牛顿运动定律的应用(二)修订版讲义

牛顿运动定律应用（二）一、基础知识1、牛顿第一定律：一切物体总保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为止。

理解要点：（1）运动是物体的一种属性，物体的运动不需要力来维持；（2）它定性地揭示了运动与力的关系，即力是改变物体运动状态的原因，（运动状态指物体的速度）又根据加速度定义：tv a ∆∆=，有速度变化就一定有加速度，所以可以说：力是使物体产生加速度的原因。

（不能说“力是产生速度的原因”、“力是维持速度的原因”，也不能说“力是改变加速度的原因”。

）；（3）定律说明了任何物体都有一个极其重要的属性——惯性；一切物体都有保持原有运动状态的性质，这就是惯性。

惯性反映了物体运动状态改变的难易程度（惯性大的物体运动状态不容易改变）。

质量是物体惯性大小的量度。

（4）牛顿第一定律描述的是物体在不受任何外力时的状态。

而不受外力的物体是不存在的，牛顿第一定律不能用实验直接验证，但是建立在大量实验现象的基础之上，通过思维的逻辑推理而发现的。

它告诉了人们研究物理问题的另一种方法，即通过大量的实验现象，利用人的逻辑思维，从大量现象中寻找事物的规律；（5）牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础，物体不受外力和物体所受合外力为零是有区别的，所以不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F =0时的特例，牛顿第一定律定性地给出了力与运动的关系，牛顿第二定律定量地给出力与运动的关系。

2、牛顿第二定律：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。

公式F=ma. 理解要点：（1）牛顿第二定律定量揭示了力与运动的因果关系，即知道了力，可根据牛顿第二定律研究其效果，分析出物体的运动规律；反过来，知道了运动，可根据牛顿第二定律研究其受力情况，为设计运动，控制运动提供了理论基础；（2）牛顿第二定律揭示的是力的瞬时效果，牛顿第二定律是表示力的瞬时作用规律，描述的是力的瞬时作用效果—产生加速度。

物体在某一时刻加速度的大小和方向，是由该物体在这一时刻所受到的合外力的大小和方向来决定的。

当物体所受到的合外力发生变化时，它的加速度随即也要发生变化，F=ma 对运动过程的每一瞬间成立，加速度与力是同一时刻的对应量，即同时产生、同时变化、同时消失。

注意力的瞬时效果是加速度而不是速度；（3）牛顿第二定律是矢量关系，牛顿第二定律F=ma 是矢量式，加速度的方向总是和合外力的方向相同，可以用分量式表示，F x =ma x ,F y =ma y , 若F 为物体受的合外力，那么a 表示物体的实际加速度；若F 为物体受的某一个方向上的所有力的合力，那么a 表示物体在该方向上的分加速度；若F 为物体受的若干力中的某一个力，那么a 仅表示该力产生的加速度，不是物体的实际加速度。

（4）独立性：当物体受到几个力的作用时，各力将独立地产生与其对应的加速度（力的独立作用原理），而物体表现出来的实际加速度是物体所受各力产生加速度叠加的结果。

那个方向的力就产生那个方向的加速度。

（5）同一性：相对同一惯性系，同一研究对象（加速度和合外力(还有质量)是同属一个物体的，所以解题时一定要把研究对象确定好，把研究对象全过程的受力情况都搞清楚，统一单位（牛顿第二定律F=ma 定义了力的基本单位——牛顿（使质量为1kg 的物体产生1m/s 2的加速度的作用力为1N,即1N=1kg.m/s 2.） 3、应用牛顿第二定律解题的步骤：（1）明确研究对象。

可以以某一个物体为对象，也可以以几个物体组成的质点组为对象。

（2）对研究对象进行受力分析，同时还应该分析研究对象的运动情况（包括速度、加速度），并画受力分析图和运动示意图，必要时把速度、加速度的方向在图中标出来。

（3）若研究对象在不共线的两个力作用下做加速运动，一般用平行四边形定则（或三角形定则）解题，即合成法；若研究对象在不共线的三个以上的力作用下做加速运动，一般用正交分解法解题（注意灵活选取坐标轴的方向，既可以分解力，也可以分解加速度）。

（4）当研究对象在研究过程的不同阶段受力情况有变化时，那就必须分阶段进行受力分析，分阶段列方程求解。

（5）结合给定的物体运动的初始条件，选择运动学公式，求出所需的运动参量，并分析讨论结果是否正确合理注：解题要养成良好的习惯。

只要严格按照以上步骤解题，同时认真画出受力分析图，标出运动情况，那么问题都能迎刃而解。

4、牛顿第三定律：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上。

理解要点：(1)作用力和反作用力相互依赖性，它们是相互依存，互以对方作为自已存在的前提；（2）作用力和反作用力的同时性，它们是同时产生、同时消失，同时变化，不是先有作用力后有反作用力；（3）作用力和反作用力是同一性质的力；（4）作用力和反作用力是不可叠加的，作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，各产生其效果，不可求它们的合力，两个力的作用效果不能相互抵消，这应注意同二力平衡加以区别。

（5）区分一对作用力反作用力和一对平衡力：一对作用力反作用力和一对平衡力的共同点有：大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。

不同点有：作用力反作用力作用在两个不同物体上，而平衡力作用在同一个物体上；作用力反作用力一定是同种性质的力，而平衡力可能是不同性质的力；作用力反作用力一定是同时产生同时消失的，而平衡力中的一个消失后，另一个可能仍然存在。

5、物体受力分析的基本程序：（1）确定研究对象；（2）采用隔离法分析其他物体对研究对象的作用力；（3）按照先重力，然后环绕物体一周找出跟研究对象接触的物体，并逐个分析这些物体对研究对象的弹力和摩擦力（4）画物体受力图，没有特别要求，则画示意图即可。

务必注意：受力情况与运动状态一致的问题物体的受力情况必须符合它的运动状态，故对物体受力分析时，必须同步分析物体的运动状态，若是物体处于平衡状态，则F合=0；若物体有加速度a，则F合=ma，即合力必须指向加速度的方向。

6、超重和失重：（1）超重：物体具有竖直向上的加速度称物体处于超重。

处于超重状态的物体对支持面的压力F（或对悬挂物的拉力）大于物体的重力，即F=mg+ma.；（2）失重：物体具有竖直向下的加速度称物体处于失重。

处于失重状态的物体对支持面的压力FN（或对悬挂物的拉力）小于物体的重力mg，即FN=mg－ma，当a=g时，FN=0,即物体处于完全失重。

7、牛顿定律的适用范围：（1）只适用于研究惯性系中运动与力的关系，不能用于非惯性系；（2）只适用于解决宏观物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；（3）只适用于宏观物体，一般不适用微观粒子。

二、牛顿定律的应用1、两类动力学的基本问题（1）从受力情况确定运动情况根据物体的受力情况，可由牛顿第二定律求出物体的加速度，再通过运动学的规律确定物体的运动情况。

（如物体运动的位移、速度及时间等）（2）从运动情况确定受力情况根据物体的运动情况，可由运动学公式求出物体的加速度，再通过牛顿第二定律确定物体所受的外力。

（如求力的大小和方向或动摩擦因数等）．（3）求解这两类问题的基本思路流程图，可由下面的框图来表示。

可见，不论求解那一类问题，关键是抓住受力情况和运动情况的桥梁－——加速度，即求解加速度。

（4）基本公式流程图为：【典型例题】题型1 已知物体的受力情况，求解物体的运动情况例1．质量m＝4kg的物块，在一个平行于斜面向上的拉力F＝40N作用下，从静止开始沿斜面向上运动，如图所示，已知斜面足够长，倾角θ＝37°，物块与斜面间的动摩擦因数µ＝0.2，力F作用了5s，求物块在5s内的位移及它在5s末的速度。

（g＝10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）解析：如图，建立直角坐标系，把重力mg沿x轴和y轴的方向分解Gx＝mgsinθGy＝mgcosθy：FN ＝mgcosθ Fµ＝µFn＝µmgcosθx：由牛顿第二定律得F－Fµ－GX＝ma即 F－µmgcosθ－mgsinθ＝ma a＝mmgmgFθθμsincos--＝46.01048.01042.040⨯⨯-⨯⨯⨯-m/s2＝2.4m/s25s内的位移 x＝21at2＝21×2.4×52＝30m5s末的速度 v＝at＝2.4×5＝12m/s题型2 已知运动情况求物体的受力情况例2.如图所示，质量为0.5kg的物体在与水平面成300角的拉力F作用下，沿水平桌面向右做直线运动，经过0.5m的距离速度由0.6m/s变为0.4m/s，已知物体与桌面间的动摩擦因数μ＝0.1，求作用力F的大小。

（g＝10m/s2）解析：以物体为研究对象，它受到四个力的作用，受力示意图如图所示.由运动学公式解得其中负号表示加速度与速度的方向相反，即加速度方向向左.建立如图所示直角坐标系，仍以向右为正方向，利用正交分解法，根据牛顿第二定律F合=ma可得由①、②联立可求得=0.43N题型3 与牛顿运动定律相关的速度图象问题例质量为2kg的物体在水平推力F的作用下沿水平面做直线运动，一段时间后撤去F，其运动的v—t图象如图1F300图1物体的受力情况牛顿第二定律物体的加速度运动学公式物体的运动情况第一类第二类FθFθGG YG XF NFμ所示。

g取10 m/s2，求：(1)物体与水平面间的运动摩擦系数μ；(2)水平推力F的大小；（3）0~10s内物体运动位移的大小。

解：（1）设物体做匀减速直线运动的时间为△t2、初速度为v20、末速度为v2t，加速度为a2，则①设物体所受的摩擦力为Ff ，根据牛顿第二定律，有Ff=ma2②Ff=-μmg ③联立②③得④（2）设物体做匀加速直线运动的时间为△t1、初速度为v10、末速度为v1t、加速度为a1，则⑤根据牛顿第二定律，有F+Ff =ma1⑥联立③⑥得F=μmg+ma1=6 N（3）解法一：由匀变速直线运动位移公式，得解法二：根据v-t 图象围成的面积，得题型4 传送带问题基本思路分析物体在传送带上如何运动和其它情况下分析物体如何运动方法完全一样，但是传送带上的物体受力情况和运动情况也有它自己的特点。

具体方法是：（1）分析物体的受力情况在传送带上的物体主要是分析它是否受到摩擦力、它受到的摩擦力的大小和方向如何、是静摩擦力还是滑动摩擦力。

在受力分析时，正确的理解物体相对于传送带的运动方向，也就是弄清楚站在传送带上看物体向哪个方向运动是至关重要的！因为是否存在物体与传送带的相对运动、相对运动的方向决定着物体是否受到摩擦力和摩擦力的方向。

（2）明确物体运动的初速度分析传送带上物体的初速度时，不但要分析物体对地的初速度的大小和方向，同时要重视分析物体相对于传送带的初速度的大小和方向，这样才能明确物体受到摩擦力的方向和它对地的运动情况。