第三章 第1讲 牛顿第一定律 牛顿第二定律（教师用书word）-【步步高】2024年高考物理大一轮复习讲义（ 粤教版 广东专用）

考情分析 牛顿第二定律的应用 2022·全国乙卷·T15　2022·江苏卷·T1　2022·河北卷·T9 2021·北京卷·T13　2020·全国卷Ⅰ·T16　2020·山东卷·T1 2020·海南卷·T12　2020·江苏卷·T5 2019·全国卷Ⅱ·T19　2019·全国卷Ⅲ·T20 牛顿第二定律与直线运动 2022·辽宁卷·T7　2022·浙江6月选考·T19　2021·全国甲卷·T14　2021·全国乙卷·T21　2021·辽宁卷·T13 实验：探究加速度与力、质量的关系 2021·北京卷·T15　2021·湖南卷·T11　2020·浙江7月选考·T17(1) 牛顿第二定律相关拓展创新实验 2021·全国甲卷·T22(测量动摩擦因数)　2021·福建卷·T12(阻力与速度的关系) 2020·山东卷·T13(测重力加速度)　2019·全国卷Ⅱ·T22(测量动摩擦因数) 试题情境 生活实践类 跳水、蹦床、蹦极、火箭发射、无人机、跳伞运动、电梯内的超重及失重 学习探究类 传送带模型，板块模型，探究加速度与力、质量的关系，测量动摩擦因数 第1讲　牛顿第一定律　牛顿第二定律 目标要求　1.理解惯性的本质和牛顿第一定律的内容.2.掌握牛顿第二定律的内容及公式. 3.了解单位制，并知道七个基本单位．会用国际单位制检查结果表达式是否正确． 考点一　牛顿第一定律 一、牛顿第一定律 1．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． 2．理想实验：它是在经验事实基础上采用科学的抽象思维来展开的实验，是人们在思想上塑造的理想过程．牛顿第一定律是通过理想斜面实验得出的，它不能由实际的实验来验证． 3．物理意义 (1)揭示了物体在不受外力或所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，即物体维持其原有运动状态的特性． (3)揭示了力与运动的关系，说明力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因． 强调：运动状态的改变指速度的改变，速度改变则必有加速度，故力是物体产生加速度的原因． 二、惯性 1．定义：物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性． 2．惯性大小的量度 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． 1．牛顿第一定律是实验定律．(　×　) 2．运动的物体惯性大，静止的物体惯性小．(　×　) 3．物体不受力时，将处于静止状态或匀速直线运动状态．(　√　) 1．对惯性的理解 (1)惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性． (2)物体的惯性总是以“保持原状”“反抗改变”两种形式表现出来． (3)物体惯性的大小取决于质量，质量越大，惯性越大． (4)惯性与物体的受力情况、运动状态及所处的位置无关． 2．惯性的表现形式 (1)物体不受外力或所受的合外力为零时，惯性表现为物体保持匀速直线运动状态或静止状态． (2)物体受到外力且合外力不为零时，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． 例1　(多选)科学家关于物体运动的研究对树立正确的自然观具有重要作用．下列说法中符合历史事实的是(　　) A．亚里士多德认为，必须有力作用在物体上，物体的运动状态才会改变 B．伽利略通过“理想实验”得出结论：如果物体不受力，它将以这一速度永远运动下去 C．笛卡儿指出，如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向 D．牛顿认为，物体都具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质 答案　BCD 解析　亚里士多德认为，必须有力作用在物体上，物体才能运动，故A错误；伽利略通过“理想实验”得出结论：力不是维持运动的原因，如果物体不受力，它将以这一速度永远运动下去，故B正确；笛卡儿指出，如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向，故C正确；牛顿认为物体都具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，故D正确． 例2　如图所示，一只盛水的容器固定在一个小车上，在容器中分别用细绳悬挂和拴住一个铁球和一个乒乓球，容器中水和铁球、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)(　　) 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 答案　A 解析　当容器突然向右运动时，同等体积的铁球和水比较，铁球的质量大，铁球保持原来的运动状态，相对于水向左偏移，相对于小车向左运动，同等体积的乒乓球和水比较，水的质量大，水相对于乒乓球向左偏移，因此乒乓球相对于水向右偏移，相对于小车向右运动，故选A. 考点二　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正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同． 2．表达式：F＝ma. 1．物体加速度的方向一定与合外力方向相同．(　√　) 2．由m＝可知，物体的质量与其所受合外力成正比，与其运动的加速度成反比．(　×　) 3．可以利用牛顿第二定律确定高速电子的运动情况．(　×　) 1．对牛顿第二定律的理解 2．力和运动之间的关系 (1)不管速度是大是小，或是零，只要合力不为零，物体就有加速度． (2)a＝是加速度的定义式，a与Δv、Δt无必然联系；a＝是加速度的决定式，a∝F，a∝. (3)合力与速度同向时，物体做加速直线运动；合力与速度反向时，物体做减速直线运动． 考向1　对牛顿第二定律的理解 例3　(多选)下列说法正确的是(　　) A．对静止在光滑水平面上的物体施加一个水平力，当力刚作用瞬间，物体立即获得加速度 B．物体由于做加速运动，所以才受合外力作用 C．F＝ma是矢量式，a的方向与F的方向相同，与速度方向无关 D．物体所受合外力减小，加速度一定减小，而速度不一定减小 答案　ACD 解析　由于物体的加速度和合外力是瞬时对应关系，由此可知当力作用瞬间，物体会立即产生加速度，选项A正确；根据因果关系，合外力是产生加速度的原因，即物体由于受合外力作用，才会产生加速度，选项B错误；F＝ma是矢量式，a的方向与F的方向相同，与速度方向无关，选项C正确；由牛顿第二定律可知物体所受合外力减小，加速度一定减小，如果物体做加速运动，其速度会增大，如果物体做减速运动，速度会减小，选项D正确． 例4　某型号战斗机在某次起飞中，由静止开始加速，当加速度a不断减小至零时，飞机刚好起飞．关于起飞过程，下列说法正确的是(　　) A．飞机所受合力不变，速度增加得越来越慢 B．飞机所受合力减小，速度增加得越来越快 C．速度方向与加速度方向相同，速度增加得越来越快 D．速度方向与加速度方向相同，速度增加得越来越慢 答案　D 解析　根据牛顿第二定律可知，当合力逐渐减小至零时加速度a不断减小到零；飞机做加速运动，加速度方向与速度方向相同，加速度减小，即速度增加得越来越慢，故A、B、C项错误，D项正确． 考向2　牛顿第二定律的简单应用 例5　2021年10月16日0时23分，“神舟十三号”成功发射，顺利将三名航天员送入太空并进驻空间站．在空间站中，如需测量一个物体的质量，需要运用一些特殊方法：如图所示，先对质量为m1＝1.0 kg的标准物体P施加一水平恒力F，测得其在1 s内的速度变化量大小是10 m/s，然后将标准物体与待测物体Q紧靠在一起，施加同一水平恒力F，测得它们1 s内速度变化量大小是2 m/s.则待测物体Q的质量m2为(　　) A．3.0 kg B．4.0 kg C．5.0 kg D．6.0 kg 答案　B 解析　对P施加F时，根据牛顿第二定律有a1＝＝＝10 m/s2，对P和Q整体施加F时，根据牛顿第二定律有a2＝＝＝2 m/s2，联立解得m2＝4.0 kg，故选B. 例6　(2022·全国乙卷·15)如图，一不可伸长轻绳两端各连接一质量为m的小球，初始时整个系统静置于光滑水平桌面上，两球间的距离等于绳长L.一大小为F的水平恒力作用在轻绳的中点，方向与两球连线垂直．当两球运动至二者相距L时，它们加速度的大小均为(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　当两球运动至二者相距L时，如图所示， 由几何关系可知sin θ＝＝，设绳子拉力为T，水平方向有2Tcos θ＝F，解得T＝F，对任意小球由牛顿第二定律有T＝ma，解得a＝，故A正确，B、C、D错误． 利用牛顿第二定律解题的思路 (1)选取研究对象进行受力分析； (2)应用平行四边形定则或正交分解法求合力； (3)根据F合＝ma求物体的加速度a. 例7　(多选)如图甲所示，一竖直放置的足够长的固定玻璃管中装满某种液体，一半径为r、质量为m的金属小球，从t＝0时刻起，由液面静止释放，小球在液体中下落，其加速度a随速度v的变化规律如图乙所示．已知小球在液体中受到的阻力f＝6πηvr，式中r是小球的半径，v是小球的速度，η是常数．忽略小球在液体中受到的浮力，重力加速度为g，下列说法正确的是(　　) A．小球的最大加速度为g B．小球的速度从0增加到v0的过程中，做匀变速运动 C．小球先做加速度减小的变加速运动，后做匀速运动 D．小球的最大速度为 答案　ACD 解析　当t＝0时，小球所受的阻力f＝0，此时加速度为g，A正确；随着小球速度的增加，加速度减小，小球的速度从0增加到v0的过程中，加速度减小，做变加速运动，B错误；根据牛顿第二定律有mg－f＝ma，解得a＝g－，当a＝0时，速度最大，为v0，此后小球做匀速运动，最大速度v0＝，C、D正确． 考点三　单位制 1．单位制：基本单位和导出单位一起组成了单位制． 2．基本单位：基本量的单位．国际单位制中基本量共七个，其中力学有三个，是长度、质量、时间，单位分别是米、千克、秒． 3．导出单位：由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量的单位． 4．国际单位制的基本单位 物理量名称 物理量符号 单位名称 单位符号 长度 l 米 m 质量 m 千克(公斤) kg 时间 t 秒 s 电流 I 安[培] A 热力学温度 T 开[尔文] K 物质的量 n，(ν) 摩[尔] mol 发光强度 I，(Iv) 坎[德拉] cd 例8　(2023·广东广州市模拟)关于下面的物理量或物理量的单位：①公里；②速度；③时间；④焦耳；⑤瓦特；⑥电子伏特；⑦电流；⑧特斯拉；⑨热力学温度．下列说法正确的是(　　) A．①、⑤、⑧都是国际单位，并且都是基本单位 B．④是能量的单位，⑥是电压的单位 C．②、⑦、⑨都是基本物理量 D．③、⑦、⑨都是基本物理量 答案　D 解析　“公里”不是国际单位，A错误；“电子伏特”是能量的单位，B错误；“速度”不是基本物理量，C错误；“时间”、“电流”、“热力学温度”都是基本物理量，D正确． 例9　汽车在高速行驶时会受到空气阻力的影响，已知空气阻力f＝cρSv2，其中c为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为物体迎风面积，v为物体与空气的相对运动速度．则空气阻力系数c的国际单位是(　　) A．常数，没有单位 B. C. D. 答案　A 解析　由f＝cρSv2，可得c＝，右边式子代入单位可得＝2，即c为常数，没有单位，B、C、D错误，A正确． 课时精练 1.(2023·广东省华侨中学月考)理想实验有时更能深刻地反映自然规律．伽利略设想了一个理想实验，其中有一个是经验事实，其余是推论．如图所示，假设小球运动至斜面最低点时，没有速度损失． ①减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度． ②两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面． ③如果没有摩擦，小球将上升到原来释放时的高度． ④继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成水平面，小球要沿水平面做持续的匀速运动． 在上述的设想步骤中，有的属于可靠的事实，有的则是理想化的推论．下列对理想实验各步骤顺序的排列以及关于事实和推论的分类正确的是(　　) A．顺序②①③④，①是事实，②③④是推论 B．顺序②③①④，②是事实，①③④是推论 C．顺序③②①④，③是事实，①②④是推论 D．顺序③①②④，④是事实，①②③是推论 答案　B 解析　伽利略的理想实验是以经验事实为基础，通过一定的实际实验，再运用分析推理得出结论的．之所以称之为理想实验，是因为实验的结果是无法用实际的实验进行验证的．但是，分析推理的过程是合乎逻辑的，是严密的，是对实际过程的科学的抽象，因此得出的结论是对客观世界真实的反映．本题实验的四个步骤中，只有②是经验事实，①③④都是推论，实验步骤的正确顺序为②③①④，B选项符合题意． 2．(2023·广东肇庆市模拟)大型油罐车内的油在运输过程中极易发生涌动(如图甲)，为了防止油涌动导致车体重心急剧变化的危害，在油罐车内部设置了一些固定挡板(如图乙)．下列说法错误的是(　　) A．油罐车匀速向左拐弯时，油罐内的油将涌动到油罐的右侧 B．油罐车在设置挡板后，减小了油的惯性，使油不容易发生涌动 C．油罐车在匀速前进的过程中突然刹车，挡板可以减弱油向前剧烈涌动 D．油罐车在平直道路上匀速前进时，即使没有挡板油也几乎不会涌动 答案　B 解析　由于惯性，油罐车匀速向左拐弯时，油罐内的油将涌动到油罐的右侧，故A正确；惯性取决于物体的质量，故B错误；油罐车在匀速前进的过程中突然刹车，由于惯性，油向前剧烈涌动，设置挡板并不能改变油的惯性，但能减弱油向前剧烈涌动，故C正确；油罐车在平直道路上匀速前进时，由牛顿第一定律可知，即使没有挡板油也几乎不会涌动，故D正确． 3．(2022·江苏卷·1)高铁车厢里的水平桌面上放置一本书，书与桌面间的动摩擦因数为0.4，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取重力加速度g＝10 m/s2.若书不滑动，则高铁的最大加速度不超过(　　) A．2.0 m/s2 B．4.0 m/s2 C．6.0 m/s2 D．8.0 m/s2 答案　B 解析　书放在水平桌面上，若书相对于桌面不滑动，则最大静摩擦力提供加速度，即有fm＝μmg＝mam，解得am＝μg＝4 m/s2，书相对高铁静止，故若书不滑动，高铁的最大加速度为4 m/s2，B正确，A、C、D错误． 4．(2023·广东湛江市模拟)某人在钓鱼时所用的鱼漂由一横截面积为S的均匀塑料直管制成，如图所示，O为鱼漂的中点，A、B两点到O点的距离均为鱼漂总长的，鱼钩、鱼饵、渔线和鱼漂在水中平衡时，O点恰好与水面平齐．某次由于鱼咬钩将鱼漂竖直向下拉至A点与水面平齐后由静止释放，不计鱼钩、鱼饵和渔线的体积，不计水的阻力，则下列说法正确的是(　　) A．在鱼漂上升的过程中，其加速度一直减小 B．鱼漂在上升到最高点的过程中加速度一直增大 C．鱼漂上升到最高点时，B点恰好在水面上 D．AO的中点经过水面时，鱼漂的速度最大 答案　C 解析　在鱼漂上升的过程中，受浮力和恒定的重力，浮力大小与鱼漂进入水面的深度成正比，浮力先大于重力，后小于重力，则鱼漂上升时先向上加速，后向上减速，速度先增大后减小，而加速度先向上减小，后向下增大，故A、B错误；O为鱼漂的中点，鱼钩、鱼饵、渔线和鱼漂在水中平衡时，O点恰好与水面平齐，根据运动的对称性可知鱼漂在AOB间振动，故O点经过水面时鱼漂速度最大，鱼漂上升到最高点时，B点恰好在水面上，故C正确，D错误． 5.(2023·河北衡水市冀州区第一中学高三检测)某人想测量地铁启动过程中的加速度，他把一根细绳的下端绑着一支圆珠笔，细绳的上端用电工胶布临时固定在地铁的竖直扶手上．在地铁启动后的某段加速过程中，细绳偏离了竖直方向，他用手机拍摄了当时情景的照片，拍摄方向跟地铁前进方向垂直．细绳偏离竖直方向约为30°角，此时地铁的加速度约为(　　) A．6 m/s2 B．7.5 m/s2 C．10 m/s2 D．5 m/s2 答案　A 解析　对圆珠笔进行受力分析，如图所示，根据牛顿第二定律有F合＝ma，由图可分析出＝＝tan 30°，解得a≈6 m/s2，故A正确，B、C、D错误． 6.(2023·北京市第四十三中学月考)某同学使用轻弹簧、直尺、钢球等制作了一个“竖直加速度测量仪”．如图所示，弹簧上端固定，在弹簧旁沿弹簧长度方向固定一直尺．不挂钢球时，弹簧下端指针位于直尺20 cm刻度处；下端悬挂钢球，静止时指针位于直尺40 cm刻度处．将直尺不同刻度对应的加速度标在直尺上，就可用此装置直接测量竖直方向的加速度．取竖直向上为正方向，重力加速度大小为g.下列说法正确的是(　　) A．30 cm刻度对应的加速度为－0.5g B．40 cm刻度对应的加速度为g C．50 cm刻度对应的加速度为2g D．各刻度对应加速度的值是不均匀的 答案　A 解析　在40 cm刻度处，有mg＝F弹，则40 cm刻度对应的加速度为0，B错误；由分析可知，在30 cm刻度处，有F弹－mg＝ma，有a＝－0.5g，A正确；由分析可知，在50 cm刻度处，有F弹－mg＝ma，代入数据有a＝0.5g，C错误；设某刻度对应值为x，结合分析可知＝a，Δx＝x－0.2 m(取竖直向上为正方向)，经过计算有a＝5gx－2g (m/s2)(x≥0.2 m)或a＝－5gx (m/s2)(x<0.2 m)，根据以上分析，加速度a与刻度对应值x成线性关系，则各刻度对应加速度的值是均匀的，D错误． 7.(多选)如图，圆柱形玻璃容器内装满液体静置于水平面上，容器中有a、b、c三个不同材质的物块，物块a、c均对容器壁有压力，物块b悬浮于容器内的液体中，忽略a、c与容器壁间的摩擦．现给容器施加一个水平向右的恒力，使容器向右做匀加速直线运动．下列说法正确的是(　　) A．三个物块将保持图中位置不变，与容器一起向右加速运动 B．物块a将相对于容器向左运动，最终与容器右侧壁相互挤压 C．物块b将相对于容器保持静止，与容器一起做匀加速运动 D．物块c将相对于容器向右运动，最终与容器右侧壁相互挤压 答案　CD 解析　由题意可知，c浮在上面对上壁有压力，可知c排开水的质量大于c本身的质量，同理b排开水的质量等于b本身的质量，a排开水的质量小于a本身的质量；则当容器向右做匀加速运动时，由牛顿第一定律可知，物块a将相对于容器向左运动，最终与容器左侧壁相互挤压；物块b将相对于容器保持静止，与容器一起做匀加速运动；物块c因相等体积的水将向左运动，则导致c将相对于容器向右运动，最终与容器右侧壁相互挤压(可将c想象为一个小气泡)，故选C、D. 8.(2023·广东深圳市检测)如图所示，固定在钢梁两端的钢绳允许承担的拉力为30 000 N，钢绳之间的夹角为120°，竖直起吊质量为 2×103 kg的水平钢梁时，加速度的最大值可达到(g＝10 m/s2)(　　) A．5 m/s2 B．5 m/s2 C．10 m/s2 D．10 m/s2 答案　A 解析　已知钢绳最大拉力T＝30 000 N，钢绳拉力方向与竖直方向夹角为60°，钢梁受到绳拉力最大合力为F＝2Tcos 60°，方向竖直向上．对钢梁，其合外力F合＝F－mg，根据牛顿第二定律有F合＝ma，联立并代入数据解得a＝5 m/s2，故选A. 9．如图甲所示，水平地面上轻弹簧左端固定，右端通过小物块压缩0.4 m后锁定，t＝0时解除锁定，释放小物块．计算机通过小物块上的速度传感器描绘出它的v－t图线如图乙所示，其中Oab段为曲线，bc段为直线，倾斜直线Od是t＝0时图线的切线，已知小物块的质量为m＝2 kg，重力加速度取g＝10 m/s2，则下列说法正确的是(　　) A．小物块与地面间的动摩擦因数为0.3 B．小物块与地面间的动摩擦因数为0.4 C．弹簧的劲度系数为175 N/m D．弹簧的劲度系数为150 N/m 答案　C 解析　根据v－t图线斜率的绝对值表示加速度大小，由题图乙知，物块脱离弹簧后的加速度大小a＝＝ m/s2＝5 m/s2，由牛顿第二定律得μmg＝ma，所以μ＝＝0.5，A、B错误；刚释放时物块的加速度大小为a′＝＝ m/s2＝30 m/s2，由牛顿第二定律得kx－μmg＝ma′，代入数据解得k＝175 N/m，C正确，D错误． 10.(多选)如图所示，一个小球O用1、2两根细绳连接并分别系于箱子上的A点和B点，OA与水平方向的夹角为θ，OB水平，开始时箱子处于静止状态，下列说法正确的是(　　) A．若使箱子水平向右加速运动，则绳1、2的张力均增大 B．若使箱子水平向右加速运动，则绳1的张力不变，绳2的张力增大 C．若使箱子竖直向上加速运动，则绳1、2的张力均增大 D．若使箱子竖直向上加速运动，则绳1的张力增大，绳2的张力不变 答案　BC 解析　箱子静止时，对小球，根据平衡条件得FOAsin θ＝mg，FOB＝FOAcos θ，若使箱子水平向右加速运动，则在竖直方向上合力为零，有FOA′sin θ＝mg，FOB′－FOA′cos θ＝ma，所以绳1的张力不变，绳2的张力增大，选项A错误，B正确；若使箱子竖直向上加速运动，则FOA″sin θ－mg＝ma′，FOB″＝FOA″cos θ，所以绳1的张力增大，绳2的张力也增大，选项C正确，D错误． 11.如图为用索道运输货物的情景，已知倾斜的索道与水平方向的夹角为37°，质量为m的货物与车厢地板之间的动摩擦因数为0.3.当载重车厢沿索道向上加速运动时，货物与车厢仍然保持相对静止状态，货物对车厢水平地板的正压力为其重力的1.15倍，连接索道与车厢的杆始终沿竖直方向，重力加速度为g，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，那么这时货物对车厢地板的摩擦力大小为(　　) A．0.35mg B．0.3mg C．0.23mg D．0.2mg 答案　D 解析　将a沿水平和竖直两个方向分解，对货物受力分析如图所示， 水平方向：f＝max， 竖直方向：FN－mg＝may，FN＝1.15mg， 又＝，联立解得f＝0.2mg，故D正确． 12.新疆长绒棉因质量美誉世界．长绒棉从犁地、播种、植保到采收，已基本实现全自动化．如图为无人机为棉花喷洒农药的场景．无人机悬停在某一高度，自静止开始沿水平方向做匀加速运动，2.8 s达到作业速度，开始沿水平方向匀速作业，已知作业前无人机和农药总质量为25 kg，无人机作业速度为7 m/s，重力加速度取10 m/s2.则在加速阶段空气对无人机的作用力约为(　　) A．250 N B．258 N C．313 N D．358 N 答案　B 解析　根据加速度定义得a＝＝2.5 m/s2，则F＝≈258 N，故选B. 学科网（北京）股份有限公司 $$