第一篇 专题一 第2讲 匀变速直线运动 牛顿运动定律-【步步高·大二轮专题复习】2025年高考物理复习讲义课件(广东专用)(课件PPT+word教案)
2025-04-28
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教辅
山东金榜苑文化传媒有限责任公司
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| 学段 | 高中 |
| 学科 | 物理 |
| 教材版本 | - |
| 年级 | - |
| 章节 | - |
| 类型 | 教案-讲义 |
| 知识点 | 力学 |
| 使用场景 | 高考复习-二轮专题 |
| 学年 | 2025-2026 |
| 地区(省份) | 广东省 |
| 地区(市) | - |
| 地区(区县) | - |
| 文件格式 | ZIP |
| 文件大小 | 40.18 MB |
| 发布时间 | 2025-04-28 |
| 更新时间 | 2025-04-28 |
| 作者 | 山东金榜苑文化传媒有限责任公司 |
| 品牌系列 | - |
| 审核时间 | 2025-04-28 |
| 下载链接 | https://m.zxxk.com/soft/51850857.html |
| 价格 | 4.00储值(1储值=1元) |
| 来源 | 学科网 |
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内容正文:
第2讲 匀变速直线运动 牛顿运动定律
目标要求 1.会用多种方法灵活处理匀变速直线运动的问题。2.掌握牛顿第二定律,会分析瞬时性问题、连接体问题,会应用牛顿运动定律解决运动的实际问题。3.会分析运动学和动力学图像。
考点一 匀变速直线运动规律及应用
常用方法
例1 (2024·广西卷·13)如图,轮滑训练场沿直线等间距地摆放着若干个定位锥筒,锥筒间距d=0.9 m,某同学穿着轮滑鞋向右匀减速滑行。现测出他从1号锥筒运动到2号锥筒用时t1=0.4 s,从2号锥筒运动到3号锥筒用时t2=0.5 s。求该同学
(1)滑行的加速度大小;
(2)最远能经过几号锥筒。
答案 (1)1 m/s2 (2)4
解析 (1)根据匀变速运动规律,某段内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,可知在1、2间中间时刻的速度为v1==2.25 m/s
2、3间中间时刻的速度为v2==1.8 m/s
故可得加速度大小为
a===1 m/s2
(2)设到达1号锥筒时的速度为v0,
根据匀变速直线运动规律得v1=v0-a
代入数据解得v0=2.45 m/s
从1号开始到停止时通过的位移大小为
s==3.001 25 m≈3.33d
故可知最远能经过4号锥筒。
例2 (2024·山东卷·3)如图所示,固定的光滑斜面上有一木板,其下端与斜面上A点距离为L。木板由静止释放,若木板长度L,通过A点的时间间隔为Δt1;若木板长度为2L,通过A点的时间间隔为Δt2。Δt2∶Δt1为 ( )
A.(-1)∶(-1)
B.(-)∶(-1)
C.(+1)∶(+1)
D.(+)∶(+1)
答案 A
解析 方法一 基本公式法
木板在斜面上运动时,木板的加速度不变,设加速度为a,木板从静止释放到下端到达A点的过程,根据运动学公式有L=a
木板从静止释放到上端到达A点的过程,当木板长度为L时,有2L=a
当木板长度为2L时,有3L=a
又Δt1=t1-t0,Δt2=t2-t0
联立解得Δt2∶Δt1=(-1)∶(-1)
故选A。
方法二 比例式法
设木板从静止释放到下端到达A点的时间为t0,木板经过A点时间为Δt1
若木板长度为L,
则t0∶Δt1=1∶(-1)①
若木板长度为2L,设木板经过A点时间为Δt2
t0∶Δt2=1∶[(-1)+(-)]=1∶(-1)②
联立①②得Δt2∶Δt1=(-1)∶(-1)。
考点二 牛顿运动定律的应用
例3 (2024·广东肇庆市二模)在商场大厅的水平地面上,某学生观察到一服务员推一列总质量m1=40 kg的购物车,由静止开始运动,经过t=10 s车通过的位移为s1=20 m。经理为了提高工作效率,让服务员在第二次推车时增加了推车的质量,此后该学生观测到这次车由静止开始经过t=10 s通过的位移为s2=15 m。假设购物车的运动轨迹为直线,服务员先后两次的推力F保持不变,车所受的阻力f等于车重力的,取g=10 m/s2,求:
(1)推力F的大小;
(2)第二次比第一次增加的质量。
答案 (1)20 N (2)10 kg
解析 (1)设第一次推车时的加速度大小为a1,由运动学公式得s1=a1t2
对购物车由牛顿第二定律得
F-0.01m1g=m1a1
代入数据解得F=20 N
(2)设第二次推车时的加速度大小为a2,由运动学公式有s2=a2t2
由牛顿第二定律得F-0.01m2g=m2a2
联立以上各式解得m2=50 kg
则Δm=m2-m1=10 kg。
解决动力学两类基本问题的思路
例4 复兴号动车组在世界上首次实现了速度350 km/h自动驾驶功能,成为我国自主创新的重大标志性成果之一。动车组是由动车和拖车编组而成,提供动力的车厢叫动车,不提供动力的车厢叫拖车。某动车组由8节车厢组成,其中按顺序排列的车厢中,第1、3、6、8节主厢为动车,其余为拖车。若该动车组各车厢质量均为m,在水平直轨道上运动时每节动车提供的动力恒为F,每节车厢受到的阻力大小恒为f。该动车组在水平直轨道上运动的过程中,求:
(1)动车组的加速度大小;
(2)第3、4节车厢之间相互作用力的大小。
答案 (1) (2)
解析 (1)取整列动车组为研究对象,由牛顿第二定律可得4F-8f=8mg
解得a=
(2)设第3、4节车厢之间的相互作用力大小为F34。若第一节车厢为车头,取动车组的第1、2、3节为研究对象,由牛顿第二定律得2F-3f-F34=3ma
解得F34=
四类常见连接体问题
三种情况中弹簧弹力、绳的张力大小相同且与接触面是否光滑无关
跨滑轮的连接体
两物体速度和加速度大小相同、方向不同,常用隔离法
叠加类连接体
两物体刚要发生相对滑动时物体间达到最大静摩擦力
靠在一起的连接体
分离时相互作用力为零,但此时两物体的加速度仍相等
例5 (2024·广东华南师范大学附属中学期中)传送带在运送货物时往往采用恒速(速率保持不变)运行方式,但这种运行方式效率较低,浪费大量电能。为了提高传送带输送货物效率,实现节省电能的目标,某公司利用自动控制系统根据货物运送量自动调控传送带运行速度。该公司传送带模型如图所示,倾角为θ=15°,长度为L=20 m。货物静止放置在传送带底端,从传送带顶端离开传送带。取g=10 m/s2,sin 15°=0.26,cos 15°=0.97,tan 15°=0.27,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。
(1)为了使货物能被传送带输送到项端,求货物与传送带之间动摩擦因数μ0需满足的条件;
(2)根据货物输送量,该公司将传送带运行速度设置为v0=3 m/s,货物与传送带间的动摩擦因数为μ=0.5,当货物与传送带达到共同速度时,求货物的位移大小;
(3)在(2)的情况下,由于货物运送量变少,当货物刚与传送带共速时,自动控制系统以大小为a1=10 m/s2的加速度将传动带运行速度降低为v1=1 m/s,求货物运行到传送带顶端时在传送带上留下的痕迹长度;
(4)在运送货物过程中,避免货物与传送带相对滑动可延长传送带使用寿命。请根据上述计算,提出一条能延长传送带使用寿命的建议。
答案 (1)μ0>0.27 (2)2 m (3)2 m (4)见解析
解析 (1)对货物受力分析,由牛顿第二定律可得f-mgsin θ=ma
其中f=μ0mgcos θ
货物向上运动a>0
得货物与传送带之间动摩擦因数μ0需满足的条件为μ0>0.27
(2)共速前,对货物由牛顿第二定律有f'-mgsin θ=ma0,其中f'=μmgcos θ
设经过时间t1货物与传送带达到共速,则有v0=a0t1
该过程货物的位移为s1=v0t1=2 m
(3)由(2)知,从货物放上传送带到货物与传送带共速,传送带位移为s2=v0t1
货物在传送带上运动痕迹为Δs=s2-s1=2 m
共速后,假设货物与传送带相对静止一起做减速运动,对货物受力分析有
f1+mgsin θ=ma1
可得f1>f'
所以货物与传送带发生相对滑动。对货物有f'+mgsin θ=ma2
设经过时间t2,货物再次与传送带共速,有v1=v0-a2t2
货物位移为s1'=(v1+v0)t2
对传送带v1=v0-a1t3
传送带位移为s2'=(v0+v1)t3,经计算a1>a2,故t2>t3,又因为s2″=v1(t2-t3)
再次共速阶段,痕迹长度为Δs1=s1'-s2'-s2″≈0.07 m
因为Δs1<Δs,所以,货物在传送带上的痕迹长度为2 m。
(4)在运送货物过程中,避免货物与传送带相对滑动可延长传送带使用寿命。可增加传送带的粗糙程度(增大动摩擦因数)或减小传送带倾斜角θ。
考点三 运动学和动力学图像
1.三种运动学图像
常见图像
斜率k
面积
两图像交点
s-t图像
=v
表示相遇
v-t图像
=a
位移s
表示此时速度相等,往往是距离最大或最小的临界点
a-t图像
速度变
化量Δv
表示此时加速度相等
2.三种动力学图像
F-t图像
思路一:分段求加速度,利用运动学公式求解
思路二:动量定理,图线与t轴所围面积表示F的冲量
F-s图像
思路一:分段求加速度,利用运动学公式求解
思路二:动能定理,图线与s轴所围面积表示力F做的功
a-F图像
根据牛顿第二定律列式,再变换成a-F关系
例如:如图所示,F-μmg=ma,a=-μg,则a-F图像的斜率为,截距为-μg
例6 (多选)(2023·福建卷·7)甲、乙两辆完全相同的小车均由静止沿同一方向出发做直线运动。以出发时刻为计时零点,甲车的速度—时间图像如图(a)所示,乙车所受合外力—时间图像如图(b)所示。则( )
A.0~2 s内,甲车的加速度大小逐渐增大
B.乙车在t=2 s和t=6 s时的速度相同
C.2~6 s内,甲、乙两车的位移不同
D.t=8 s时,甲、乙两车的动能不同
答案 BC
解析 由题知甲车的速度—时间图像如图(a)所示,则根据图(a)可知0~2 s内,甲车做匀加速直线运动,加速度大小不变,故A错误;由题知乙车所受合外力—时间图像如图(b)所示,则乙车在0~2 s内根据动量定理有I2=mv2,I2=S0~2=2 N·s,乙车在0~6 s内根据动量定理有I6=mv6,I6=S0~6=2 N·s,则可知乙车在t=2 s和t=6 s时的速度相同,故B正确;根据图(a)可知,2~6 s内甲车的位移为0;根据图(b)可知,2~6 s内乙车一直向正方向运动,则2~6 s内,甲、乙两车的位移不同,故C正确;根据图(a)可知,t=8 s时甲车的速度为0,则t=8 s时,甲车的动能为0;乙车在0~8 s内根据动量定理有I8=mv8,I8=S0~8=0,可知t=8 s时乙车的速度为0,则t≈8 s时,乙车的动能为0,故D错误。
3.非常规图像
非常规图像(举例)
函数表达式
斜率k
纵截距b
v2-s图像
由v2-=2as得v2=+2as
2a
-t图像
由s=v0t+at2得=v0+at
a
v0
-图像
由s=v0t+at2得=v0+a
v0
a
a-s图像
由v2-=2as知图线与x轴所围面积等于,此面积与物体质量乘积表示动能的变化量
-s
面积表示运动时间
注意:-t图像与t轴围的面积不表示这段时间内物体的位移。
例7 在某次安全测试中,某款汽车在平直公路上行驶,突然发现前方有障碍物,智能系统识别后紧急恒力制动。从制动开始计时,该汽车的位移和时间的比值与t之间的关系图像如图所示,则下列说法正确的是( )
A.该汽车的初速度为20 m/s
B.该汽车的初速度为6 m/s
C.该汽车的加速度大小为4 m/s2
D.该汽车从制动到停止用时5 s
答案 A
解析 由于汽车恒力制动,则可知该汽车制动后做匀减速直线运动,设该汽车制动后的加速度大小为a,由位移与时间的关系可得s=v0t-at2,变式可得=-at+v0,结合题图可得v0=20 m/s,a=8 m/s2,故A正确,B、C错误;根据速度与时间的关系可得,该汽车从制动到停止用时t0==2.5 s,故D错误。
物理中一次函数问题的解题思路
举例
基本公式
变形后的一次函数表达式
斜率
截距
单摆T2-l图像
T=2π
T2=4π2
伏阻法测电阻的-图像
E=U+r
=·+
安阻法测电阻的-R图像
E=I(R+r)
=R+
专题强化练
[分值:60分]
1~5题每题4分,6~9题每题6分,10题9分,11题7分,共60分
[保分基础练]
1.(2024·新课标卷·14)一质点做直线运动,下列描述其位移x或速度v随时间t变化的图像中,可能正确的是 ( )
答案 C
解析 物体做直线运动,位移与时间成函数关系,A、B选项中一个时间对应两个或两个以上的位移,故不可能;同理D选项中一个时间对应两个速度,也不可能,只有C选项速度与时间是成函数关系,故可能。
2.(2024·大湾区二模)香海大桥为广东省重点交通项目,已于2022年全线通车,其与江珠高速公路有相交点,可进一步促进大湾区内珠中江地区融合发展,已知大桥全长29.8 km,其中主线长20 km,支线长9.8 km,支线路段限速为80 km/h。若一辆汽车以加速度4 m/s2从静止开始驶入支线,先直线加速到72 km/h,后保持匀速率行驶,则下列说法正确的是( )
A.汽车加速时间为18 s
B.29.8 km指的是位移
C.80 km/h指的是平均速度
D.汽车通过支线的时间小于9分钟
答案 D
解析 汽车加速时间为t1== s=5 s,选项A错误;29.8 km指的是路程,选项B错误;80 km/h指的是瞬时速度,选项C错误;汽车匀加速的位移s1=t1=×5 m=50 m,匀速通过支线的时间t2== s=487.5 s,通过支线的时间为t=t1+t2=492.5 s≈8.20 min<9 min,选项D正确。
3.2023年10月4日,杭州亚运会女子3米跳板决赛在杭州奥体中心游泳馆进行,我国选手陈艺文夺得金牌。从运动员离开跳板开始计时,其重心的v-t图像如图所示,图中仅0~t2段为直线,不计空气阻力,则由图可知( )
A.t3时刻运动员刚好接触到水面
B.运动员接触水面立即做减速运动
C.0~t2段,运动员的加速度保持不变
D.t3~t4段,运动员的加速度逐渐增大
答案 C
解析 不计空气阻力,运动员接触水面之前,仅仅受到重力作用,即运动员接触水面之前,加速度一定,为重力加速度,由于v-t图像斜率表示加速度,则在接触水面之前,v-t图像为一条倾斜的直线,可知,t2时刻运动员刚好接触到水面,故A错误;运动员接触水面后先做加速运动,后做减速运动,故B错误;v-t图像斜率表示加速度,0~t2段图像为一条倾斜的直线,表明0~t2段,运动员的加速度保持不变,故C正确;t3~t4段,v-t图像斜率的绝对值先增大后减小,则运动员的加速度先增大后减小,故D错误。
4.(2024·广东佛山市顺德区二模)2023年10月31日,神舟十六号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。当返回舱距离地面1.2 m时,返回舱的速度为8 m/s,此时返回舱底部的4台反推火箭点火工作,使返回舱触地前瞬间速度降至2 m/s,实现软着陆,若该过程返回舱始终竖直向下做匀减速运动,返回舱的质量变化和受到的空气阻力均忽略不计,返回舱的总质量为3×103 kg,g取10 m/s2,则4台反推火箭点火工作时提供的推力大小为( )
A.3×104 N B.7.5×104 N
C.2.6×104 N D.1.05×105 N
答案 D
解析 根据运动学公式可得v2-=-2ah,解得加速度大小为a== m/s2=25 m/s2,根据牛顿第二定律可得F-mg=ma,解得F=1.05×105 N,故选D。
5.小明同学利用APP测量手机运动过程的加速度a。手机由静止向上运动,其a-t图像如图所示,则( )
A.t2时刻,手机速度最大
B.t3时刻,手机速度为0
C.t3~t4时间内,手机向上运动
D.t2~t4时间内,手机先处于失重状态后处于超重状态
答案 C
解析 由题图可知,t2时刻加速度最大,后续t2到t3仍然在加速,故手机在t3时刻速度最大,故A、B错误;
a-t图像与时间轴围成的面积代表速度变化量,0~t3时间内速度变化量大于t3~t4时间内速度变化量,所以t3~t4时间内,手机向上运动,故C正确;
t2~t4时间内,加速度先向上后向下,手机先处于超重状态后处于失重状态,故D错误。
[争分提能练]
6.(2024·广东省六校联考)如图所示,两物块P、Q用跨过光滑轻质定滑轮的轻绳相连,开始时P静止在水平桌面上。将一个水平向左的拉力F作用在P上后,轻绳的张力变为原来的两倍。已知P、Q两物块的质量分别为mP=2 kg、mQ=1 kg,P与桌面间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g=10 m/s2。则拉力F的大小为( )
A.60 N B.50 N C.40 N D.30 N
答案 B
解析 开始时轻绳的张力为T1=mQg=10 N,则当加一个水平向左的拉力F作用在P上后,轻绳的张力变为T2=20 N,则由牛顿第二定律对Q,T2-mQg=mQa,对P,F-T2-μmPg=mPa,解得F=50 N,故选B。
7.(多选)(2024·广东汕头市一模)地铁站用于安全检查的装置主要由水平传送带和X光透视系统两部分组成,传送过程传送带速度不变。假设乘客把物品轻放在传送带上之后,物品总会先、后经历两个阶段的运动,已知传送带长度为2.1 m、速率为2 m/s,g取10 m/s2,物品与传送带间的动摩擦因数为0.4,则( )
A.物品在传送带上运动的时间是1.3 s
B.物品做加速运动时,其速度有可能超过传送带速度
C.物品越重,从传送带的左端运送到右端所需要的时间越长
D.若仅使传送带的速率增大为原来的2倍,前阶段物品的位移也增大为原来的4倍
答案 AD
解析 物品在传送带上前阶段受到滑动摩擦力,由牛顿第二定律可得a==μg=4 m/s2,物品加速阶段的位移s1== m=0.5 m,物品加速达到与传送带相同速度后,与传送带一起匀速运动,物品匀速运动时不受摩擦力,故B错误;物品匀加速运动的时间t1== s=0.5 s,物品匀速运动的时间t2== s=0.8 s,物品在传送带上运动的时间是t=t1+t2=0.5 s+0.8 s=1.3 s,与物品的质量无关,故A正确,C错误;由s=,可知若仅使传送带的速率增大为原来的2倍,前阶段物品的位移增大为原来的4倍,故D正确。
8.(2024·广东卷·7)如图所示,轻质弹簧竖直放置,下端固定。木块从弹簧正上方H高度处由静止释放。以木块释放点为原点,取竖直向下为正方向。木块的位移为y,所受合外力为F,运动时间为t,忽略空气阻力,弹簧在弹性限度内。关于木块从释放到第一次回到原点的过程中,其F-y图像或y-t图像可能正确的是 ( )
答案 B
解析 在木块下落H高度之前,木块所受合外力为木块的重力,保持不变,即F=mg
当木块接触弹簧后
合外力F=mg-kx,
其中x为压缩量且x=y-H
F-y图像如图甲所示
故B正确,A错误;
在木块下落H高度之前,木块做自由落体运动,根据y=gt2,知y-t图像为抛物线,故D错误;
在O~H的过程中,速度逐渐增大,y-t图像斜率逐渐增大,当木块接触弹簧后到合外力为零前,木块的速度继续增大,
所以y-t图像斜率继续增大,当弹簧弹力大于木块的重力后到最低点过程中F=kx-mg
木块所受合外力向上,木块速度减小,所以y-t图像斜率减小,到达最低点后,木块向上运动,经以上分析可知,y-t图像大致为如图乙所示,故C错误。
9.(多选)(2024·广东汕头市二模)如图所示,球筒中静置着一个羽毛球。小明左手拿着球筒,右手迅速拍打筒的上端,使筒获得向下的初速度并与左手发生相对运动,最后羽毛球(视为质点)从筒口上端出来,已知球筒质量为M=90 g(不含球的质量),羽毛球质量为m=5 g,球筒与手之间的滑动摩擦力为f1=2.6 N,球与筒之间的滑动摩擦力为f2=0.1 N,球头离筒的上端距离为d=9 cm,重力加速度g取10 m/s2,空气阻力忽略不计,当球筒获得一个向下的初速度后( )
A.静置时,羽毛球受到的摩擦力大小为0.1 N
B.拍打球筒后瞬间,羽毛球受到向上的摩擦力
C.拍打球筒后瞬间,羽毛球的加速度大小为30 m/s2
D.仅拍打一次,羽毛球恰能出来,则筒的初速度大小为3 m/s
答案 CD
解析 静置时,根据平衡条件有f=mg=5×10-3×10 N=0.05 N,故A错误;拍打球筒后瞬间,球筒相对于羽毛球向下运动,则球筒给羽毛球的摩擦力向下,故B错误;拍打球筒后瞬间,对羽毛球由牛顿第二定律有mg+f2=ma1,解得a1=30 m/s2,故C正确;仅拍打一次,羽毛球恰能出来,则羽毛球头到达球筒的上端时与球筒恰好达到共速,设球筒的加速度为a2、初速度为v,则对球筒由牛顿第二定律有f1+f2-Mg=Ma2,解得a2=20 m/s2,球筒做匀减速运动,羽毛球做匀加速运动,有v-a2t=a1t,vt-a2t2-a1t2=d,代入数据解得v=3 m/s,故D正确。
10.(9分)(2024·广东汕头市一模)小澄同学通过网络查到汕头南站到汕尾站的线路距离为142 km,所需时间为35.7分钟。她进而提出了以下模型:假设从汕头南站到汕尾站可近似视为直线,高铁在其间经历了匀加速、匀速和匀减速三个阶段,且匀加速和匀减速阶段的加速度大小相等。为进一步获取数据,小澄同学将质量为0.2 kg的手机放在高铁的水平桌面上,利用手机软件测量高铁启动时的加速度-时间图像如图所示,忽略一开始的加速度测量误差,重力加速度g取10 m/s2,则:
(1)(4分)高铁启动过程中,求手机所受摩擦力的大小;
(2)(5分)按照该运动模型,计算判断高铁在汕头南站和汕尾站之间的最高时速能否达到350 km/h?
答案 (1)0.1 N (2)不能
解析 (1)由题可知,高铁启动做匀加速运动的加速度为a=0.5 m/s2,对手机根据牛顿第二定律
f=ma=0.1 N
(2)设最高速度为v,匀加速和匀减速的时间均为t1,匀速的时间为t2,则
2×t1+vt2=x,2t1+t2=t,v=at1
联立解得
v=255.6 km/h
即最高时速不能达到350 km/h。
[尖子生选练]
11.(多选)(2024·黑吉辽·10)一足够长木板置于水平地面上,二者间的动摩擦因数为μ。t=0时,木板在水平恒力作用下,由静止开始向右运动。某时刻,一小物块以与木板等大、反向的速度从右端滑上木板。已知t=0到t=4t0的时间内,木板速度v随时间t变化的图像如图所示,其中g为重力加速度大小。t=4t0时刻,小物块与木板的速度相同。下列说法正确的是 ( )
A.小物块在t=3t0时刻滑上木板
B.小物块和木板间动摩擦因数为2μ
C.小物块与木板的质量比为3∶4
D.t=4t0之后小物块和木板一起做匀速运动
答案 ABD
解析 v-t图像的斜率表示加速度,可知t=3t0时刻木板的加速度发生改变,故可知小物块在t=3t0时刻滑上木板,故A正确;
设小物块和木板间动摩擦因数为μ0,取水平向右为正方向,根据题意结合图像可知小物块开始滑上木板时的速度为v0=-μgt0,小物块在木板上滑动的加速度为a0==μ0g,经过t0时间与木板共速此时速度为v共=μgt0,故可得a0==2μg,解得μ0=2μ,故B正确;
设木板质量为M,物块质量为m,根据图像可知小物块未滑上木板时,木板的加速度为a==μg,由牛顿第二定律得F-μMg=Ma,解得F=μMg,根据图像可知小物块滑上木板后木板的加速度为a'==-μg,此时对木板由牛顿第二定律得F-μ(m+M)g-μ0mg=Ma',解得=,故C错误;
假设t=4t0之后小物块和木板一起共速运动,对整体F-μ(m+M)g=μMg-μMg=0,故可知此时整体处于平衡状态,假设成立,即t=4t0之后小物块和木板一起做匀速运动,故D正确。
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力与运动
专题一
第2讲 匀变速直线运动 牛顿运动定律
1.会用多种方法灵活处理匀变速直线运动的问题。
2.掌握牛顿第二定律,会分析瞬时性问题、连接体问题,会应用牛顿运动定律解决运动的实际问题。
3.会分析运动学和动力学图像。
目标要求
内容索引
专题强化练
考点二 牛顿运动定律的应用
考点一 匀变速直线运动规律及应用
考点三 运动学和动力学图像
3
匀变速直线运动规律及应用
考点一
常用方法
(2024·广西卷·13)如图,轮滑训练场沿直线等间距地摆放着若干个定位锥筒,锥筒间距d=0.9 m,某同学穿着轮滑鞋向右匀减速滑行。现测出他从1号锥筒运动到2号锥筒用时t1=0.4 s,从2号锥筒运动到3号锥筒用时t2=0.5 s。求该同学
(1)滑行的加速度大小;
例1
答案 1 m/s2
根据匀变速运动规律,某段内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,可知在1、2间中间时刻的速度为v1==2.25 m/s
2、3间中间时刻的速度为v2==1.8 m/s
故可得加速度大小为
a===1 m/s2
(2)最远能经过几号锥筒。
答案 4
设到达1号锥筒时的速度为v0,
根据匀变速直线运动规律得v1=v0-a
代入数据解得v0=2.45 m/s
从1号开始到停止时通过的位移大小为
s==3.001 25 m≈3.33d
故可知最远能经过4号锥筒。
(2024·山东卷·3)如图所示,固定的光滑斜面上有一木板,其下端与斜面上A点距离为L。木板由静止释放,若木板长度L,通过A点的时间间隔为Δt1;若木板长度为2L,通过A点的时间间隔为Δt2。Δt2∶Δt1为
A.(-1)∶(-1)
B.(-)∶(-1)
C.(+1)∶(+1)
D.(+)∶(+1)
√
例2
方法一 基本公式法
木板在斜面上运动时,木板的加速度不变,设加速度为a,木板从静止释放到下端到达A点的过程,根据运动学公式有L=a
木板从静止释放到上端到达A点的过程,当木板长度为L时,有2L=a
当木板长度为2L时,有3L=a
又Δt1=t1-t0,Δt2=t2-t0
联立解得Δt2∶Δt1=(-1)∶(-1)
故选A。
方法二 比例式法
设木板从静止释放到下端到达A点的时间为t0,木板经过A点时间为Δt1
若木板长度为L,
则t0∶Δt1=1∶(-1) ①
若木板长度为2L,设木板经过A点时间为Δt2
t0∶Δt2=1∶[(-1)+(-)]=1∶(-1) ②
联立①②得Δt2∶Δt1=(-1)∶(-1)。
牛顿运动定律的应用
考点二
(2024·广东肇庆市二模)在商场大厅的水平地面上,某学生观察到一服务员推一列总质量m1=40 kg的购物车,由静止开始运动,经过t=10 s车通过的位移为s1=20 m。经理为了提高工作效率,让服务员在第二次推车时增加了推车的质量,此后该学生观测到这次车由静止开始经过t=10 s通过的位移为s2=15 m。假设购物车的运动轨迹为直线,服务员先后两次的推力F保持不变,车所受的阻力f等于车重力的,取g=10 m/s2,求:
(1)推力F的大小;
例3
答案 20 N
设第一次推车时的加速度大小为a1,由运动学公式得s1=a1t2
对购物车由牛顿第二定律得
F-0.01m1g=m1a1
代入数据解得F=20 N
(2)第二次比第一次增加的质量。
答案 10 kg
设第二次推车时的加速度大小为a2,由运动学公式有s2=a2t2
由牛顿第二定律得F-0.01m2g=m2a2
联立以上各式解得m2=50 kg
则Δm=m2-m1=10 kg。
提炼·总结
解决动力学两类基本问题的思路
复兴号动车组在世界上首次实现了速度350 km/h自动驾驶功能,成为我国自主创新的重大标志性成果之一。动车组是由动车和拖车编组而成,提供动力的车厢叫动车,不提供动力的车厢叫拖车。某动车组由8节车厢组成,其中按顺序排列的车厢中,第1、3、6、8节主厢为动车,其余为拖车。若该动车组各车厢质量均为m,在水平直轨道上运动时每节动车提供的动力恒为F,每节车厢受到的阻力大小恒为f。该动车组在水平直轨道上运动的过程中,求:
(1)动车组的加速度大小;
例4
答案
取整列动车组为研究对象,由牛顿第二定律可得4F-8f=8mg
解得a=
(2)第3、4节车厢之间相互作用力的大小。
答案
设第3、4节车厢之间的相互作用力大小为F34。若第一节车厢为车头,取动车组的第1、2、3节为研究对象,由牛顿第二定律得2F-3f-F34=3ma
解得F34=
三种情况中弹簧弹力、绳的张力大小相同且与接触面是否光滑无关
跨滑轮的连接体 两物体速度和加速度大小相同、方向不同,常用隔离法
叠加类连接体 两物体刚要发生相对滑动时物体间达到最大静摩擦力
靠在一起的连接体 分离时相互作用力为零,但此时两物体的加速度仍相等
多题归一
四类常见连接体问题
(2024·广东华南师范大学附属中学期中)传送带在运送货物时往往采用恒速(速率保持不变)运行方式,但这种运行方式效率较低,浪费大量电能。为了提高传送带输送货物效率,实现节省电能的目标,某公司利用自动控制系统根据货物运送量自动调控传送带运行速度。该公司传送带模型如图所示,倾角为θ=15°,长度为L=20 m。货物静止放置在传送带底端,从传送带顶端离开传送带。取g=10 m/s2,sin 15°=0.26,cos 15°=0.97,tan 15°=0.27,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。
例5
(1)为了使货物能被传送带输送到项端,求货物与传送带之间动摩擦因数μ0需满足的条件;
答案 μ0>0.27
对货物受力分析,由牛顿第二定律可得f-mgsin θ=ma
其中f=μ0mgcos θ
货物向上运动a>0
得货物与传送带之间动摩擦因数μ0需满足的条件为μ0>0.27
(2)根据货物输送量,该公司将传送带运行速度设置为v0=3 m/s,货物与传送带间的动摩擦因数为μ=0.5,当货物与传送带达到共同速度时,求货物的位移大小;
答案 2 m
共速前,对货物由牛顿第二定律有f'-mgsin θ=ma0,其中f'=μmgcos θ
设经过时间t1货物与传送带达到共速,则有v0=a0t1
该过程货物的位移为s1=v0t1=2 m
(3)在(2)的情况下,由于货物运送量变少,当货物刚与传送带共速时,自动控制系统以大小为a1=10 m/s2的加速度将传动带运行速度降低为v1=
1 m/s,求货物运行到传送带顶端时在传送带上留下的痕迹长度;
答案 2 m
由(2)知,从货物放上传送带到货物与传送
带共速,传送带位移为s2=v0t1
货物在传送带上运动痕迹为Δs=s2-s1=2 m
共速后,假设货物与传送带相对静止一起做减速运动,对货物受力分析有
f1+mgsin θ=ma1
可得f1>f'
所以货物与传送带发生相对滑动。对货物有f'+mgsin θ=ma2
设经过时间t2,货物再次与传送带共速,有v1=v0-a2t2
货物位移为s1'=(v1+v0)t2
对传送带v1=v0-a1t3
传送带位移为s2'=(v0+v1)t3,经计算a1>a2,故t2>t3,又因为s2″=v1(t2-t3)
再次共速阶段,痕迹长度为Δs1=s1'-s2'-s2″≈0.07 m
因为Δs1<Δs,所以,货物在传送带上的痕迹长度为2 m。
(4)在运送货物过程中,避免货物与传送带相对滑动可延长传送带使用寿命。请根据上述计算,提出一条能延长传送带使用寿命的建议。
答案 见解析
在运送货物过程中,避免货物与传送带相对滑动可延长传送带使用寿命。可增加传送带的粗糙程度(增大动摩擦因数)或减小传送带倾斜角θ。
运动学和动力学图像
考点三
1.三种运动学图像
常见图像 斜率k 面积 两图像交点
s-t图像 =v 表示相遇
v-t图像 =a 位移s 表示此时速度相等,往往是距离最大或最小的临界点
a-t图像 速度变
化量Δv 表示此时加速度相等
2.三种动力学图像
F-t图像 思路一:分段求加速度,利用运动学公式求解
思路二:动量定理,图线与t轴所围面积表示F的冲量
F-s图像 思路一:分段求加速度,利用运动学公式求解
思路二:动能定理,图线与s轴所围面积表示力F做的功
a-F图像 根据牛顿第二定律列式,再变换成a-F关系
例如:如图所示,F-μmg=ma,a=-μg,
则a-F图像的斜率为,截距为-μg
(多选)(2023·福建卷·7)甲、乙两辆完全相同的小车均由静止沿同一方向出发做直线运动。以出发时刻为计时零点,甲车的速度—时间图像如图(a)所示,乙车所受合外力—时间图像如图(b)所示。则
A.0~2 s内,甲车的加速度大小逐渐增大
B.乙车在t=2 s和t=6 s时的速度相同
C.2~6 s内,甲、乙两车的位移不同
D.t=8 s时,甲、乙两车的动能不同
例6
√
√
由题知甲车的速度—时间图像如图(a)所示,则根据图(a)可知0~2 s内,甲车做匀加速直线运动,加速度大小不变,故A错误;
由题知乙车所受合外力—时间图像如图(b)所示,则乙车在0~2 s内根据动量定理有I2=mv2,I2=S0~2=2 N·s,乙车在0~6 s内根据动量定理有I6=mv6,I6=S0~6=2 N·s,则可知乙车在t=2 s和t=6 s时的速度相同,故B正确;
根据图(a)可知,2~6 s内甲车的位移为0;根据图(b)可知,2~6 s内乙车一直向正方向运动,则2~6 s内,甲、乙两车的位移不同,故C正确;
根据图(a)可知,t=8 s时甲车的速度为0,则t=8 s时,甲车的动能为0;乙车在0~8 s内根据动量定理有I8=mv8,I8=S0~8=0,可知t=8 s时乙车的速度为0,则t≈8 s时,乙车的动能为0,故D错误。
3.非常规图像
非常规图像(举例) 函数表达式 斜率k 纵截距b
v2-s图像 由v2-=2as得v2=+2as 2a
-t图像 由s=v0t+at2得=v0+at a v0
-图像 由s=v0t+at2得=v0+a v0 a
a-s图像 由v2-=2as知图线与x轴所围面积等于,此面积与物体质量乘积表示动能的变化量
-s 面积表示运动时间
注意:-t图像与t轴围的面积不表示这段时间内物体的位移。
在某次安全测试中,某款汽车在平直公路上行驶,突然发现前方有障碍物,智能系统识别后紧急恒力制动。从制动开始计时,该汽车的位移和时间的比值与t之间的关系图像如图所示,则下列说法正确的是
A.该汽车的初速度为20 m/s
B.该汽车的初速度为6 m/s
C.该汽车的加速度大小为4 m/s2
D.该汽车从制动到停止用时5 s
例7
√
由于汽车恒力制动,则可知该汽车制动后做匀减速直线运动,设该汽车制动后的加速度大小为a,由位移与时间的关系可得s=v0t-at2,变式可得=
-at+v0,结合题图可得v0=20 m/s,a=8 m/s2,故A正确,B、C错误;
根据速度与时间的关系可得,该汽车从制动到停止用时t0==2.5 s,故D错误。
迁移·归一
物理中一次函数问题的解题思路
举例 基本公式 变形后的一次函数表达式 斜率 截距
单摆T2-l图像 T=2π T2=4π2
伏阻法测电阻的-图像 E=U+r =·+
安阻法测电阻的-R图像 E=I(R+r) =R+
专题强化练
题号 1 2 3 4 5 6 7 8
答案 C D C D C B AD B
题号 9 10 11
答案 CD (1)0.1 N
(2)不能 ABD
对一对
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11
答案
1.(2024·新课标卷·14)一质点做直线运动,下列描述其位移x或速度v随时间t变化的图像中,可能正确的是
√
1
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8
9
10
11
保分基础练
答案
物体做直线运动,位移与时间成函数关系,A、B选项中一个时间对应两个或两个以上的位移,故不可能;
同理D选项中一个时间对应两个速度,也不可能,只有C选项速度与时间是成函数关系,故可能。
1
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11
答案
2.(2024·大湾区二模)香海大桥为广东省重点交通项目,已于2022年全线通车,其与江珠高速公路有相交点,可进一步促进大湾区内珠中江地区融合发展,已知大桥全长29.8 km,其中主线长20 km,支线长9.8 km,支线路段限速为80 km/h。若一辆汽车以加速度4 m/s2从静止开始驶入支线,先直线加速到72 km/h,后保持匀速率行驶,则下列说法正确的是
A.汽车加速时间为18 s
B.29.8 km指的是位移
C.80 km/h指的是平均速度
D.汽车通过支线的时间小于9分钟
√
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11
答案
汽车加速时间为t1== s=5 s,选项A错误;
29.8 km指的是路程,选项B错误;
80 km/h指的是瞬时速度,选项C错误;
汽车匀加速的位移s1=t1=×5 m=50 m,匀速通过支线的时间t2== s=487.5 s,通过支线的时间为t=t1+t2=492.5 s≈8.20 min
<9 min,选项D正确。
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11
答案
3.2023年10月4日,杭州亚运会女子3米跳板决赛在杭州奥体中心游泳馆进行,我国选手陈艺文夺得金牌。从运动员离开跳板开始计时,其重心的v-t图像如图所示,图中仅0~t2段为直线,不计空气阻力,则由图可知
A.t3时刻运动员刚好接触到水面
B.运动员接触水面立即做减速运动
C.0~t2段,运动员的加速度保持不变
D.t3~t4段,运动员的加速度逐渐增大
√
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11
答案
不计空气阻力,运动员接触水面之前,仅仅受到重力作用,即运动员接触水面之前,加速度一定,为重力加速度,由于v-t图像斜率表示加速度,则在接触水面之前,v-t图像为一条倾斜
的直线,可知,t2时刻运动员刚好接触到水面,故A错误;
运动员接触水面后先做加速运动,后做减速运动,故B错误;
v-t图像斜率表示加速度,0~t2段图像为一条倾斜的直线,表明0~t2段,运动员的加速度保持不变,故C正确;
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答案
t3~t4段,v-t图像斜率的绝对值先增大后减小,则运动员的加速度先增大后减小,故D错误。
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11
答案
4.(2024·广东佛山市顺德区二模)2023年10月31日,神舟十六号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。当返回舱距离地面1.2 m时,返回舱的速度为8 m/s,此时返回舱底部的4台反推火箭点火工作,使返回舱触地前瞬间速度降至2 m/s,实现软着陆,若该过程返回舱始终竖直向下做匀减速运动,返回舱的质量变化和受到的空气阻力均忽略不计,返回舱的总质量为3×103 kg,g取10 m/s2,则4台反推火箭点火工作时提供的推力大小为
A.3×104 N B.7.5×104 N
C.2.6×104 N D.1.05×105 N
√
1
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11
答案
根据运动学公式可得v2-=-2ah,解得加速度大小为a== m/s2
=25 m/s2,根据牛顿第二定律可得F-mg=ma,解得F=1.05×105 N,故选D。
1
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11
答案
5.小明同学利用APP测量手机运动过程的加速度a。手机由静止向上运动,其a-t图像如图所示,则
A.t2时刻,手机速度最大
B.t3时刻,手机速度为0
C.t3~t4时间内,手机向上运动
D.t2~t4时间内,手机先处于失重状态后处于超重状态
√
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11
答案
由题图可知,t2时刻加速度最大,后续t2到t3仍然在加速,故手机在t3时刻速度最大,故A、B错误;
a-t图像与时间轴围成的面积代表速度变化量,0~
t3时间内速度变化量大于t3~t4时间内速度变化量,
所以t3~t4时间内,手机向上运动,故C正确;
t2~t4时间内,加速度先向上后向下,手机先处于超重状态后处于失重状态,故D错误。
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11
答案
6.(2024·广东省六校联考)如图所示,两物块P、Q用跨过光滑轻质定滑轮的轻绳相连,开始时P静止在水平桌面上。将一个水平向左的拉力F作用在P上后,轻绳的张力变为原来的两倍。已知P、Q两物块的质量分别为mP=2 kg、mQ=1 kg,P与桌面间的动摩擦因数μ=0.5,重力加速度g=10 m/s2。则拉力F的大小为
A.60 N B.50 N
C.40 N D.30 N
√
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11
答案
争分提能练
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11
开始时轻绳的张力为T1=mQg=10 N,则当加一个水平向左的拉力F作用在P上后,轻绳的张力变为T2=20 N,则由牛顿第二定律对Q,T2-mQg=mQa,对P,F-T2-μmPg=mPa,解得F=50 N,故选B。
答案
7.(多选)(2024·广东汕头市一模)地铁站用于安全检查的装置主要由水平传送带和X光透视系统两部分组成,传送过程传送带速度不变。假设乘客把物品轻放在传送带上之后,物品总会先、后经历两个阶段的运动,已知传送带长度为2.1 m、速率为2 m/s,g取10 m/s2,物品与传送带间的动摩擦因数为0.4,则
A.物品在传送带上运动的时间是1.3 s
B.物品做加速运动时,其速度有可能超过传
送带速度
C.物品越重,从传送带的左端运送到右端所需要的时间越长
D.若仅使传送带的速率增大为原来的2倍,前阶段物品的位移也增大为原来的
4倍
√
1
2
3
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5
6
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11
答案
√
物品在传送带上前阶段受到滑动摩擦力,由牛顿第二定律可得a==μg=4 m/s2,物品加速阶段的位移s1== m=0.5 m,物品加速达到与传送带相同速度后,与传送带一起匀速运动,物品匀速运动时不受摩擦力,故B错误;
1
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11
答案
物品匀加速运动的时间t1== s=0.5 s,物品匀速运动的时间t2==
s=0.8 s,物品在传送带上运动的时间是t=t1+t2=0.5 s+0.8 s=1.3 s,与物品的质量无关,故A正确,C错误;
由s=,可知若仅使传送带的速率增大为原来的2倍,前阶段物品的位移增大为原来的4倍,故D正确。
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11
答案
8.(2024·广东卷·7)如图所示,轻质弹簧竖直放置,下端固定。木块从弹簧正上方H高度处由静止释放。以木块释放点为原点,取竖直向下为正方向。木块的位移为y,所受合外力为F,运动时间为t,忽略空气阻力,弹簧在弹性限度内。关于木块从释放到第一次回到原点的过程中,其F-y图像或y-t图像可能正确的是
1
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11
答案
√
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5
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10
11
在木块下落H高度之前,木块所受合外力为木块的重力,保持不变,即F=mg
当木块接触弹簧后
合外力F=mg-kx,
其中x为压缩量且x=y-H
F-y图像如图甲所示
故B正确,A错误;
答案
1
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5
6
7
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9
10
11
在木块下落H高度之前,木块做自由落体运动,根据
y=gt2,知y-t图像为抛物线,故D错误;
在O~H的过程中,速度逐渐增大,y-t图像斜率逐渐增
大,当木块接触弹簧后到合外力为零前,木块的速度继续增大,
所以y-t图像斜率继续增大,当弹簧弹力大于木块的重力后到最低点过程中F=kx-mg
答案
1
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5
6
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11
木块所受合外力向上,木块速度减小,所以y-t图像斜率减小,到达最低点后,木块向上运动,经以上分析可知,y-t图像大致为如图乙所示,故C错误。
答案
9.(多选)(2024·广东汕头市二模)如图所示,球筒中静置着一个羽毛球。小明左手拿着球筒,右手迅速拍打筒的上端,使筒获得向下的初速度并与左手发生相对运动,最后羽毛球(视为质点)从筒口上端出来,已知球筒质量为M=90 g(不含球的质量),羽毛球质量为m=5 g,球筒与手之间的滑动摩擦力为f1=2.6 N,球与筒之间的滑动摩擦力为f2=0.1 N,球头离筒的上端距离为d=9 cm,重力加速度g取10 m/s2,空气阻力忽略不计,当球筒获得一个向下的初速度后
A.静置时,羽毛球受到的摩擦力大小为0.1 N
B.拍打球筒后瞬间,羽毛球受到向上的摩擦力
C.拍打球筒后瞬间,羽毛球的加速度大小为30 m/s2
D.仅拍打一次,羽毛球恰能出来,则筒的初速度大小为3 m/s
√
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
答案
√
静置时,根据平衡条件有f=mg=5×10-3×10 N=0.05 N,故A错误;
拍打球筒后瞬间,球筒相对于羽毛球向下运动,则球筒给羽毛球的摩擦力向下,故B错误;
拍打球筒后瞬间,对羽毛球由牛顿第二定律有mg+f2=ma1,解得a1=
30 m/s2,故C正确;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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答案
仅拍打一次,羽毛球恰能出来,则羽毛球头到达球筒的上端时与球筒恰好达到共速,设球筒的加速度为a2、初速度为v,则对球筒由牛顿第二定律有f1+f2-Mg=Ma2,解得a2=20 m/s2,球筒做匀减速运动,羽毛球做匀加速运动,有v-a2t=a1t,vt-a2t2-a1t2=d,代入数据解得v=3 m/s,故D正确。
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答案
10.(2024·广东汕头市一模)小澄同学通过网络查到汕头南站到汕尾站的线路距离为142 km,所需时间为35.7分钟。她进而提出了以下模型:假设从汕头南站到汕尾站可近似视为直线,高铁在其间经历了匀加速、匀速和匀减速三个阶段,且匀加速和匀减速阶段的加速度大小相等。为进一
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答案
步获取数据,小澄同学将质量为0.2 kg的手机放在高铁的水平桌面上,利用手机软件测量高铁启动时的加速度-时间图像如图所示,忽略一开始的加速度测量误差,重力加速度g取10 m/s2,则:
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答案
(1)高铁启动过程中,求手机所受摩擦力的大小;
答案 0.1 N
由题可知,高铁启动做匀加速运动的加速度为a=0.5 m/s2,对手机根据牛顿第二定律
f=ma=0.1 N
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答案
(2)按照该运动模型,计算判断高铁在汕头南站和汕尾站之间的最高时速能否达到350 km/h?
答案 不能
设最高速度为v,匀加速和匀减速的时间均为t1,匀速的时间为t2,则
2×t1+vt2=x,2t1+t2=t,v=at1
联立解得
v=255.6 km/h
即最高时速不能达到350 km/h。
11.(多选)(2024·黑吉辽·10)一足够长木板置于水平地面上,二者间的动摩擦因数为μ。t=0时,木板在水平恒力作用下,由静止开始向右运动。某时刻,一小物块以与木板等大、反向的速度从右端滑上木板。已知t=0到t=4t0的时间内,木板速度v随时间t变化的图像如图所示,其中g为重力加速度大小。t=4t0时刻,小物块与木板的速度相同。下列说法正确的是
A.小物块在t=3t0时刻滑上木板
B.小物块和木板间动摩擦因数为2μ
C.小物块与木板的质量比为3∶4
D.t=4t0之后小物块和木板一起做匀速运动
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尖子生选练
答案
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v-t图像的斜率表示加速度,可知t=3t0时刻木板的加速度发生改变,故可知小物块在t=3t0时刻滑上木板,故A正确;
设小物块和木板间动摩擦因数为μ0,取水平向
右为正方向,根据题意结合图像可知小物块开始滑上木板时的速度为v0=-μgt0,小物块在木板上滑动的加速度为a0==μ0g,经过t0时间与木板共速此时速度为v共=μgt0,故可得a0==2μg,解得μ0=2μ,故B正确;
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答案
设木板质量为M,物块质量为m,根据图像可知小物块未滑上木板时,木板的加速度为
a==μg,由牛顿第二定律得F-μMg=Ma,
解得F=μMg,根据图像可知小物块滑上木板后木板的加速度为a'==-μg,此时对木板由牛顿第二定律得F-μ(m+M)g-μ0mg=Ma',解得=,故C错误;
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答案
假设t=4t0之后小物块和木板一起共速运动,对整体F-μ(m+M)g=μMg-μMg=0,故可知此时整体处于平衡状态,假设成立,即t=4t0之后小物块和木板一起做匀速运动,故D正确。
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答案
本课结束
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