202X年高中物理第四章第3節(jié)牛頓第二定律課件新人教版必修1

1、學習學習目標目標1.1.理解牛頓第二定律理解牛頓第二定律, ,把握把握a= a= 的含義。的含義。2.2.知道力的單位知道力的單位“牛頓牛頓”是怎樣定義的。是怎樣定義的。3.3.會用牛頓第二定律的公式進行簡單計算和處會用牛頓第二定律的公式進行簡單計算和處理有關(guān)問題。理有關(guān)問題。Fm一、牛頓第二定律1.內(nèi)容：物體加速度的大小跟它受到的作用力成_,跟它的質(zhì)量成_,加速度的方向跟_相同。2.表達式：(1)表達式：_,式中k是比例系數(shù),F是物體所受的_。(2)國際單位制中：_。正比反比作用力的方向F=kma合外力F=ma【自我思悟】加速度大的物體所受的合外力一定大嗎?提示：不一定。加速度不僅與合外力有

2、關(guān),還與物體的質(zhì)量有關(guān),且合外力是物體與其他物體間的相互作用,與加速度的大小無關(guān)。二、力的單位1.國際單位：_,簡稱_,符號為_。2.“牛頓”的定義：使質(zhì)量為1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度的力叫作1N,即1N=_。牛頓N1kgm/s2牛3.比例系數(shù)k的意義：(1)在F=kma中,k的選取有一定的任意性。(2)在國際單位制中k=1,牛頓第二定律的數(shù)學表達式為_,式中F、m、a的單位分別為_、_、_。F=maNkgm/s2【自我思悟】1.在國際單位制中,力的單位N是基本單位嗎?提示：不是,力的單位N是由m、a的單位決定的,是導出單位。2.在任何情況下,F=kma中的k都等于1嗎?提示：在不同的

3、單位制中k值不同,只有在國際單位制中k=1。【盲區(qū)掃描】1.力是使物體產(chǎn)生加速度的原因。2.a= 是加速度的決定式,a= 是加速度的定義式。3.加速度的方向始終與物體所受合外力的方向相同。4.只有在國際單位制中,公式F=kma才可直接寫成F=ma。5.牛頓第二定律中的力指的是物體所受到的合外力。6.1N的力可以使質(zhì)量為1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度。Fmvt一、對牛頓第二定律的理解 深化理解牛頓第二定律揭示了加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系,指明了加速度大小和方向的決定因素,對牛頓第二定律,還應(yīng)從以下幾個方面深刻理解。因果性因果性力是產(chǎn)生加速度的原因力是產(chǎn)生加速度的原因, ,只要物體所受的合力不

4、為只要物體所受的合力不為0,0,物體就具有加速度物體就具有加速度矢量性矢量性F=maF=ma是一個矢量式。物體的加速度方向由它受的是一個矢量式。物體的加速度方向由它受的合力方向決定合力方向決定, ,且總與合力的方向相同且總與合力的方向相同瞬時性瞬時性加速度與合外力是瞬時對應(yīng)關(guān)系加速度與合外力是瞬時對應(yīng)關(guān)系, ,同時產(chǎn)生同時產(chǎn)生, ,同時同時變化變化, ,同時消失同時消失同體性同體性F=maF=ma中中F F、m m、a a都是對同一物體而言的都是對同一物體而言的獨立性獨立性作用在物體上的每一個力都產(chǎn)生加速度作用在物體上的每一個力都產(chǎn)生加速度, ,物體的實物體的實際加速度是這些加速度的矢量和際加

5、速度是這些加速度的矢量和相對性相對性物體的加速度是相對于慣性參考系而言的物體的加速度是相對于慣性參考系而言的, ,即牛頓即牛頓第二定律只適用于慣性參考系第二定律只適用于慣性參考系【微思考】(1)靜止在光滑水平面上的重物,受到一個很小的水平推力,在力剛開始作用的瞬間,重物是否立即獲得加速度,是否立即有了速度?提示：力是產(chǎn)生加速度的原因,力與加速度具有同時性,故在力作用的瞬間,物體立即獲得加速度,但由v=at可知,要使物體獲得速度必須經(jīng)過一段時間。(2)用力去推水平地面上的大石塊,卻沒有推動,是否說明這個力沒有產(chǎn)生加速度?提示：當物體受到幾個力作用時,每個力各自獨立地使物體產(chǎn)生一個加速度,但物體表

6、現(xiàn)出來的加速度卻只有一個,即各個力產(chǎn)生加速度的矢量和,石塊沒被推動說明石塊的合加速度為零,并不是這個力沒產(chǎn)生加速度?！绢}組通關(guān)】【示范題】(多選)對牛頓第二定律的理解正確的是()A.由F=ma可知,F與a成正比,m與a成反比B.牛頓第二定律說明當物體有加速度時,物體才受到外力的作用C.加速度的方向總跟合外力的方向一致D.當外力停止作用時,加速度隨之消失【解題探究】(1)合外力與加速度的關(guān)系。因果關(guān)系：力是_的原因;方向關(guān)系：加速度的方向與合外力的方向_;瞬時關(guān)系：加速度與合外力_。產(chǎn)生加速度相同同時產(chǎn)生、同時變化、同時消失(2)公式F=ma可以純數(shù)學理解嗎,比如Fm、Fa對嗎?提示：物理公式具

7、有具體的物理含義,公式F=ma中,F指合外力,由外界決定,m由物體決定,加速度a由合外力F與質(zhì)量m共同決定?！疽?guī)范解答】選C、D。雖然F=ma表示牛頓第二定律,但F與a無關(guān),因a是由m和F共同決定的,即a 且a與F同時產(chǎn)生、同時消失、同時存在、同時改變;a與F的方向永遠相同。綜上所述,可知A、B錯誤,C、D正確。Fm【通關(guān)1+1】1.根據(jù)牛頓第二定律,下列敘述正確的是()A.物體加速度的大小跟它的質(zhì)量和速度大小的乘積成反比B.物體所受合外力必須達到一定值時,才能使物體產(chǎn)生加速度C.物體加速度的大小跟它所受作用力中的任一個的大小成正比D.當物體質(zhì)量改變但其所受合力的水平分力不變時,物體水平加速度

8、大小與其質(zhì)量成反比【解析】選D。物體加速度的大小與物體受到的合力成正比,與物體的質(zhì)量成反比,選項A錯誤;力是產(chǎn)生加速度的原因,只要有合力,物體就有加速度,它們之間有瞬時對應(yīng)關(guān)系,不存在累積效應(yīng),選項B錯誤;物體加速度的大小與它受到的合力成正比,選項C錯誤;根據(jù)矢量的合成和分解得Fx=max,當Fx一定時,物體水平加速度的大小與其質(zhì)量成反比,選項D正確。2.(多選)下列對牛頓第二定律的表達式F=ma及其變形公式的理解,正確的是()A.由F=ma可知,物體所受的合外力與物體的質(zhì)量成正比,與物體的加速度成反比B.由m= 可知,物體的質(zhì)量與其所受的合外力成正比,與其運動的加速度成反比FaC.由a= 可

9、知,物體的加速度與其所受的合外力成正比,與其質(zhì)量成反比D.由m= 可知,物體的質(zhì)量可以通過測量它的加速度和它所受到的合外力而求得FmFa【解析】選C、D。物體所受的合外力的大小是由物體的受力情況決定的,與物體的質(zhì)量無關(guān),A錯;物體的質(zhì)量由自身決定,與其所受的合外力及加速度的大小均無關(guān),B錯;物體的加速度與其所受的合外力成正比,與其質(zhì)量成反比,C對;物體的質(zhì)量可以通過測量它的加速度和它所受到的合外力后由m= 求得,D對。Fa3.由牛頓第二定律知,無論怎樣小的力都可以使物體產(chǎn)生加速度,可是當我們用一個力推桌子沒有推動時是因為()A.牛頓第二定律不適用于靜止的物體B.桌子的加速度很小,速度增量很小,

10、眼睛不易覺察到C.推力小于摩擦力,加速度是負值D.推力、重力、地面的支持力與摩擦力的合力等于零,物體的加速度為零,所以物體仍靜止【解析】選D。牛頓第二定律中的力應(yīng)理解為物體所受的合力。用一個力推桌子沒有推動,是由于桌子所受推力、重力、地面的支持力與摩擦力的合力等于零,物體的加速度為零,所以物體仍靜止,故選項D正確,選項A、B、C錯誤?！咀兪接柧殹繉⒁恢黄で蜇Q直向上拋出,皮球運動時受到空氣阻力的大小與速度的大小成正比。下列描繪皮球在上升過程中加速度大小a與時間t關(guān)系的圖像,可能正確的是()【解析】選C。皮球在上升過程中速度越來越小,所以空氣阻力越來越小,重力與空氣阻力的合力越來越小,所以加速度越

11、來越小,一開始加速度最大,后來減小得越來越慢,最后速度為零時,加速度變?yōu)橹亓铀俣?所以答案選C。【素養(yǎng)升華】正確理解牛頓第二定律(1)物體的加速度和合外力是同時產(chǎn)生的,不分先后,但有因果性,力是產(chǎn)生加速度的原因,沒有力就沒有加速度。(2)不能根據(jù)m= 得出mF、m 的結(jié)論,物體的質(zhì)量m是由自身決定的,與物體所受的合外力和運動的加速度無關(guān),但物體的質(zhì)量可以通過測量它的加速度和它所受到的合外力而求得。(3)不能由F=ma得出Fm、Fa的結(jié)論,物體所受合外力的大小是由物體的受力情況決定的,與物體的質(zhì)量和加速度無關(guān)。 Fa1a二、合外力、加速度和速度的關(guān)系 深化理解1.合外力與加速度的關(guān)系：2.直線

12、運動中加速度與速度的關(guān)系：(1)(2)3.力與運動的關(guān)系：4.兩個加速度公式的區(qū)別：(1)a= 是加速度的定義式,它給出了測量物體的加速度的方法,這是物理上用比值定義物理量的方法。(2)a= 是加速度的決定式,它揭示了物體產(chǎn)生加速度的原因及影響物體加速度的因素。vtFm【微思考】根據(jù)a= ,能否說物體的質(zhì)量越大,加速度一定越小?提示：不能。物體加速度的大小是由物體所受的合外力和物體的質(zhì)量共同決定的。只能說,在合外力一定的情況下,質(zhì)量越大,加速度越小。Fm【題組通關(guān)】【示范題】一質(zhì)點受多個力的作用,處于靜止狀態(tài)?，F(xiàn)使其中一個力的大小逐漸減小到零,再沿原方向逐漸恢復到原來的大小。在此過程中,其他力

13、保持不變,則質(zhì)點的加速度大小a和速度大小v的變化情況是()A.a和v都始終增大B.a和v都先增大后減小C.a先增大后減小,v始終增大D.a和v都先減小后增大【解題探究】(1)當質(zhì)點受到多個力的作用時,滿足什么條件才能使其靜止?提示：當質(zhì)點所受的合力為零時,質(zhì)點處于靜止或勻速運動狀態(tài)。(2)根據(jù)牛頓第二定律分析質(zhì)點的加速度：當質(zhì)點所受的合外力增大時,質(zhì)點的加速度隨之_;當質(zhì)點所受的合外力減小時,質(zhì)點的加速度隨之_。增大減小(3)如何根據(jù)速度和加速度的方向判斷質(zhì)點的運動性質(zhì)?提示：當速度方向與加速度方向相同時,質(zhì)點做加速運動;當速度方向與加速度方向相反時,質(zhì)點做減速運動?！疽?guī)范解答】選C。質(zhì)點受多

14、個力的作用,處于靜止狀態(tài),則多個力的合力為零,其中任意一個力與剩余所有力的合力大小相等、方向相反,使其中一個力的大小逐漸減小到零再恢復到原來的大小,則所有力的合力先變大后變小,但合力的方向不變,根據(jù)牛頓第二定律,a先增大后減小,v始終增大,故選C。【通關(guān)1+1】 1.在光滑的水平面上做勻加速直線運動的物體,當它所受的合力逐漸減小而方向不變時,則物體的()A.加速度越來越大,速度越來越大B.加速度越來越小,速度越來越小C.加速度越來越大,速度越來越小D.加速度越來越小,速度越來越大【解析】選D。由牛頓第二定律可知,當物體所受合外力減小時,加速度會越來越小;由于合外力方向保持不變,加速度方向與速度

15、方向始終相同,故速度越來越大,所以,正確選項為D。2.物體在與其初速度始終共線的合力F的作用下運動。取v0方向為正,合力F隨時間t的變化情況如圖所示,則在0t1這段時間內(nèi)()A.物體的加速度先減小后增大,速度也是先減小后增大B.物體的加速度先增大后減小,速度也是先增大后減小C.物體的加速度先減小后增大,速度一直在增大D.物體的加速度先減小后增大,速度一直在減小【解析】選C。由題圖可知,物體所受的合力先減小,后增大,故由牛頓第二定律可知,物體的加速度先減小后增大;由于物體所受合力與其初速度始終共線,且由圖可知合力始終大于零,故整個運動過程中加速度方向始終與物體的初速度方向一致,物體的速度一直在增

16、大;所以,選項C正確,選項A、B、D錯誤?！咀兪接柧殹?.關(guān)于速度、加速度和力的說法,正確的是()A.當物體速度為零時,所受合外力不一定為零B.當物體所受合外力不變時,運動狀態(tài)一定不變C.加速度大小不斷變小,速度大小也一定不斷變小D.加速度方向保持不變,速度方向也一定保持不變【解析】選A。加速度大小與速度大小無直接關(guān)系,物體速度為零時,合外力不一定為零,選項A正確;加速度大小不斷變小,速度大小不一定減小,如加速度減小的加速直線運動,故選項C錯誤;當合外力不變時,加速度不變,速度變化,如勻加速直線運動,故選項B錯誤;當物體先做減速運動,速度為零后再反向加速時加速度方向不變,但速度方向發(fā)生了變化,

17、故選項D錯誤。2.以初速度v0豎直向上拋出一個小球,小球所受的空氣阻力與速度大小成正比,從拋出到落地小球運動的v -t圖是下面哪一個()【解析】選A。上升階段,小球所受空氣阻力隨小球速度的減小而減小。小球所受合力F=G+Ff,合力越來越小,所以上升階段小球的加速度越來越小。下降階段,小球所受空氣阻力隨小球速度的增大而增大,小球所受合力F=G-Ff,合力越來越小,所以下降階段小球的加速度也越來越小。v -t圖像中,只有A項所表示的運動加速度越來越小,A項正確?！舅仞B(yǎng)升華】關(guān)于力和運動類問題的處理思路(1)運動狀態(tài)決定因素：物體的運動狀態(tài)取決于物體的初速度和物體的受力情況,當物體的受力情況發(fā)生變化

18、時,物體的運動狀態(tài)也會隨之發(fā)生變化。(2)解題思路：分析物體的受力情況求合力由牛頓第二定律求物體的加速度將初速度與加速度相結(jié)合判斷物體速度的變化情況。 三、牛頓第二定律的應(yīng)用 規(guī)律方法1.應(yīng)用牛頓第二定律解題的一般步驟：(1)確定研究對象。(2)進行受力分析和運動狀態(tài)分析,畫出受力分析圖,明確運動性質(zhì)和運動過程。(3)求出合力或加速度。(4)根據(jù)牛頓第二定律列方程求解。2.兩種求加速度的方法：(1)矢量合成法：若物體只受兩個力作用,應(yīng)用平行四邊形定則求這兩個力的合力,再由牛頓第二定律求出物體的加速度的大小及方向。加速度的方向就是物體所受合力的方向。反之,若知道加速度的方向也可應(yīng)用牛頓第二定律求

19、物體所受的合力的方向。(2)正交分解法：當物體受多個力作用時,常用正交分解法求物體的合外力,再應(yīng)用牛頓第二定律求加速度。在實際應(yīng)用中常將受力分解,且將加速度所在的方向選為x軸或y軸,有時也可分解加速度,即 。xxyyFmaFma【微思考】(1)在應(yīng)用牛頓第二定律解題時,除了分析物體的受力情況外,還需要考慮物體對其他物體的施力情況嗎?提示：不需要。牛頓第二定律中的“F”是物體受到的其他物體對它的作用力,而不是此物體對其他物體的作用力。(2)在應(yīng)用公式F=ma進行計算時,若F的單位用牛頓(N),m的單位用克(g)是否可以?提示：不可以。公式中的各量必須用國際單位。若不然,公式中的比例系數(shù)就不再等于

20、1。【題組通關(guān)】【示范題】如圖所示,一個質(zhì)量m=2kg的物體置于水平面上,在F=10N的水平力作用下,由靜止開始沿水平面做勻加速直線運動,它與水平面之間的動摩擦因數(shù)為0.2,則物體運動的加速度是多大? 4s內(nèi)通過的距離是多少?(g取10m/s2)【解題探究】(1)在前進過程中,物體受到幾個力的作用?提示：對物體受力分析可知,物體受到重力、支持力、拉力和摩擦力4個力的作用。(2)物體所受的合力怎樣計算?提示：F合=F-Ff=F-FN=F-mg。(3)怎樣計算物體4s內(nèi)通過的距離?提示：利用勻變速直線運動位移與時間的關(guān)系x= at2。12【規(guī)范解答】對物體進行受力分析,如圖所示。在豎直方向上,FN

21、=mg=210N=20N所以,Ff=FN=0.220N=4N在水平方向上,由牛頓第二定律可得：F合=F-Ff=ma代入數(shù)據(jù)解得：a=3m/s2物體的位移x= at2= 342m=24m答案：3m/s224m1212【通關(guān)1+1】 1.(拓展延伸)【示范題】中,若將拉力F的方向改為斜向右上與水平方向成37角,則物體的加速度和4s內(nèi)通過的距離又是多少?(g取10m/s2,sin37=0.6,cos37=0.8)【解析】對物體進行受力分析,并建立如圖所示直角坐標系。在y軸方向上合力為零,故FN+Fy=mg所以,FN=mg-Fy=210N-10sin37N=14N所以,Ff=FN=0.214N=2.8

22、N在x軸方向上,由牛頓第二定律可得：F合=Fx-Ff=ma代入數(shù)據(jù)解得：a=2.6m/s2物體的位移x= at2= 2.642m=20.8m答案：2.6m/s220.8m12122.如圖所示,底板光滑的小車上用兩個量程為20N,完全相同的彈簧測力計甲和乙系住一個質(zhì)量為1kg的物塊。在水平地面上,當小車做勻速直線運動時,兩彈簧測力計的示數(shù)均為10N,當小車做勻加速直線運動時,彈簧測力計甲的示數(shù)變?yōu)?N,這時小車運動的加速度大小是()A.2m/s2 B.4m/s2C.6m/s2 D.8m/s2【解析】選B。當彈簧測力計甲的示數(shù)變?yōu)?N時,彈簧測力計乙的示數(shù)變?yōu)?2N,這時物塊所受的合力為4N。由牛

23、頓第二定律F=ma得物塊的加速度a= =4m/s2,故選項B正確。Fm【變式訓練】1.一輛小車在水平地面上沿直線行駛,在車廂上懸掛的擺球相對小車靜止,其懸線與豎直方向成角,如圖所示。問小車的加速度多大,方向怎樣?【解析】解法一(利用合成法求解)：擺球的受力情況如圖甲所示：由圖甲可知,F合=mgtan,所以加速度a= =gtan,方向水平向左。解法二(利用正交分解法求解)：擺球的受力情況如圖乙所示,由牛頓第二定律得：Fsin=ma Fcos-mg=0 由得a=gtan,方向水平向左。答案：gtan方向水平向左Fm合2.一個質(zhì)量m=2kg的木塊,放在光滑水平桌面上,受到三個大小均為F=10N、與桌

24、面平行、互成120角的拉力作用,則木塊的加速度多大?若把其中一個力反向,木塊的加速度大小又為多少?【解析】由于同一平面內(nèi)、大小相等、互成120角的三個力的合力等于零,所以木塊的加速度a=0。木塊受到三個力作用平衡時,其中任何兩個力的合力必與第三個力等大反向。如果把某一個力反向,則木塊所受的合力F合=2F=20N,所以其加速度為a= m/s2=10m/s2,方向與反向后的這個力方向相同。答案：010m/s2F20m2合【素養(yǎng)升華】應(yīng)用牛頓第二定律應(yīng)注意的三個問題(1)要注意分析物體的受力情況和運動情況,而加速度是聯(lián)系受力情況和運動情況的橋梁。(2)使用公式F=ma時,F、m、a三個物理量的單位必

25、須采用統(tǒng)一的國際單位,否則公式中比例系數(shù)k不等于1。(3)對于多個物體組成的系統(tǒng),若各個物體加速度相同,則可以看作一個整體來應(yīng)用牛頓第二定律,否則不能看成一個整體。 【資源平臺】備選角度：牛頓第二定律與圖像結(jié)合問題【示范題】(多選)如圖甲所示,在粗糙水平面上,物塊A在水平向右的外力F的作用下做直線運動,其速度時間圖像如圖乙所示,下列判斷正確的是()A.在01s內(nèi),外力F不斷增大B.在13s內(nèi),外力F的大小恒定C.在34s內(nèi),外力F不斷減小D.在34s內(nèi),外力F的大小恒定【標準解答】選B、C。在01s內(nèi),物塊做勻加速直線運動,外力F恒定,故A錯;在13s內(nèi),物塊做勻速運動,外力F也恒定,B正確;

26、在34s內(nèi),物塊做加速度逐漸增大的減速運動,所以外力F不斷減小,C正確,D錯。不同模型瞬時加速度的求法辨析物體在某時刻的瞬時加速度由合力決定,當物體受力發(fā)生變化時,其加速度同時發(fā)生變化。這類問題常會遇到輕繩、輕桿、輕彈簧、橡皮條等模型。全面準確地理解它們的特點,可幫助我們靈活正確地分析問題。(1)它們的共同點：質(zhì)量忽略不計,都因發(fā)生彈性形變產(chǎn)生彈力,同時刻內(nèi)部彈力處處相等且與運動狀態(tài)無關(guān)。(2)它們的不同點：彈力表現(xiàn)形式彈力表現(xiàn)形式彈力方向彈力方向彈力能否突變彈力能否突變輕繩輕繩拉力拉力沿繩收縮方向沿繩收縮方向能能輕桿輕桿拉力、支持力拉力、支持力不確定不確定能能輕彈簧輕彈簧拉力、支持力拉力、支

27、持力沿彈簧軸線沿彈簧軸線不能不能橡皮條橡皮條拉力拉力沿橡皮條收縮方向沿橡皮條收縮方向不能不能【案例展示】(多選)如圖所示,質(zhì)量為m的球與彈簧和水平細線相連,、的另一端分別固定于P、Q。球靜止時,中拉力大小 ,中拉力大小 ,當僅剪斷、中的一根的瞬間,球的加速度a應(yīng)是()A.若剪斷,則a=g,豎直向下B.若剪斷,則a= ,方向水平向左C.若剪斷,則a= ,方向沿的延長線D.若剪斷,則a=g,豎直向上1TF2TF2TFm1TFm【精講精析】選A、B。若剪斷時,水平繩的拉力瞬間消失,小球只受到重力的作用,由牛頓第二定律得小球加速度a=g,方向豎直向下;若剪斷,彈簧的彈力不會馬上消失,這時小球受到重力和彈簧彈力的作用,合力的方向水平向左,大小為 ,由牛頓第二定律得小球加速度a= ,方向水平向左,故選項A、B正確。2TF2TFm【易錯分析】本題易錯選項及錯誤原因分析如下：易錯選項易錯選項錯誤原因錯誤原因B B誤認為水平細線誤認為水平細線斷開時斷開時, ,彈簧彈簧對小球的拉力會對小球的拉力會發(fā)生變化發(fā)生變化, ,變化量無法確定變化量無法確定, ,漏選漏選B B。C C誤認為當彈簧誤認為當彈簧斷開時斷開時, ,水平細線水平細線對球的拉力依對球的拉力依