12.牛顿运动定律 讲义-2024-2025学年高一上学期物理沪科版（2020）必修第一册

牛顿运动定律 【知识点一】牛顿第一定律 一、力与运动的关系: 1. 亚里士多德的观点：古希腊哲学家亚里士多德根据一些简单的生活经验认为力是保持物体运动的原因．这一错误判断持续了近两千年，直到17世纪，意大利著名物理学家伽利略，根据理想实验打破了凭直觉得出的力是保持物体运动的原因的错误观点对人们的束缚． 结论：力是维持物体运动的原因 2. 伽利略的观点：在水平面上运动的物体所以会停下来,是因为受到摩擦阻力的缘故。 （1）伽利略的研究方法：理想实验方法 ①让小球沿一个斜面从静止滚下来，小球将滚上另一个斜面． ②如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度． ③如果减小斜面倾角，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更长的路程． ④继续减小第二个斜面的倾角，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，如果没有摩擦力，小球将一直运动下去。 结论：水平面上运动的物体之所以停下，是物体受到摩擦力的缘故，也就是说，力不是维持物体运动的原因，而只是改变物体运动状态的原因 （2）理想实验研究方法：以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻的揭示自然规律。 3. 笛卡尔的观点：除非物体受到外力的作用，否则物体将永远保持其静止或运动状态，永远不会使自己沿曲线运动，而只保持在直线上运动。 4. 牛顿在伽利略等人的研究基础上,通过自己的进一步研究, 得出牛顿第一定律。 二、牛顿第一定律: 1、牛顿第一定律内容: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。 说明： ①牛顿第一定律不是实验直接总结出来的．牛顿以伽利略的理想斜面实验为基拙，加之高度的抽象思维，概括总结出来的．不可能由实际的实验来验证； ②揭示了力和运动的关系：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因． 2、惯性：物体保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质叫惯性，所以牛顿第一定律又叫惯性定律。 说明：①惯性是一切物体都具有的性质，惯性是物体的固有属性，与物体是否受力及运动状态（是否运动，运动速度的大小等）无关。 ②惯性的量度：质量是惯性大小的唯一量度。质量大的物体惯性大,质量小的物体惯性小。 ③物体的惯性总是以“保持原状”或“反抗改变”两种形式体现，即不受外力时，物体将保持原有状态，受到外力时，体现了运动状态改变的难易程度。 ④牛顿第一定律成立的条件是，是理想条件下物体所遵从的规律，在实际情况中，物体所受合外力为零与物体不受任何外力作用是等效的。 【典型例题】 1、下列对运动的认识不正确的是(　 　) Comment by 35722: A A、亚里士多德认为必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就静止 B、伽利略认为如果完全排除空气的阻力，所有的物体将下落得同样快 C、牛顿认为力不是维持物体速度的原因，而是改变物体速度的原因 D、伽利略根据理想实验推论出，若没有摩擦，在水平面上运动的物体将保持其速度继续运动下去 2、如图所示为伽利略设计的斜面实验。伽利略理想实验是将可靠的事实和理论思维结合起来，能更深刻地反映自然规律。下面给出了伽利略斜面实验的四个事件： Comment by 35722: D ①减小斜面BC的倾角（图中BC′），小球将通过较长的路程，仍能到达原来的高度； ②由静止释放小球，小球沿斜面AB滚下，滚上另一斜面BC，高度几乎与原来相同； ③如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度； ④继续减小BC的倾角，最终使它水平，小球将沿水平面以恒定速度一直运动下去。 对事件性质的判断及排序，正确的是（ ） A．事实②→推论①→事实③→推论④ B．事实②→推论③→事实①→推论④ C．事实②→推论①→推论③→推论④ D．事实②→推论③→推论①→推论④ 3、下列说法正确的是（ ） Comment by 35722: A A．战斗机投入战斗前要抛掉副油箱是为了减小惯性，提高灵活性 B．跳高运动员起跳后之所以能够继续上升，是由于还受到向上的力的作用 C．各种小型车辆前排乘坐的人必须系好安全带是为了减小乘客的惯性 D．惯性是物体抵抗运动状态变化的“本领”，因此运动状态不变化物体就无惯性 4、根据牛顿运动定律，以下选项中正确的是( 　) Comment by 35722: C A、人只有在静止的车厢内，竖直向上高高跳起后，才会落在车厢的原来位置 B、人在沿直线匀速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方 C、人在沿直线加速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方 D、人在沿直线减速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方 5、一天，下着倾盆大雨。某人乘坐列车时发现，车厢的双层玻璃窗内积水了。列车进站过程中，他发现水面的形状如图中的(　 　) Comment by 35722: C 6、将一方底玻璃瓶装满水后密封，放在水平桌面上，如图所示，发现瓶内上方中间有一小气泡（气泡中气体质量可以忽略不计），与瓶保持相对静止处于平衡状态，现用水平力F推瓶子底部使其向右做匀加速直线运动，此情况下气泡相对于瓶子的位置是（ ） Comment by 35722: C A．仍在原处         B．在左上角处 C．在右上角处         D．无法判断 【习题精选】 1、关于伽利略的两个斜面实验，下面说法中正确的是( ) Comment by 35722: C （b （a A、伽利略在图（a）中使用了光滑斜面进行实验 B、伽利略在图（b）中使用了光滑斜面进行实验 C、伽利略从图（a）中得出：自由落体运动是匀加速直线运动 D、伽利略从图（b）中得出：力是维持物体运动的原因 2、话说齐天大圣孙悟空被师傅赶回花果山后，闷闷不乐的他有一日飞上天庭漫无目的地到处游玩，不经意间来到一个仙洞里，洞内有一开关，写着“地球自转快慢调节器”，天性顽皮的他便将此开关向“快”那边拨了一下，使地球自转突然快了许多，此瞬间地面上的人(　 　) Comment by 35722: B A、头向东倒下 B、头向西倒下 C、头向南倒下 D、头向北倒下 3、如图所示，一只盛水的容器固定在一个小车上，在容器中分别悬挂和拴着一只铁球和一只乒乓球，容器中的水和铁球、乒乓球都处于静止状态．当容器随小车突然向右运动时，两球的运动状况是(以小车为参考系) (　 　) Comment by 35722: A A、铁球向左，乒乓球向右 B、铁球向右，乒乓球向左 C、铁球和乒乓球都向左 D、铁球和乒乓球都向右 4、如图所示,一个劈形物体M放存固定的粗糙斜面上,其上面呈水平。在其水平面上放一光滑小球m.当劈形物体从静止开始释放后,观察到m和M有相对运动,则小球m在碰到斜面前的运动轨迹是( ) Comment by 35722: C A. 沿水平向右的直线 B. 沿斜面向下的直线 C. 竖直向下的直线 D. 无规则的曲线 【知识点二】牛顿第三定律 1、作用力与反作用力 两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体施加了力，另一个物体一定同时对这个物体也施加了力。力是物体与物体间的相互作用，物体间相互作用的这一对力通常叫做作用力和反作用力。 2、牛顿第三定律 两个物体之间的作用力和反作用力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。即 3、意义：建立了相互作用的物体之间的联系及作用力与反作用力的相互依赖关系。 4、对牛顿第三定律理解 (1)作用力与反作用力的比较： 四同 同大小 无论在任何情况下，作用力和反作用力必定大小相等 同直线 作用力和反作用力一定在同一条直线上 同性质 作用力和反作用力一定是同一性质的力 同存在 作用力和反作用力总是同时产生，同时变化，同时消失 三不同 不同向 作用力和反作用力的方向相反 不同点 作用力和反作用力作用在两个物体上，力的作用点不同 不同效果 作用力和反作用力在两个物体上的作用效果不同 三无关 与物体的种类无关 与相互作用的两物体的运动状态无关 与是否与另外的物体相互作用无关 (2)应用牛顿第三定律应注意的问题： ①定律中的“总是”说明对于任何物体，在任何条件下牛顿第三定律都是成立的。 ②牛顿第三定律说明了作用力和反作用力中，若一个产生或消失，则另一个必然同时产生或消失，否则就违背了“相互关系”。 (3)相互作用力与平衡力的比较： 对应名称 比较内容 作用力和反作用力 一对平衡力 不 同点 受力物体 作用在两个相互作用的物体上 作用在同一物体上 依赖关系 同时产生，同时消失，相互依存，不可单独存在 无依赖关系，撤除一个，另一个可依然存在，只是不再平衡 叠加性 两力作用效果不可抵消，不可叠加，不可求合力 两力作用效果可相互抵消，可叠加，可求合力，合力为零 力的性质 一定是同性质的力 可以是同性质的力，也可以是不同性质的力 相 同 点 大小方向 大小相等、方向相反、作用在同一条直线上 【典型例题】 1、关于作用力与反作用力，下列说法正确的是( ) Comment by 35722: CD A、马拉车加速行驶，马拉车的力大于车拉马的力 B、从井里将水桶提上来，绳子对桶的拉力大于桶对绳的拉力 C、 不论电梯是加速、匀速,还是减速上升，人对电梯底板的压力和底板对人的支持力总是大小相等的 D、作用力是弹力，其反作用力也一定是弹力，因为作用力与反作用力是性质相同的力 2、物体静止于一斜面上，如右图所示， 则下述说法正确的是（ ） Comment by 35722: B A、物体对斜面的压力和斜面对物体的支持力是一对平衡力 B、物体对斜面的摩擦力和斜面对物体的摩擦力是一对作用力和反作用力 C、物体所受重力和斜面对物体的作用力是一对作用力和反作用力 D、物体所受的重力可以分解为沿斜面向下的力和对斜面的压力 3、有人设计了一种交通工具，如图所示，在平板车上装了一个电风扇，风扇转动时吹出的风全部吹到竖直固定在小车中间的风帆上，平板车靠风帆受力而向前运动．对于这种设计，下列分析中正确的是 (　 　) Comment by 35722: C A、根据牛顿第一定律，这种设计能使小车运行 B、根据牛顿第三定律，这种设计能使小车运行 C、这种设计不能使小车运行，因为它违反了牛顿第一定律 D、这种设计不能使小车运行，因为它违反了牛顿第三定律 4、沼泽地的下面蕴藏着丰富的泥炭，泥炭是沼泽地积累的植物残体，它的纤维状和海绵状的物理结构导致人在其上面行走时容易下陷(设在下陷过程中，泥炭对人的阻力不计)．如果整个下陷的过程是先加速再减速最后匀速运动，那么，下列说法中正确的是 (　 ) Comment by 35722: D A、在加速向下运动时，人对沼泽地的压力大于沼泽地对人的支持力 B、在减速向下运动时，人对沼泽地的压力小于沼泽地对人的支持力 C、在整个运动过程中，人对沼泽地的压力是先大于后等于沼泽地对人的支持力 D．在整个运动过程中，人对沼泽地的压力大小总是等于沼泽地对人的支持力 【知识点三】牛顿第二定律 一、物体运动状态的改变 1、力是改变物体运动状态的原因。 一个物体，如果它的速度不变，我们就说，这个物体的运动状态保持不变。如果这个物体速度的大小或方向改变了，它的运动状态发生了改变，也就是说，速度是描述物体运动状态的物理量。我们知道，加速度是描述速度变化快慢的物理量，因此加速度便是描述物体运动状态变化快慢的物理量。由牛顿第一定律我们还知道，物体如果没有受到力的作用，运动状态不会发生改变。若要物体的运动状态发生改变，必须有力做作用在物体上，即：力是改变物体运动状态的原因，力是产生加速度的原因。所以物体加速度的大小与受力的大小有关。 2、质量是物体惯性大小的量度。 描述物体惯性的物理量是它的质量。质量小的物体，运动状态容易改变，我们说它的惯性小。质量大的物体，运动状态难改变，我们说它的惯性大。可见，质量是惯性大小的量度。物体运动状态的改变，还跟物体的质量有关系。所以物体加速度的大小还与物体的质量有关。 二、用DIS研究加速度a与作用力F、物体质量m的关系 1、加速度和力的关系： 既然力是产生加速度的原因，那么，加速度和力存在着什么关系呢？ 实验1：保持小车的质量不变，改变钩码的质量，即改变牵引力。测出小车的对应加速度，找出加速度和力之间的关系。 研究表明：对质量相同的物体来说，物体的加速度跟作用在物体上的力成正比。用数学公式就是： 2、加速度和质量的关系： 物体所受的力一定时，加速度和质量存在着什么关系呢？ 实验2：保持钩码的质量不变，改变小车的质量，测出小车对应的加速度，找出加速度和质量之间的关系。 研究表明：在相同的力作用下，物体的加速度跟物体的质量成正比。用数学公式就是： 三、牛顿第二定律 1、内容：物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向始终与合外力的方向相同。 2、表达式： （） 当各物理量的单位均选国际单位时，k=1，即若令 3、适用范围：适用于惯性参考系（即所选参照物必须是静止或匀速直线运动的，一般取地面为参考系）；只适用于宏观、低速运动情况，不适用于微观、高速情况。 4、对牛顿第二定律的理解： （1）矢量性：F=ma是矢量式，不但表示了大小关系，还表示了方向关系，与a同向。 （2）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力的作用。 （3）瞬时性：a与F对应同一时刻，同时产生、同时变化、同时消失。是瞬时的对应关系。 （4）同一性： ① F=ma中 F、m、a各量必须对应同一个物体或同一系统。 ② F=ma中各量统一使用国际单位。 （5）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， 5、力、加速度、速度的关系： （1）F合的方向决定了a的方向。F合与a的大小关系是F=ma，只要，则。 （2）合力与速度方向相同时，物体加速；方向相反时，物体减速。 （3）力与运动的关系：力是改变物体运动状态的原因，是产生a的原因。 即：力加速度速度变化（运动状态变化） （4）a的定义式和决定式的区别： 定义式a=：反映加速度的基本定义，定义为速度的变化量与所用时间的比值； 决定式 ：反映加速度的决定性因素，说明了a与所受的F合和m有关。 【典型例题】 1、物体静止在光滑的水平桌面上，从某一时刻起用水平恒力F推物体，则在该力刚开始作用的瞬间（　 　） Comment by 35722: A A．立即产生加速度，但速度仍然为零 B．立即同时产生加速度和速度 C．速度和加速度均为零 D．立即产生速度，但加速度仍然为零 2、关于力、加速度、质量之间的关系，正确的说法是 （ ） Comment by 35722: A A．加速度和速度方向有时相反 B．物体不可能做加速度增大，而速度减小的运动 C．力是产生加速度的原因，所以总是先有力随后才有加速度 D．由F=ma得m=F/a，说明物体的质量m与F成正比，与a成反比 3、如图，鸟沿虚线斜向上加速飞行，空气对其作用力可能是（　 　） Comment by 35722: B A. F1 B. F2 C. F2 D. F4 4、质量为m的木箱在粗糙水平地面上，当用水平推力F作用于物体上时，物体产生的加速度为a，若作用力变为2F，而方向不变，则木箱产生的加速度a' ( 　　) Comment by 35722: A A．大于2a B．等于2a C．小于2a，大于a D．等于a 5、在光滑水平面上的木块受到一个方向不变，大小从某一数值逐渐变小的外力作用时，木块将作（　 　）  Comment by 35722: D A．匀减速运动 B．匀加速运动 C．速度逐渐减小的变加速运动 D．速度逐渐增大的变加速运动 6、如图所示，质量为2㎏的物体a与质量为6㎏的物体b放在光滑水平面上，用F=16N的水平力推a物体，a、b共同向右运动，下列说法正确的是（ ） Comment by 35722: ABD A．a、b的加速度大小为，方向向右 B．a对b的作用力大小为12N C．b对a的作用力大小为4N D．若某时刻撤去推力，a、b将会一起匀速直线运动 7、某同学利用如图装置研究外力与加速度的关系．将力传感器安装在置于光滑水平轨道的小车上，通过细绳绕过光滑定滑轮悬挂钩码。开始实验后，依次按照如下步骤操作： Comment by 35722: 0.815 1.64 B ①同时打开力传感器和位移传感器； ②释放小车； ③关闭传感器，根据F-t，v-t图像记录下绳子拉力F和小车加速度a。 ④重复上述步骤． （1）某次释放小车后得到的F-t，v-t图像如图所示．根据图像，此次操作应记录下的外力F大小为__________N，加速度a为__________m/s2； （2）利用上述器材和过程得到多组数据数据作出a-F图像，为一直线，则（____________） A．理论上直线斜率应等于小车质量 B．直线不过原点可能是因为轨道没有调整到水平 C．如果小车受到来自水平轨道的恒定阻力，直线斜率会变小 D．若实验中钩码质量较大，图象可能会呈现一条曲线 【习题精选】 1、物理学史上，正确认识运动和力的关系且推翻“力是维持运动的原因”的物理学家，建立惯性定律的物理学家分别是（ ） Comment by 35722: C A．亚里士多德、伽利略 B．亚里士多德、牛顿 C．伽利略、牛顿 D．伽利略、爱因斯坦 2、若一匹马拉一辆车，但没有拉动，下列说法中正确的是（ ） Comment by 35722: C A.马拉车的力小于地面对车的摩擦力 B.马拉车的力与车拉马的力是一对平衡力 C.马拉车的力与地面对车的摩擦力是一对平衡力 D.马拉车的力与地面对车的摩擦力是一对作用力与反作用力 3、 如图所示,在车厢中的a是用绳拴在底部上的氢气球,b是用绳挂在车厢顶的金属球,开始时它们和车一起向右作匀速直线运动,若忽然刹车使车厢作匀减速运动,则下列几个图能正确表示刹车期间车内的情况是( ) Comment by 35722: D 4、如图所示,固定在小车上的支架的斜杆与竖直杆的夹角为θ,在斜杆下端固定有质量为m的小球,下列关于杆对球的作用力F的判断中,正确的是( ) Comment by 35722: D A. 小车静止时，F=mg/cosθ方向沿斜杆向上 B. 小车静止时，F=mg/cosθ方向垂直斜杆向上 C. 小车向右以加速度a运动时,F=mg/sinθ,方向垂直于斜杆向上 D. 小车向左以加速度a运动时F=,方向斜向左上方,与竖直方向的夹角为α=arctan(a/g) 【巩固练习】 1、16世纪末，伽利略用实验和推理，推翻了已在欧洲流行了近两千年的亚里士多德关于力和运动的理论，开启了物理学发展的新纪元。下列与亚里士多德观点相反的是( ) Comment by 35722: D A.四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得快；这说明，物体受的力越大，速度就越大 B.一个运动的物体，如果不再受力了，它总会逐渐停下来；这说明，静止状态才是物体长不受力时的“自然状态” C.两物体从同一高度自由下落，较重的物体下落较快 D.一个物体维持匀速直线运动，不需要力. 2、关于物理概念和物理规律，下列说法正确的是（　　） Comment by 35722: B A．加速度是由定义的，故加速度的方向与速度的方向无关 B．滑动摩擦力和静摩擦力的方向可能与物体的运动方向成任意角度 C．两个共点力的合成中，若仅增大一个分力的大小，则合力一定增大 D．汽车的行驶速度越大，刹车后越难停下来，这说明速度越大惯性越大 3、假设洒水车的牵引力不变，且所受阻力与车重成正比，未洒水时该车匀速直线行驶，某时刻开始洒水，它的运动情况将是( ) Comment by 35722: A A．做变加速直线运动 B．做初速度不等于零的匀加速直线运动 C．做匀减速直线运动 D．继续保持匀速直线运动 4、关于牛顿运动定律，下列说法正确的是（　　） Comment by 35722: AD A．物体的加速度方向一定与物体所受合力方向一致 B．物体速度的大小保持不变，则物体运动状态就不变 C．牛顿第一定律、牛顿第二定律都可以通过实验来证明 D．一对作用力和反作用力总是同时产生、同时变化、同时消失 5、如图所示，木块放在表面粗糙的小车上并随小车一起沿桌面向左做匀加速直线运动。当小车遇障碍物而突然停止运动时，车上的木块的运动情况可能是（　　） Comment by 35722: BC A．立即停下来 B．立即向左做匀减速直线运动 C．木块受到的静摩擦力立即变成滑动摩擦力 D．仍继续向左做匀速直线运动 6、一质点在外力作用下做直线运动，其速度v随时间t变化图像如图所示。在图中标出的各时间段中，质点所受合外力恒定且合外力方向与速度方向始终相同的时间段是（　　 ） Comment by 35722: C A．0~t1 B．t1~t2 C．t2~t3 D．t3~t4 7、（多选）将一个物体以某一速度从地面竖直向上抛出并落回地面，设物体在运动过程中所受空气阻力大小不变，则物体（　 　） Comment by 35722: AD A．刚抛出时的速度大于落地时速度 B．在最高点的加速度为零 C．上升的时间大于下落的时间 D．上升时的加速度大于下落时的加速度 8、光滑水平面上的木块受到水平力与的作用而静止不动．现保持恒定不变，F2方向不变，其大小随时间均匀减小到零后再均匀增加到原来大小．在这个过程中，能正确描述木块运动情况的图像是（ ） Comment by 35722: C 9、“用研究加速度与力的关系”实验装置示意图如图所示。 Comment by 35722: 小车 钩码 未完全消除摩擦力影响 （1）实验时要保持_____的质量不变，通过改变_____的质量，来达到改变拉力的目的。某组同学实验数据记录如下： （2）根据表格中的实验数据在坐标系中画出与的关系图像_____。 （3）分析图像不过原点的原因是_____。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$