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 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 失重和超重 國(guó)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(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 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

2、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

3、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。 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

4、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)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)

5、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。 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(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?；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(guó)際上通用的單位制稱為國(guó)際單位制。

6、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。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)

7、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(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

8、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 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

9、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(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

10、．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)（　?。? 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

11、 C．改變F的大小，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. . 一、 基礎(chǔ)練習(xí) 1. 物體具有_____

12、_______________________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__________________________________

13、___________________，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(guó)際單位制中的七個(gè)基本物理量分別是____________________________________, 它們的國(guó)際單位制單位分別是____________________________________。 6. 失重現(xiàn)象是指_______________________________________________________________; 超重現(xiàn)象是指__________________________________________________________

14、_____。 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_(kāi)______。 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(jiàn)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_(kāi)______。 3. 兩個(gè)物

15、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θ，彈簧的勁度系數(shù)為k. 初始彈簧處于原長(zhǎng)，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(kāi)擋板C，此過(guò)程物塊A的位移大小為_(kāi)_____。 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(zhǎng)為l，最大擺角為θm. 6. 阿特

16、伍德機(jī)是實(shí)驗(yàn)室用來(lái)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(lái)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(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變：原來(lái)靜止則一直靜止，原來(lái)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(zhǎng)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(kāi)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 ; 6 10 / 10