内容正文:
第三章 运动和力的关系
第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
1
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一、牛顿第二定律、单位制
1.牛顿第二定律
(1)内容
物体加速度的大小跟它受到的作用力成____,跟它的质量成____。加速度的方向与______的方向相同。
(2)表达式a=或F=____。
正比
反比
作用力
ma
第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
2
(3)适用范围
①只适用于惯性参考系(相对地面静止或做匀速直线运动的参考系)。
②只适用于宏观物体(相对于分子、原子)、低速运动(远小于光速)的情况。
2.单位制
(1)单位制由____单位和____单位组成。
(2)基本单位
基本量的单位。力学中的基本量有三个,它们分别是____、____、长度,它们的国际单位分别是____、__、米。
(3)导出单位
由基本量根据________推导出的其他物理量的单位。
基本
导出
质量
时间
千克
秒
物理关系
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第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
二、超重与失重
1.实重和视重
(1)实重:物体实际所受的重力,与物体的运动状态____,在地球上的同一位置是____的。
(2)视重:当物体在竖直方向上有加速度时,物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将______物体的重力。此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重。
无关
不变
不等于
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2.超重、失重和完全失重的比较
超重现象 失重现象 完全失重
概念 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)____物体所受重力的现象 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)____物体所受重力的现象 物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)______的现象
产生
条件 物体的加速度方向____ 物体的加速度方向____ 物体的加速度方向____,大小为a=g
原理
方程 F-mg=ma
F=m(g+a) mg-F=ma
F=m(g-a) mg-F=mg
F=0
运动
状态 加速上升或
________ 加速下降或
________ 无阻力的抛体运动;绕地球的匀速圆周运动
大于
小于
等于零
向上
向下
向下
减速下降
减速上升
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三、动力学两类基本问题
1.两类动力学问题
(1)已知物体的受力情况求物体的________。
(2)已知物体的运动情况求物体的________。
2.解决两类基本问题的方法
以______为“桥梁”,由__________和____________列方程求解,具体逻辑关系如下:
运动情况
受力情况
加速度
运动学公式
牛顿第二定律
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一、易错易误辨析(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)牛顿第二定律的表达式F=ma在任何情况下都适用。 ( )
(2)物体只有在受力的前提下才会产生加速度,因此,加速度的产生要滞后于力的作用。 ( )
(3)物理公式不仅确定了物理量之间的数量关系,同时也确定了物理量间的单位关系。 ( )
(4)失重说明物体的重力减小了。 ( )
(5)物体超重时,加速度向上,速度也一定向上。 ( )
(6)研究动力学两类问题时,做好受力分析和运动分析是关键。 ( )
×
×
√
×
×
√
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二、教材习题衍生
1.(牛顿第二定律的理解)一同学将排球自O点垫起,排球竖直向上运动,随后下落回到O点。设排球在运动过程中所受空气阻力大小和速度大小成正比。则该排球( )
A.上升时间等于下落时间
B.被垫起后瞬间的速度最大
C.达到最高点时加速度为零
D.下落过程中做匀加速运动
√
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第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
B [上升过程和下降过程的位移大小相同,上升过程的末状态和下降过程的初状态速度均为零。对排球受力分析,上升过程的重力和阻力方向相同,下降过程中重力和阻力方向相反,根据牛顿第二定律可知,上升过程中任意位置的加速度比下降过程中对应位置的加速度大,则上升过程的平均加速度较大。由位移与时间关系可知,上升时间比下落时间短,A错误;上升过程排球做减速运动,下降过程排球做加速运动,在整个过程中空气阻力一直做负功,小球机械能一直在减小,下降过程的最低点的速度小于上升过程的最低点的速度,故排球被垫起时的速度最大,B正确;达到最高点速度为零,空气阻力为零,此刻排球重力提供加速度,不为零,C错误;下落过程中,排球速度在变,所受空气阻力在变,故排球所受的合外力在变化,排球在下落过程中做变加速运动,D错误。故选B。]
2.(牛顿第二定律的基本应用)一物体重为50 N,与水平桌面间的动摩擦因数为0.2,现加上如图所示的水平力F1和F2,若F2=15 N时,物体做匀加速直线运动,则F1的值不可能是(g取 10 m/s2)( )
A.3 N B.25 N
C.30 N D.50 N
√
B [若物体向左做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律可知F2-F1-μG=ma>0,解得F1<5 N,A正确;若物体向右做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律可知F1-F2-μG=ma>0,解得F1>25 N,C、D正确。故选B。]
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第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
3.(超失重的理解)一名乘客乘坐竖直电梯上楼,其位移x与时间t的图像如图所示,其中t1到t2时间段图像为直线。则以下说法正确的是( )
A.t1~t2时间内,乘客的速度一直增大
B.t2~t3时间内,乘客的速度一直增大
C.t1~t2时间内,乘客对电梯的压力大于乘客重力
D.t2~t3时间内,乘客对电梯的压力小于乘客重力
√
D [根据x-t图像的斜率表示速度可知,0~t1时间内v增大,t2~t3时间内v减小,t1~t2时间内v不变,故A、B错误;t1~t2时间内,乘客匀速运动,FN=mg,t2~t3时间内,速度逐渐减小,加速度向下,处于失重状态,则FN<mg,结合牛顿第三定律,故C错误,D正确。]
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1.(对牛顿第二定律的理解)一根轻弹簧竖直直立在水平面上,下端固定。在弹簧正上方有一个物块从高处自由下落到弹簧上端O,将弹簧压缩。当弹簧被压缩了x0时,物块的速度减小到零。从物块和弹簧接触开始到物块速度减小到零过程中,物块的加速度大小a随下降位移大小x变化的图像,可能是下图中的( )
考点1 牛顿第二定律的理解
第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
A B C D
√
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D [物块接触弹簧后,在开始阶段,物块的重力大于弹簧的弹力,合力向下,加速度向下,根据牛顿第二定律得mg-kx=ma,解得a=g-x,可知a与x是线性关系,当x增大时,a减小,当弹力等于重力时,物块的合力为零,加速度为0,当弹力大于重力后,物块的合力向上,加速度向上,根据牛顿第二定律kx-mg=ma,解得a=x-g,a与x是线性关系,当x增大时,a增大。若物块接触弹簧时无初速度,根据简谐运动的对称性,可知物块运动到最低点时加速度大小等于g,方向竖直向上,当物块以一定的初速度压缩弹簧后,物块到达最低点时,弹簧的压缩增大,加速度增大,大于g。故选D。]
2.(力与运动关系问题定性分析)(2024·常州高级中学质量检测)关于速度、加速度、合力的关系,下列说法不正确的是( )
A.原来静止在光滑水平面上的物体,受到水平推力的瞬间,物体立刻获得加速度
B.加速度的方向与合力的方向总是一致的,但与速度的方向可能相同,也可能不同
C.在初速度为0的匀加速直线运动中,速度、加速度与合力的方向总是一致的
D.合力变小,物体的速度一定变小
√
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D [加速度与力同时产生、同时消失、同时变化,选项A正确;加速度的方向由合力方向决定,但与速度方向无关,选项B正确;在初速度为0的匀加速直线运动中,合力方向决定加速度方向,加速度方向决定末速度方向,选项C正确;合力变小,物体的加速度一定变小,但速度不一定变小,选项D错误。]
规律总结 合力、加速度、速度间的决定关系
(1)物体所受合力的方向决定了其加速度的方向,只要合力不为零,不管速度是大是小,或是零,物体都有加速度,只有合力为零时,加速度才为零。一般情况下,合力与速度无必然的联系。
(2)合力与速度同向时,物体做加速运动;合力与速度反向时,物体做减速运动。
(3)a=是加速度的定义式,a与Δv、Δt无直接关系;a=是加速度的决定式,a∝F,a∝。
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第2节 牛顿第二定律、两类动力学问题
1.(根据运动情况判断超、失重)如图所示,用轻质弹簧将篮球拴在升降机底板上,此时弹簧竖直,篮球恰好与光滑的侧壁和光滑的倾斜天花板接触,在篮球与侧壁之间装有压力传感器,当升降机沿竖直方向运动时,压力传感器的示数逐渐增大,某同学对此现象给出了下列分析与判断,其中可能正确的是( )
A.升降机正在匀加速上升
B.升降机正在匀减速上升
C.升降机失重,正在加速下降,且加速度越来越大
D.升降机正在减速下降,且加速度越来越大
考点2 超重和失重
√
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C [由题意知,升降机静止时,篮球处于平衡状态,只受重力和弹簧弹力,有FT=mg;在竖直方向运动时,侧壁的弹力增大,受力分析如图所示,有FNsin θ=F,FNcos θ+mg-FT=ma,解得a=,加速度方向向下,大小在增大,可能的运动情况是失重——加速下降或减速上升,故只有C正确。]
2.(根据超、失重判断运动状态)一体重500 N的同学站在体重计上,下蹲过程中体重计示数如图所示,则此同学( )
A.1 s时处于失重状态
B.2 s时加速度方向向上
C.3 s时加速度方向向下
D.4 s时处于超重状态
√
A [同学的重力是500 N,当体重计的示数大于500 N处于超重状态,加速度方向向上,当体重计的示数小于500 N处于失重状态,加速度方向向下,故1 s、
2 s、4 s处于失重状态,加速度方向向下,3 s处于超重状态,加速度方向向上。故选A。]
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3.(完全失重)如图甲所示是某人站在接有传感器的力板上做下蹲、起跳和回落动作的示意图,图中的小黑点表示人的重心。图乙是力板所受压力随时间变化的图像,重力加速度g取 10 m/s2。 根据图像分析可知( )
A.人的重力可由b点读出,约为300 N
B.b到c的过程中,人先处于超重状态再处于失重状态
C.人在双脚离开力板的过程中,处于完全失重状态
D.人在b点对应时刻的加速度大于在c点对应时刻的加速度
√
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C [开始时人处于平衡状态,人对传感器的压力约为900 N,人的重力也约为900 N,故A错误;b到c的过程中,人先处于失重状态再处于超重状态,故B错误;双脚离开力板的过程中只受重力的作用,处于完全失重状态,故C正确;b点弹力与重力的差值要小于c点弹力与重力的差值,则人在b点的加速度要小于在c点的加速度,故D错误。]
22
方法技巧 超重和失重的判断方法
(1)若物体加速度已知,看加速度的方向,方向向上则超重,方向向下则失重。
(2)若拉力或压力已知,看拉力或压力与重力的大小关系,大于重力则超重,小于重力则失重。
(3)物体超重、失重与运动状态的关系
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1.求解两类问题的思路,可用下面的框图来表示
考点3 动力学中的两类问题
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2.解决动力学两类问题的两个关键点
3.动力学基本问题的力的处理方法
(1)合成法:在物体受力个数较少(2个或3个)时一般采用“合成法”。
(2)正交分解法:若物体的受力个数较多(3个或3个以上),则采用“正交分解法”。
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[典例] 一质量为m=2 kg的滑块能在倾角为θ=30°的足够长的斜面上以a=2.5 m/s2的加速度匀加速下滑,如图所示。若用一水平向右的恒力F作用于滑块,使之由静止开始在t=2 s内沿斜面运动位移x=4 m。求:(g取10 m/s2)
(1)滑块和斜面之间的动摩擦因数μ;
(2)恒力F的大小。
审题指导:解此题关键有两点:
(1)选取滑块为研究对象,正确作出受力分析。
(2)根据运动过程求出加速度,结合牛顿第二定律求恒力F。
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[解析] (1)以滑块为研究对象受力分析如图甲所示,根据牛顿第二定律可得
mg sin 30°-μmg cos 30°=ma
解得μ=。
(2)使滑块沿斜面做匀加速直线运动,有加速度向上和向下两种可能。
根据题意可得x=a1t2,得a1=2 m/s2
当加速度沿斜面向上时,受力分析如图乙所示,则
F cos 30°-mg sin 30°-μ(F sin 30°+mg cos 30°)=ma1
代入数据得F= N
当加速度沿斜面向下时,受力分析如图丙所示,则
mg sin 30°-F cos 30°-μ(F sin 30°+mg cos 30°)=ma1
代入数据得F= N。
[答案] (1) (2) N或 N
规律总结 动力学问题的解题步骤
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[跟进训练]
角度1 已知受力情况求运动情况
1.如图所示,木板与水平地面间的夹角θ=30°,可视为质点的小木块恰好能沿着木板匀速下滑。若让该小木块从木板的底端以初速度为v0=10 m/s沿木板向上运动,取g=10 m/s2。则以下结论正确的是( )
A.小木块与木板间的动摩擦因数为
B.小木块经t=2 s沿木板滑到最高点
C.小木块在t=2 s时速度大小为10 m/s,方向沿木板向下
D.小木块滑到最高点后能够返回
√
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A [小木块恰好能沿着木板匀速下滑,根据受力平衡可得mg sin θ=μmg cos θ,解得μ=tan θ=,故A正确;小木块向上运动时的加速度大小为a==g,故小木块滑到最高点的时间为t==1 s,故B错误;由A选项分析可知mg sin θ=μmg cos θ,而最大静摩擦力不小于滑动摩擦力,因此小木板到达最高点后将保持静止,而上滑的时间为1 s,故小木块在t=2 s时速度大小为零,到达最高点后不会返回,故C、D错误。故选A。]
角度2 已知运动情况求受力情况
2.(2024·江苏南京高三开学考试)可爱的企鹅喜欢在冰面上玩游戏。如图所示,有一只企鹅在倾角为θ=37°的倾斜冰面上先以a=1.0 m/s2的加速度从冰面底部由静止开始沿直线向上“奔跑”,t=4 s时突然卧倒以肚皮贴着冰面向上滑行,最后退滑到出发点,完成一次游戏(企鹅在滑动过程中姿势保持不变)。若企鹅肚皮与冰面间的动摩擦因数为μ=0.25,已知sin 37°=0.60,cos 37°=0.80 不计空气阻力,g取10 m/s2,试分析回答下列问题:
(1)企鹅向上“奔跑”的位移大小;
(2)企鹅在冰面向上滑行的加速度大小;
(3)企鹅退滑到出发点时的速度大小。
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[解析] (1)企鹅向上“奔跑”的位移大小为
x=at2=8 m。
(2)企鹅在冰面向上滑行的加速度大小
a′==g sin 37°+μg cos 37°=8 m/s2。
(3)企鹅在冰面上滑时的初速度为v=at=4 m/s
向上滑行的位移为x′==1 m
企鹅退滑到出发点时的位移大小为x″=x+x′=9 m
加速度大小a″==g sin 37°-μg cos 37°=4 m/s2
所以企鹅退滑到出发点时的速度大小v== m/s=6 m/s。
[答案] (1)8 m (2)8 m/s2 (3)6 m/s
1.两种模型
加速度与合力具有瞬时对应关系,二者总是同时产生、同时变化、同时消失,在分析瞬时加速度时应注意两个基本模型的特点
考点4 牛顿第二定律的瞬时性问题
2.求解瞬时加速度的一般思路
⇒⇒
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[典例] (一题多变)两个质量均为m的小球,用两条轻绳连接,处于平衡状态,如图所示。现突然迅速剪断轻绳OA,让小球下落,在剪断轻绳的瞬间,设小球A、B的加速度分别用a1和a2表示,则( )
A.a1=g,a2=g B.a1=0,a2=2g
C.a1=g,a2=0 D.a1=2g,a2=0
A [由于绳子张力可以突变,故剪断OA后小球A、B只受重力,其加速度a1=a2=g,故选项A正确。]
√
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[变式1] 在[典例]中只将A、B间的轻绳换成轻质弹簧,其他不变,如图所示,则下列选项中正确的是( )
A.a1=g,a2=g B.a1=0,a2=2g
C.a1=g,a2=0 D.a1=2g,a2=0
D [剪断轻绳OA的瞬间,由于弹簧弹力不能突变,故小球A所受合力为2mg,小球B所受合力为零,所以小球A、B的加速度分别为a1=2g,a2=0,故选项D正确。]
√
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[变式2] 在[变式1]中的题图放置在倾角为θ=30°的光滑斜面上,如图所示系统静止时,弹簧与细线均平行于斜面,在细线被烧断的瞬间,则下列说法正确的是( )
A.aA=0 aB=g B.aA=g aB=0
C.aA=g aB=g D.aA=0 aB=g
√
B [细线被烧断的瞬间,小球B的受力情况不变,加速度为零。烧断前,分析整体受力可知线的拉力为FT=2mg sin θ,烧断瞬间,A受的合力沿斜面向下,大小为2mg sin θ,所以A球的瞬时加速度为aA=2g sin 30°=g,故选项B正确。]
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[变式3] 把[变式2]中的两小球改为三小球,并将弹簧和轻绳互换位置,如图所示,倾角为θ的斜面静置于地面上,斜面上表面光滑,A、B、C三球的质量分别为m、2m、3m,轻质弹簧一端固定在斜面顶端、另一端与A球相连,A、B间固定一个轻杆,B、C间由一轻质细线连接。弹簧、轻杆与细线均平行于斜面,初始系统处于静止状态,现突然剪断细线。下列判断正确的是( )
A.细线被剪断的瞬间,A、B、C三个小球的加速度均为零
B.细线被剪断的瞬间,A、B之间杆的弹力大小为零
C.细线被剪断的瞬间,A、B球的加速度沿斜面向上,大小为g sin θ
D.细线被剪断的瞬间,A、B之间杆的弹力大小为mg sin θ
√
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C [剪断细线前,以A、B、C组成的系统为研究对象,系统静止,处于平衡状态,所受合力为零,则弹簧的弹力为F=(3m+2m+m)g sin θ=6mg sin θ 。以C为研究对象知,细线的拉力为3mg sin θ,剪断细线的瞬间,由于弹簧弹力不能突变,弹簧弹力不变,以A、B组成的系统为研究对象,由牛顿第二定律得F-(m+2m)g sin θ=(m+2m)aAB,解得A、B两个小球的加速度为aAB=g sin θ,方向沿斜面向上;以B为研究对象,由牛顿第二定律得FAB-2mg sin θ=2maAB,解得杆的拉力为FAB=4mg sin θ;以C为研究对象,由牛顿第二定律得aC=g sin θ,方向沿斜面向下,故C正确,A、B、D错误。]
方法技巧 “两关键”“四步骤”巧解瞬时性问题
(1)分析瞬时加速度的“两个关键”
①分析瞬时前、后的受力情况和运动状态。
②明确绳或杆类、弹簧或橡皮条类模型的特点。
(2)“四个步骤”
第一步:分析原来物体的受力情况。
第二步:分析物体在突变时的受力情况。
第三步:由牛顿第二定律列方程。
第四步:求出瞬时加速度,并讨论其合理性。
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[跟进训练]
1.如图所示,在倾角为θ=30°的光滑斜面上,物块A、B质量分别为m和2m。物块A静止在轻弹簧上面,物块B用细线与斜面顶端相连,A、B紧挨在一起但A、B之间无弹力。已知重力加速度为g,某时刻把细线剪断,当细线剪断瞬间,下列说法正确的是( )
A.物块A的加速度为0
B.物块A的加速度为
C.物块B的加速度为0
D.物块B的加速度为
√
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B [剪断细线前,弹簧的弹力F弹=mg sin 30°=mg, 细线剪断的瞬间,弹簧的弹力不变,仍为F弹=mg,而对A、B系统,加速度为a==,即A和B的加速度均为,故B正确,A、C、D错误。]
2.(2024·江苏清江模拟)如图所示,在动摩擦因数μ=0.2的水平面上有一个质量 m=1 kg 的小球,小球与水平轻弹簧及与竖直方向成θ=45°角的不可伸长的轻绳一端相连,此时小球处于静止状态,且水平面对小球的弹力恰好为零。在剪断轻绳的瞬间(g取10 m/s2),最大静摩擦力等于滑动摩擦力,下列说法正确的是( )
A.小球受力个数不变
B.小球将向左运动,且a=8 m/s2
C.小球将向左运动,且a=10 m/s2
D.若剪断的是弹簧,则剪断瞬间小球加速度的大小a= m/s2
√
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B [在剪断轻绳前,小球受重力、绳子的拉力以及弹簧的弹力处于平衡状态,根据共点力平衡得弹簧的弹力F=mg tan 45°=10×1 N=10 N,剪断轻绳的瞬间,弹簧的弹力仍然为10 N,小球此时受重力、支持力、弹簧弹力和摩擦力四个力作用,小球的受力个数发生改变,故选项A错误;小球所受的最大静摩擦力为Ff=μmg=0.2×10 N=2 N,根据牛顿第二定律得小球的加速度为a== m/s2=8 m/s2,合力方向向左,所以加速度向左,故选项B正确,C错误;剪断弹簧的瞬间,轻绳对小球的拉力瞬间为零,此时小球所受的合力为零,则小球的加速度为零,故选项D错误。]
$$