第五节 牛顿运动定律

第五节 牛顿运动定律
一、牛顿第一定律 二、牛顿第二定律 三、牛顿第三定律
一、牛顿第一定律
长期以来，人们在研究物体运动的原因时，根据直觉认为，要使一个物 体运动，必须推或拉它。当不再推或拉时，运动的物体便会停下。
根据这类经验，在公元前4世纪，古希腊的哲学家亚里士多德得出结论： 必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就保持静止。 由于这一论断符合人们的常识，以至在其后的两千年里，大家都奉为经典。
由货物的受力分析，可知
三、牛顿第三定律
初中我们学过，力是物体间的相互作用。两个物体之间的作用总是相 互的，一个物体对另一个物体有力的作用，后一个物体一定同时对前一个 物体有力的作用。物体间相互作用的这一对力，通常叫做作用力和反作用 力。我们把其中的一个力叫做作用力，另一个力就叫做反作用力。 演示实验（点击以下画面可播放）
二、牛顿第二定律
牛顿第一定律告诉我们，物体如果不受外力，它将保持原来的运动状 态。由此可以知道，如果物体受到外力作用，物体的运动状态必将改变。 列车出站时，在机车牵引力的作用下，由静止开始运动，并且速度不 断增大；列车进站时，由于受到阻力的作用，速度不断减小，最后停止下来； 抛出的铅球、射出的炮弹，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不断 发生改变，做曲线运动。可见，物体运动状态的改变，是由于受到了力的作 用，力是物体运动状态改变的原因。 物体运动状态发生改变时，物体具有加速度，所以，力是使物体产生加 速度的原因。 在匀变速直线运动中，加速度的大小与哪些因素有关呢？
F合 = ma
由牛顿第二定律可以看出，质量不同的物体，运动状态改变的难易程度 不同，或者说它们的惯性大小不同。在外力相同的情况下，质量大的物体获 得的加速度小，它的运动状态难改变，即惯性大；质量小的物体获得的加速 度大，它的运动状态容易改变，即惯性小。因此，质量是物体惯性的大小的 量度。 由于火车的质量巨大，要将高速火 车停下来是很困难的，需要很长的时间 和路程来减速，我国的高速列车甚至需 要2 km以上的距离来停止，所以，在列 车经过的路口采取提前禁行的措施是非 常必要的。
6. 分别用左右手的两根手指捏住一张平整的纸片的两端，慢慢用力， 你能将它同时撕成三块吗？如果在中间先撕开两个缺口呢？ 答：不能；也不能。
英国的物理学家牛顿在伽利略等人研究的基础 上，并根据自己的研究，系统地总结了力学的知识， 提出了三条运动定律，其中第一条定律的内容是： 一切物体总保持静止或匀速直线运动状态， 直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿 第一定律。 由于我们把物体总保持原来运动状态的性质叫做惯性。因此，牛顿第一 定律又叫做惯性定律。 正在行驶的汽车急刹车时，车上乘客 的下半身由于受到力的作用随车停止，而上 半身由于惯性还要以原来的速度前进，于是 乘客就会向前面倾倒。如果汽车在高速运行 时突然停止，汽车里的人就会由于惯性继续 向前冲，直至撞到方向盘或挡风玻璃上，造 成严重的伤害。因此，汽车的前排座位上通 常都要配置安全带，高级汽车中还有安全气 囊以保证乘车者的安全。
DIS实验室 用传感器研究作用力与反作用力
将DIS实验系统的两个力传感器分别与计算机连接好。先用手推、拉每个力 传感器的测量端，测量端受力的大小将实时地显示在计算机屏幕上。 用两只手分别握住两个力传感器，将它们的测量端连接在一起。当两只手 分别用力互拉时，两测量端受力的情况都实时地显示在屏幕上，如下图所示。
[例题1] 吊车要在10 s内将地面上的货物吊到10 m高处，货物的质量是 2.0×103 kg，假设货物被匀加速吊起，问吊车缆绳对货物的拉力是多少？ 分析 以货物为研究对象。货物匀加速向上运 动，可判断货物受到的合力向上。由货物的运动状 态和匀变速直线运动的规律，我们可以求出它的加 速度。再对货物进行受力分析，如右图所示，货物 受到两个力的作用：竖直向上的拉力F和竖直向下 的重力G，应用牛顿第二定律即可解出拉力的大小。
练习1-5 练习
1. 现代高级轿车中不但有安全带，还有安全气囊，请查阅资料，了解它 们的作用。 安全带的作用，是在发生碰撞时将人牢牢地固定在座位上，从而有效避 免或减轻巨大的惯性和冲力对驾乘者带来的伤害。安全气囊在碰撞前迅速在 车与人之间打开一个充满气体的气垫，缓和驾乘者受到的冲击并吸收碰撞能 量，进一步减轻对驾乘者的伤害。 安全气囊必须与安全带配合使用。如果碰撞之前没有系好安全带，瞬间 充气的安全气囊将与具有巨大向前惯性的驾乘者正面相撞，气囊快速膨胀所 发出的巨大冲击力，将重重地撞击驾乘者的头部及胸部，会对驾乘者造成很 大的伤害。
5. 马向前拉车时，车也向后拉马，这两个力大小相等，方向相反， 彼此平衡，合力为零，所以马无论如何也拉不动车。这种说法错在哪里？ 答：马向前拉车时，车也向后拉马，这两个力大小相等，方向相反。 但由于马拉车的力作用在车上，车拉马的力作用在马上，因此不能平衡， 不能抵消，而是各自产生各自的效果。 马向后蹬地，地向前推马，这就是马前进的动力F1。 F1 大于车拉马的 力F，因此马能前进；车受到马的拉力F’ 和地面的摩擦力F2 ，由于F’大于 F2 ，因此车也能前进。受力图如下所示。
2. “长征二号”捆帮式运载火箭是为了适应我国航天事业发展，由我 国的航天科学家自主研制成功的。它有4个助推器，起飞时有8台发动机点 火工作，推力达到5.92×106 N，火箭起飞质量为4.6×105 kg，则它的起飞 加速度最大是多少？ 答：3.1 m/s2。 3. 2007年4月18日我国铁路实施第六次大面积提速后，“和谐号”CRH系 列国产化动车组列车最高速度可达250 km/h。某动车组列车采用四节动车和四 节拖车固定编组形式，总质量3×105 kg，启动牵引力为2×105 N，受到的空 气阻力为8×104 N，假设在启动过程中牵引力、阻力都不变，问它启动时的加 速度是多少？ 答：0.4 m/s2。 4. 2008年9月25日晚9时10分许，中国自行研制的第三艘载人飞船神舟七 号，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场由“长征二号F”运载火箭发射升空。 点火第12 s时，火箭到达了距地面高度约为216 m处。假设其中一位航天员的 质量为80 kg，火箭升空时做匀变速直线运动，那么在此过程中，该航天员受 到的支持力为多少？ 答：1.0 ×103 N 。
1 s = v0 t + at 2 及 v0 = 0 ，得 解 由匀变速直线运动的位移公式 2
a= 2s 2 × 10 m／s 2 = 0.20m／s 2 = 2 2 t 10
F合＝F－G = ma F＝G + ma = mg + ma = (2.0×103×9.8 + 2.0×103×0.20) N = 2.0×104 N
当m一定时，
当F一定时，
ห้องสมุดไป่ตู้ 演示实验
加速度与物体受力、物体质量的关系
二 、加速度和质量的关系
一、加速度和力的关系
a∝F
质量相同的物体，物体的加 速度与其所受的力成正比。
1 a∝ m
在相同外力作用下，物体的加 速度与其质量成反比。
通过上述实验，我们可以得出如下结论：物体的加速度跟所受的外力成 正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟外力的方向相同。这就是牛顿 第二定律。 用数学公式表示为
直到16世纪末，意大利的伽利略对亚里士多德的 论断表示了怀疑。他注意到，当一个球沿斜面向下滚 动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。 他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不 增不减。
实际上伽利略发现，当球在水平面上滚动时，球的速度越来越慢，最后 停下来。伽利略认为，这是由于摩擦阻力的缘故，因为他还观察到，水平表 面越光滑，球便会滚得越远。于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚 下去。
大量实验证明：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等， 方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律。用公式可表示为： F = －F＇ 上式中，F、F＇ 分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向 相反。 作用力和反作用力总是成对出现，同时产生，同时消失。 作用力与反作用力总是同种性质的力。如：作用力是吸引力，反作 用力也一定是吸引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦 力，反作用力也是摩擦力。 作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上，各自产生各自的作 用效果，不能平衡，不能抵消。 人走路时，脚总是不断地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同 时，脚也受到了向前的摩擦力，从而使人向前运动；骑自行车时，人用力 地蹬踏使后轮转动，对地面产生向后的摩擦力，地面对后轮产生向前的摩 擦力，推动自行车前进；喷气式飞机的引擎与火箭动力系统的工作原理相 似，都是燃烧燃料并高速排放气体。