河南省2021高考物理讲义第1讲 牛顿运动定律

第1讲 牛顿运动定律
考 纲 点 击
备 考 指 南
1.牛顿运动定律、牛顿定律的应用Ⅱ 1.理解牛顿第一定律、牛顿第三定律，认识惯性和作用力、反作用力的特点．
2.熟练掌握牛顿第二定律，会用牛顿运动定
律分析解决两类典型的动力学问题． 3.综合应用匀变速直线运动的规律及运动图象、运动和力的关系、牛顿运动定律进行受力分析、运动过程分析．
4.本章是中学物理的基本规律和核心知识，在整个物理学中占有非常重要的地位，仍将为高考命题的重点和热点，考查和要求的程度往往层次较高.
2.超重和失重
3.单位制Ⅰ
实验四：验证牛顿运动定律
知识一 牛顿第必然律
1．内容
一切物体总维持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态． 2．物理意义
(1)揭露了物体在不受外力或受合外力为零时的运动规律．
(2)提出了一切物体都具有惯性，即维持原先运动状态(静止或匀速直线运动)的特性．因此牛顿第必然律又称为惯性定律．
(3)揭露了力与运动的关系，说明力不是维持物体运动的缘故，而是改变物体运动状态的缘故． 3．惯性
(1)概念：物体维持原先的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫惯性． (2)量度
质量是物体惯性大小的唯一量度．物体的质量越大，惯性越大；物体的质量越小，惯性越小．
(3)表现形式
①物体不受外力或所受的合外力为零时，惯性表现为物体维持匀速直线运动状态或静止状态．
②物体受到外力时，惯性表现为物体运动状态改变的难易程度．惯性越大，物体的运动状态越难改变．
(1)牛顿第必然律是由实验直接总结出来的．(×)
(2)物体在不受外力作历时必然处于静止状态．(×)
(3)运动的物体惯性大，静止的物体惯性小．(×)
知识二牛顿第二定律
1．内容
物体加速度的大小跟它受到的作使劲成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作使劲的方向相同．2．公式：F＝ma.
3．物理意义
反映了物体运动的加速度与外力的关系，且这种关系是瞬时对应的．
4．适用范围：宏观物体、低速运动．
5．单位制
(1)单位制由大体单位和导出单位一起组成．
(2)在力学中，选出长度、质量和时刻．三个物理量的单位为大体单位，在国际单位制中别离为米、千克、秒．
(3)加速度和力的单位为导出单位，在国际单位制中的符号为m/s2和N.
(1)物体由于做加速运动，因此才受外力作用．(×)
(2)牛顿第二定律适用于一切运动物体．(×)
(3)力的单位“牛顿”是大体单位．(×)
知识三牛顿第三定律
1．作使劲和反作使劲
两个物体之间的作用老是彼此的．一个物体对另一个物体施加了力．另一个物体必然同时对这一个物体也施加了力．
2．牛顿第三定律
(1)内容：两个物体之间的作使劲和反作使劲老是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上．
(2)表达式：F＝－F′.
(1)作使劲与反作使劲能够作用在同一物体上．(×)
(2)作使劲与反作使劲能够是不同性质的力．(×)
(3)人走在松软的土地上下陷时，人对地面的压力大于地面对人的支持力．(×)
1．(多项选择)伽利略依照小球在斜面上运动的实验和理想实验，提出了惯性的概念，从而奠定了牛顿力学的基础．初期物理学家关于惯性有以下说法，其中正确的选项是( )
A．物体抗击运动状态转变的性质是惯性
B．没有力的作用，物体只能处于静止状态
C．行星在圆周轨道上维持匀速度运动的性质是惯性
D．运动物体若是没有受到力的作用，将继续以同一速度沿同一直线运动
【解析】物体的惯性指物体本身要维持原先运动状态不变的性质，或说是物体抗击运动状态转变的性质，选项A正确；没有力的作用，物体将维持静止状态或匀速直线运动状态，选项B错误；行星在圆周轨道上做匀速圆周运动，而惯性是指物体维持静止或匀速直线运动的状态，选项C错误；运动物体若是没有受到力的作用，依照牛顿第必然律可知，物体将继续以同一速度沿同一直线一直运动下去，选项D正确．【答案】AD
2．在日常生活中，小巧美观的冰箱贴利用普遍．一磁性冰箱贴贴在冰箱的竖直表面上静止不动时，它受到的磁力( )
A．小于受到的弹力
B．大于受到的弹力
C．和受到的弹力是一对作使劲与反作使劲
D．和受到的弹力是一对平稳力
【解析】因磁性冰箱贴静止不动，在水平方向上受到两个力：磁力与弹力，应为平稳力，因此D正确，A、B、C错误．
【答案】D
3.
图3－1－1
建筑工人用如图3－1－1所示的定滑轮装置输送建筑材料．质量为70.0 kg的建筑工人站在地面上，通过定滑轮将20.0 kg的建筑材料以0.5 m/s2的加速度提升，忽略绳索和定滑轮的质量及定滑轮的摩擦，那么建筑工人对地面的压力大小为(g取10 m/s2)( )
A．510 N B．490 N
C．890 N D．910 N
【解析】设建筑材料的质量为m，加速度的大小为a，对建筑材料由牛顿第二定律得F－mg＝ma，解得F＝210 N.
设地面对建筑工人的支持力为F N，建筑工人的质量为M，对建筑工人由平稳条件得F N＋F＝Mg，解得F N＝490 N.
依照牛顿第三定律可得建筑工人对地面的压力大小为F N′＝F N＝490 N，B正确．
【答案】B
4．(多项选择)(2021·山东高考)伽利略开辟了实验研究和逻辑推理相结合探讨自然规律的科学方式，利用这种方式伽利略发觉的规律有( )
A．力不是维持物体运动的缘故
B．物体之间普遍存在彼此吸引力
C．忽略空气阻力，重物与轻物下落得一样快
D．物体间的彼此作使劲老是大小相等、方向相反
【解析】伽利略通过实验研究和逻辑推理取得了力不是维持物体运动的缘故及在忽略空气阻力时，轻、重物体下落一样快，都做自由落体运动，而B选项考查的是万有引力定律，D选项是牛顿第三定律，因此只有选项A、C正确．
【答案】AC
5．(2021·海南高考)依照牛顿第二定律，以下表达正确的选项是( )
A．物体加速度的大小跟它的质量和速度大小的乘积成反比
B．物体所受合力必需达到必然值时，才能使物体产生加速度
C．物体加速度的大小跟它所受作使劲中的任一个的大小成正比
D．当物体质量改变但其所受合力的水平分力不变时，物体水平加速度大小与其质量成反比
【解析】依照牛顿第二定律a＝F
m可知物体的加速度与速度无关，因此A错；即便合力很小，也能使物
体产生加速度，因此B错；物体加速度的大小与物体所受的合力成正比，因此C错；力和加速度为矢量，物体的加速度与质量成反比，因此D正确．
【答案】D
考点一[16] 对牛顿第必然律的明白得
一、明确了惯性的概念
牛顿第必然律揭露物体所具有的一个重要属性——惯性，即物体老是维持原有运动状态不变的一种性质．
二、揭露了力的本质
牛顿第必然律明确了力是改变物体运动状态的缘故，而不是维持物体运动的缘故，物体的运动不需要力来维持．
三、揭露了物体不受力作历时的运动状态
实际中不受外力作用的物体是不存在的，当物体受外力但受合力为零时，其运动成效跟不受外力作历时相同，物体将维持静止或匀速直线运动状态．第三章牛顿运动定律
——————[1个示范例]——————
以下关于牛顿第必然律和惯性概念的说法中，正确的选项是( )
A．牛顿第必然律说明，只有不受外力的物体才维持匀速直线运动状态或静止状态
B．物体运动状态发生转变那么物体必然受到力的作用
C．惯性定律与惯性的实质是相同的
D．物体的运动不需要力来维持，但物体的运动速度越大时其惯性也越大
【解析】当物体所受的合力为零时，物体也能够处于匀速直线运动状态或静止状态，故A项错误．由牛顿第必然律可知，力是改变物体运动状态的缘故，故B项正确．惯性是物体维持原有运动状态不变的一种性质，惯性定律(即牛顿第必然律)那么反映物体在必然条件下的运动规律，C项错误．尽管物体的运动不需要力来维持，但物体的惯性与运动速度大小无关，D项错误．
【答案】B
——————[1个预测例]——————
以下关于惯性的各类说法中，你以为正确的选项是( )
A．抛出去的标枪、手榴弹等是靠惯性向远处运动的
B．在完全失重的情形下，物体的惯性将消失
C．把手中的球由静止释放后，球能竖直加速下落，说明力是改变物体惯性的缘故
D．材料不同的两个物体放在地面上，用一个相同的水平力别离推它们，那么难以推动的物体惯性大【解析】质量是惯性大小的量度，一切物体都具有惯性，惯性与物体的受力情形无关，与物体的运动状态无关，综上所述，只有选项A正确．
【答案】A
考点二[17] 对牛顿第二定律的明白得
一、牛顿第二定律的4个特性
矢量
性
F＝ma是矢量式，a与F方向相同
瞬时性a与F对应同一时刻，即a为某时刻的加速度时，F为该时刻物体所受合力
因果
性
F是产生a的原因，物体具有加速度是因为物体受到了力
独立性1.作用于物体上的每一个力各自产生的加速度都遵从牛顿第二定律
2.物体的实际加速度等于每个力产生的加速度的矢量和
3.分力和加速度在各个方向上的分量也遵从牛顿第二定律，即：F x＝ma x，F y＝ma y
二、瞬时加速度问题1．一样思路
分析物体该时的受力情况→
由牛顿第二
定律列方程
→瞬时加速度
2．两种模型
(1)刚性绳(或接触面)模型：一种不发生明显形变就能够产生弹力的物体，剪断(或离开)后，弹力当即改变或消失，不需要形变恢复时刻，一样题目中所给的细线、轻杆和接触面在不加特殊说明时，都可按此模型处置．
(2)弹簧(或橡皮绳)模型：当弹簧的两头与物体相连(即两头为固定端)时，由于物体有惯性，弹簧的长度可不能发生突变，因此在瞬时问题中，其弹力的大小以为是不变的，即现在弹簧的弹力不突变．
——————[1个示范例]—————— 图3－1－2
(2021·保定一中质检)如图3－1－2所示，质量为m 的球与弹簧Ⅰ和水平细线Ⅱ相连，Ⅰ、Ⅱ的另一端别离固定于P 、Q .球静止时，Ⅰ中拉力大小T 1，Ⅱ中拉力大小T 2，当仅剪断Ⅰ、Ⅱ中的一根的刹时，球的加速度a 应是( )
A ．假设剪断Ⅰ，那么a ＝g ，方向水平向右
B ．假设剪断Ⅱ，那么a ＝T 2m
，方向水平向左
C ．假设剪断Ⅰ，那么a ＝T 1m
，方向沿Ⅰ的延长线
D ．假设剪断Ⅱ，那么a ＝g ，方向竖直向上
【解析】 因为球与弹簧Ⅰ和水平细线Ⅱ相连处于平稳状态，弹簧的弹力刹时可不能发生突然转变，而绳索的弹力会发生突然转变，因此假设剪断Ⅱ时弹力和重力的合力大小仍然是T 2，加速度是a ＝T 2m
.假设剪断Ⅰ
时加速度是a ＝g ，方向竖直向下．
【答案】 B
在求解瞬时性问题时应注意：
(1)物体的受力情形和运动情形是时刻对应的，当外界因素发生转变时，需要从头进行受力分析和运动分析．
(2)加速度能够随着力的突变而突变，而速度的转变需要一个进程的积存，可不能发生突变． ——————[1个预测例]—————— 图3－1－3
如图3－1－3所示，物块一、2间用刚性轻质杆连接，物块3、4间用轻质弹簧相连，物块一、3质量为
m,二、4质量为M ，两个系统均置于水平放置的滑腻木板上，并处于静止状态．现将两木板沿水平方向突然
抽出，设抽出后的刹时，物块一、二、3、4的加速度大小别离为a 1、a 2、a 3、a 4.重力加速度大小为g ，那么有( )
A ．a 1＝a 2＝a 3＝a 4＝0
B ．a 1＝a 2＝a 3＝a 4＝g
C ．a 1＝a 2＝g ，a 3＝0，a 4＝m ＋M
M
g
D ．a 1＝g ，a 2＝m ＋M M g ，a 3＝0，a 4＝m ＋M
M
g
【审题指导】 (1)注意两物块之间连接物的特点． (2)滑腻木板突然抽出，两个系统在水平方向均不受力．
【解析】 在抽出木板的瞬时，物块一、2与刚性轻杆接触处的形变当即消失，受到的合力均等于各自重力，因此由牛顿第二定律知a 1＝a 2＝g ；而物块3、4间的轻弹簧的形变还来不及改变，现在弹簧对3向上的弹力大小和对物块4向下的弹力大小仍为mg ，因此物块3知足mg ＝F ，a 3＝0；由牛顿第二定律得物块4知足a 4＝
F ＋Mg M ＝M ＋m
M
g ，因此C 对． 【答案】 C
考点三 [18] 对牛顿第三定律的明白得及应用
一、作使劲与反作使劲的“三同、三异、三无关” 1．“三同”
(1)大小相同；(2)性质相同；(3)转变情形相同． 2．“三异”
(1)方向不同；(2)受力物体不同；(3)产生成效不同． 3．“三无关”
(1)与物体的种类无关；(2)与物体的运动状态无关；(3)与是不是和另外物体彼此作用无关． 二、彼此作使劲与平稳力的比较
1．受力物体不同：作使劲和反作使劲作用在两个物体上，不可求合力．一对平稳力作用在同一物体上，可求合力，合力为零．
2．依托关系不同：作使劲和反作使劲同时产生、同时消失．一对平稳力不必然同时产生、同时消失． 3．力的性质不同：作使劲和反作使劲必然是同性质的力，一对平稳力性质不必然相同． ——————[1个示范例]——————
(2021·武钢二中模拟)用一根轻质弹簧竖直悬挂一小球，小球和弹簧的受力如下图，下球和弹簧的
受力如图3－1－4所示，以下说法正确的选项是( )
图3－1－4
A ．F 1的施力物体是弹簧
B ．F 2的反作使劲是F 3
C ．F 3的施力物体是地球
D ．F 4的反作使劲是F 1 【答案】 B
——————[1个预测例]—————— 图3－1－5
如图3－1－5所示，甲、乙两人在冰面上“拔河”．两人中间位置处有一分界限，约定先使对方过度界限者为赢．假设绳索质量不计，冰面可看成滑腻，那么以下说法正确的选项是( )
A ．甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平稳力
B ．甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作使劲与反作使劲
C ．假设甲的质量比乙大，那么甲能博得“拔河”竞赛的成功
D ．假设乙收绳的速度比甲快，那么乙能博得“拔河”竞赛的成功 【审题指导】 (1)绳索质量不计，甲、乙两人所受绳的拉力大小相等． (2)地面滑腻，两人在水平方向只受绳的拉力．
【解析】 甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对作使劲与反作使劲，应选项A 错误．甲对绳的拉力与乙对绳的拉力作用在同一物体上，不是作使劲与反作用力，应选项B 错误．设绳索的张力为F ，那么甲、乙两人受到绳索的拉力大小相等，均为F ，假设m 甲>m 乙，那么由a ＝F
m 得，a 甲<a 乙，由x ＝1
2at 2得，在相等时刻
内甲的位移小，因开始时甲、乙距分界限的距离相等，那么乙会过度界限，因此甲能博得“拔河”竞赛的成功，应选项C 正确．收绳速度与“拔河”竞赛输赢无关，应选项D 错误．
【答案】 C
应用牛顿定律解题——巧用合成法与正交分解法
一、合成法
假设物体只受两个力作用而产生加速度时，依照牛顿第二定律可知，利用平行四边形定那么求出的两个力的合外力方向确实是加速度方向．专门是两个力相互垂直或相等时，应使劲的合成法比较简单．
二、正交分解法
当物体受到两个以上的力作用而产生加速度时，通常采纳正交分解法解题，为减少矢量的分解，成立坐标系时，确信x轴的正方向常有以下两种方式：
1．分解力而不分解加速度
分解力而不分解加速度，通常以加速度a的方向为x轴的正方向，成立直角坐标系，将物体所受的各个力分解在x轴和y轴上，别离求得x轴和y轴上的合力F x和F y.依照力的独立作用原理，各个方向上的力别离产生各自的加速度，得F x＝ma，F y＝0.
2．分解加速度而不分解力
分解加速度a为a x和a y，依照牛顿第二定律得F x＝ma x，F y＝ma y，再求解．这种方式一样是在以某个力的方向为x轴正方向时，其他的力都落在或大多数力落在两个坐标轴上而不需再分解的情形下应用．【标准解答】箱匀加速上升，木块所受合力竖直向上，其受力情形如图甲所示(注意在受力图的隔壁标出加速度的方向)．用F表示F1、F2的合力，必然竖直向上．
由牛顿第二定律得F－mg＝ma①
解得F＝mg＋ma②
再由力的分解得F1＝F sin θ和F2＝F cos θ③
解得F1＝m(g＋a)sin θ，F2＝m(g＋a)cos θ.④
箱向左匀加速，木块的受力情形如图乙所示，选择沿斜面方向和垂直于斜面方向成立直角坐标系，沿x 轴由牛顿第二定律得
mg sin θ－F1＝ma cos θ⑤
解得F1＝m(g sin θ－a cos θ)⑥
沿y轴由牛顿第二定律得
F2－mg cos θ＝ma sin θ⑦
解得F2＝m(g cos θ＋a sin θ)．⑧
【答案】向上加速时F1＝m(g＋a)sin θF2＝m(g＋a)cos θ
向左加速时F1＝m(g sin θ－a cos θ) F2＝m(g cos θ＋a sin θ)
图3－1－7
(2021·上海高考)如图3－1－7，将质量m＝0.1 kg的圆环套在固定的水平直杆上．环的直径略大于杆的截面直径．环与杆间动摩擦因数μ＝0.8.对环施加一名于竖直平面内斜向上，与杆夹角θ＝53°的拉力F，
使圆环以a＝4.4 m/s2的加速度沿杆运动，求F的大小．(取sin 53°＝0.8，cos 53°＝0.6，g＝10 m/s2)【解析】
甲
令F sin 53°－mg＝0，F＝1.25 N.
当F＜1.25 N时，环与杆的上部接触，受力如图甲．由牛顿定律得
F cos θ－μF N＝ma，F N＋F sin θ＝mg，解得F＝1 N
乙
当F＞1.25 N时，环与杆的下部接触，受力如图乙．由牛顿定律得
F cos θ－μF N＝ma
F sin θ＝mg＋F N
解得F＝9 N.
【答案】 1 N或9 N
⊙牛顿第必然律的应用
1．(多项选择)
图3－1－8
在水平路面上有一辆匀速行驶的小车，车上固定一盛满水的碗．现突然发觉碗中的水洒出，水洒出的情形如图3－1－8所示，那么关于小车的运动情形，以下表达正确的选项是( )
A．小车匀速向左运动B．小车可能突然向左加速
C．小车可能突然向左减速D．小车可能突然向右减速
【解析】原先水和小车相对静止以一起速度运动，水突然向右洒出有两种可能：①原先小车向左运动，突然加速，碗中水由于惯性维持原速度不变，故相对碗向右洒出．②原先小车向右运动，突然减速，碗中水由于惯性维持原速度不变，相对碗向右洒出，故B、D正确．
【答案】BD
⊙正交分解法的应用
图3－1－9
2．(2021·安徽高考)如图3－1－9所示，细线的一端系一质量为m的小球，另一端固定在倾角为θ的滑腻斜面体顶端，细线与斜面平行．在斜面体以加速度a水平向右做匀加速直线运动的进程中，小球始终静止在斜面上，小球受到细线的拉力T和斜面的支持力F N别离为(重力加速度为g)( )
A．T＝m(g sin θ＋a cos θ) F N＝m(g cos θ－a sin θ)
B．T＝m(g cos θ＋a sin θ) F N＝m(g sin θ－a cos θ)
C．T＝m(a cos θ－g sin θ) F N＝m(g cos θ＋a sin θ)
D．T＝m(a sin θ－g cos θ) F N＝m(g sin θ＋a cos θ)
【解析】准确分析受力情形，分解加速度是比较简便的求解方式．选小球为研究对象，小球受重力mg、拉力T和支持力F N三个力作用，将加速度a沿斜面和垂直于斜面两个方向分解，如下图．由牛顿第二定律得T－mg sin θ＝ma cos θ①
mg cos θ－F N＝ma sin θ②
由①式得T＝m(g sin θ＋a cos θ)．
由②式得F N＝m(g cos θ－a sin θ)．应选项A正确．
【答案】A
⊙牛顿第二定律与图象问题的综合
3．(2021·新课标全国卷Ⅱ)一物块静止在粗糙的水平桌面上．从某时刻开始，物块受到一方向不变的水平拉力作用．假设物块与桌面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力．以a表示物块的加速度大小，F表示水平拉力的大小．能正确描述F与a之间关系的图象是( )
【解析】静摩擦力随外力而改变，当外力大于最大静摩擦力时，物体才产生加速度，可利用牛顿第二定律列方程求解．物块受到拉力和摩擦力作用，依照牛顿第二定律F－μmg＝ma，当F≤F fmax时，a＝0；当F>F fmax 时，a与F成一次函数关系，选项C正确．
【答案】C
⊙瞬时加速度问题
4．(2020·北京高考)“蹦极”确实是跳跃者把一端固定的长弹性绳绑在踝关节等处，从几十米高处跳下的一种极限运动．某人做蹦极运动，所受绳索拉力F的大小随时刻t转变的情形如图3－1－10所示．将蹦极进程近似为在竖直方向的运动，重力加速度为g.据图可知，这人在蹦极进程中最大加速度约为( )图3－1－10
A．g B．2g C．3g D．4g
【解析】“蹦极”运动的最终结果是运动员悬在空中处于静止状态，现在绳的拉力等于运动员的重力，
由图可知，绳索拉力最终趋于恒按时等于重力且等于3
5
F0，即mg＝
3
5
F0，得F0＝
5
3
mg.当绳索拉力最大时，运
动员处于最低点且合力最大，故加速度也最大，现在F 最大＝95
F 0＝3mg ，方向竖直向上，由ma ＝F 最大－mg 得最大加速度为2g ，故B 项正确．
【答案】 B
⊙牛顿第二、三定律的综合应用
5.
图3－1－11
如图3－1－11所示为杂技“顶竿”演出的示用意，一人站在地上，肩上扛一质量为M 的竖直竹竿，当竿上一质量为m 的人以加速度a 加速下滑时，竿对“底人”的压力大小为( )
A ．(M ＋m )g
B ．(M ＋m )g －ma
C ．(M ＋m )g ＋ma
D ．(M －m )g
【解析】 对竿上的人进行受力分析：其受重力mg 、摩擦力F f ，有mg －F f ＝ma ，那么F f ＝m (g －a )．竿对人有摩擦力，人对竿也有反作使劲——摩擦力，且大小相等，方向相反．对竿进行受力分析：其受重力Mg 、竿上的人对竿向下的摩擦力F ′f 、顶竿的人对竿的支持力F N ，有Mg ＋F ′f ＝F N ，又因为竿对“底人”的压力和“底人”对竿的支持力是一对作使劲和反作使劲，由牛顿第三定律，取得F ′N ＝Mg ＋F ′f ＝(M ＋m )g －ma .应选项B 正确．
【答案】 B。