dòng)，斜面體始終處于靜止?fàn)顟B(tài)。已知重力加速度為g，在滑塊下滑的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是（ ） A．滑塊與斜面體之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ大于tanθ B．撤去恒力F后，地面對(duì)斜面體的支持力不變 C．地面對(duì)斜面體的支持力大于（M＋m）g D．地面對(duì)斜面體的摩擦力方向水平向左 例6兩個(gè)相互接觸的物體放置在光滑無(wú)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. . 8 / 8