第五节 牛顿运动定律的应用（表格式教学设计）物理沪科版必修第一册

该高中物理教学设计聚焦牛顿运动定律的应用，涵盖从受力分析推导运动情况、由运动状态反推受力的两种典型思路，以及超重失重现象的本质。通过拔河比赛、赛车设计、舰载机起飞等实例导入，承接牛顿三定律，搭建“定律理解到实际应用”的学习支架，突出加速度作为力与运动桥梁的核心地位。 该资料以情境化教学为特色，结合冰壶滑行、滑雪下坡等实例，引导学生用流程图梳理“受力分析-求合力-算加速度-用运动公式”的逻辑链，培养科学思维中的模型建构与科学推理能力。融入歼-15起飞、电梯安全等情境，渗透科学态度与责任教育，帮助学生认识物理知识的社会价值。对学生提升实际问题解决能力，对教师提供结构化教学路径和丰富案例资源。

第五节 牛顿运动定律的应用（教学设计） 年级 高一 学科 物理 课时数 课题 第四章 牛顿定律 第五节 牛顿定律的应用（教学设计） 教学 目标 一、物理观念 1. 理解F合=ma是“力决定加速度”的数量关系，加速度是联系力与运动的核心桥梁。 2. 认识“视重”与“重力”的区别，明确超重、失重现象本质上是支持力（或拉力）的变化而非重力改变。 二、科学思维 1. 能在复杂情境中把实际物体抽象为质点，进行受力矢量分解与平衡分析。 2. 掌握“由力到运动”“由运动到力”两条逻辑路径，学会用流程图表示解题框架。 三、科学探究 1. 通过小组合作对“滑雪—位移—受力”进行反思性计算，比较不同摩擦系数对结果的影响。 四、科学态度与责任 1. 体验牛顿定律在航空、航天、交通安全中的广泛应用，树立“科学设计服务社会”的价值观。 2. 形成实事求是、严谨推理的科学态度，关注自身与他人在乘坐电梯、游乐设施时的安全。 教材 分析 本节是《牛顿运动定律》单元的收束环节，是学生将“三定律”由“知其然”过渡到“知其所以然”的关键。教材通过“拔河”“冰壶”“滑雪”“歼-15起飞”“过山车”等丰富情境，引导学生在“力→运动”和“运动→力”两个方向上综合运用牛顿运动定律，进一步体会加速度是联系“力”与“运动”的桥梁，并初步认识超重与失重现象。 教学重点 1. 牛顿第二定律的两种典型应用思路与流程。 2. 超重与失重的判定方法及物理实质。 教学难点 1. 在多力作用、分段运动问题中正确建立坐标系、判断合力方向。 2. 区分“物体受力”与“物体对支持物/悬挂物的作用力(视重)”的关系。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 宏观世界中，无论陆、海、空各种交通工具的运动还是火箭发射和宇宙航行，都遵循着牛顿运动定律。例如，为了使赛车提速，不仅需要考虑动力和阻力等因素，还要为车体瘦身减重；章导图所示的航空母舰设计时不仅要考虑舰载机安全起飞，为了使舰载机在航空母舰上安全降落，还设计了拦阻索来缩短舰载机的着舰滑行距离。我们几乎时时处处都要用到牛顿运动定律去解决遇到的问题。下面将运用牛顿运动定律来分析，体会用牛顿运动定律解决问题的过程和方法。 【教师提问】哪些力决定了拔河比赛的输赢？ 由于比赛的具体参与者很多，情况比较复杂，我们仅分析右队恰好被获胜的左队拉得向前滑行的情况。我们像上一节开始时一样，将情况简化为两位队员直接互拉，并将队员抽象为两个质点，分析其受力。 根据牛顿第三定律，左、右两队间的拉力是一对作用力和反作用力，大小相等，方向相反。如图所示，左队队员受到右队的拉力FT1。因此，左队队员有相对于地面向右运动的趋势，地面对左队队员有一个向左的摩擦力 Ff1。同理，可对右队队员作受力分析。 对于获胜的左队，只要FT1的大小不超过其与地面间的最大静摩擦力，必有 FT1=Ff1，左队队员所受合力为零。根据牛顿第一定律，队员保持静止状态。对于失利的右队，其与地面间的最大静摩擦力比左队的小，小于右队所受的拉力，即Ff2 ＜ FT2，合力不为零，方向向左。根据牛顿第二定律，右队的加速度向左，滑向左边，从而输掉了比赛。在本例中决定输赢的是左、右两队在水平方向所受的合力。左队之所以会赢是因为他们受到的合力为零，右队之所以会输是因为向左的合力改变了他们的运动状态。在上述实例中，我们根据两队的受力情况，运用牛顿运动定律讨论了决定拔河比赛输赢的原因。在其他情况中同样可以根据物体的运动状态变化，依据牛顿运动定律分析其受力情况。 理解拔河比赛的例子，初步接触依据牛顿运动定律分析其受力情况的方法 学习新课 一、牛顿定律的应用 1. 从受力情况求运动情况 （1）基本思路 分析物体的受力情况，求出物体所受的合外力，由牛顿第二定律求出物体的加速度;再由运动学公式及物体运动的初始条件确定物体的运动情况。流程图如下： 牛顿第二定律F合＝ma，确定了运动和力的关系，使我们能够把物体的运动情况与受力情况联系起来。 注意：（1）同时性 （2）同向性 【一般思路】选中对象并作受力分析→应用牛顿第二定律→求出加速度a→应用运动学公式→确定物体运动情况 【例1】运动员把冰壶沿水平冰面投出，让冰壶在冰面上自由滑行，在不与其他冰壶碰撞的情况下，最终停在远处的某个位置。按比赛规则，投掷冰壶运动员的队友，可以用毛刷在冰壶滑行前方来回摩擦冰面，减小冰面的动摩擦因数以调节冰壶的运动。 （1）运动员以 3.4 m/s 的速度投掷冰壶，若冰壶和冰面的动摩擦因数为0.02，冰壶能在冰面上滑行多远？g 取10 m/s2。 （2）若运动员仍以 3.4 m/s 的速度将冰壶投出，其队友在冰壶自由滑行10m后开始在其滑行前方摩擦冰面，冰壶和冰面的动摩擦因数变为原来的90%，冰壶多滑行了多少距离？ 【解析】（1）运动员以 3.4 m/s 的速度投掷冰壶，若冰壶和冰面的动摩擦因数为 0.02，冰壶能在冰面上滑行多远？g 取 10 m/s2。 冰壶运动方向为正方向建立一维坐标系 （2）若运动员仍以 3.4 m/s 的速度将冰壶投出，其队友在冰壶自由滑行 10 m 后开始在其滑行前方摩擦冰面，冰壶和冰面的动摩擦因数变为原来的 90%，冰壶多滑行了多少距离？ 设冰壶滑行 10 m 后的速度为 v10，则v102 ＝ v02 ＋ 2a1x10 冰壶的加速度a2 ＝－µ2 g ＝－0.02×0.9×10 m/s2 ＝－0.18 m/s2 滑行 10 m 后为匀减速直线运动，由 v2－ v102＝2a2x2 ， v＝0，得 第二次比第一次多滑行了（10＋21－28.9）m＝2.1m 总结 2. 从运动情况确定受力 【一般思路】先分析物体的运动情况，据运动学公式求加速度，再在分析物体受力情况的基础上，用牛顿第二定律列方程求所求量(力)。 应用运动学公式→求出加速度a→应用牛顿第二定律→求出物体所受合力→求出物体所受其它力 【例2】如图，一位滑雪者，人与装备的总质量为75 kg，以2 m/s 的初速度沿山坡匀加速直线滑下，山坡倾角为 30°，在5 s的时间内滑下的路程为60 m。求滑雪者对雪面的压力及滑雪者受到的阻力（包括摩擦和空气阻力），g取10 m/s2。 【解析】以滑雪者为研究对象。建立如图所示的直角坐标系。滑雪者沿山坡向下做匀加速直线运动。 根据匀变速直线运动规律，有 其中 v0＝ 2 m/s，t＝5s，x＝60 m，则有 根据牛顿第二定律，有 y方向：FN－mgcosθ ＝ 0 x方向：mgsinθ－Ff ＝ma 得：FN ＝ mgcosθ Ff ＝m（g sin θ－a） 其中，m ＝ 75 kg，θ ＝ 30°，则有 Ff＝75 N，FN＝650 N 根据牛顿第三定律，滑雪者对雪面的压力大小等于雪面对滑雪者的支持力大小，为 650 N，方向垂直斜面向下。滑雪者受到的阻力大小为 75 N，方向沿山坡向上。 【分析】在本示例中，我们先根据运动员的运动情况求出他的加速度；再运用牛顿运动定律确定运动员的受力情况。有时我们也会运用牛顿运动定律根据物体的受力来确定物体的运动情况。这两种类型的应用都是人们认识客观世界、进行科学研究的重要途径。 【例3】一架 “歼-15”飞机质量为m=2×104kg，在水平跑道上由静止运动L=160m，获得起飞速度为v=40m/s。飞机在此过程中受到的平均阻力大小为f=2×104N.假设飞机质量恒定，可视为质点，航母处于静止状态。求：飞机的发动机的牵引力F大小。 【解析】v2-0=2aL 代入数值得：a=5m/s2 F-f=ma 代入数值得：F=1.2×105N 加速度a是联系力和运动的桥梁 【例4】一辆汽车在恒定牵引力作用下由静止开始沿直线运动，4 s内通过8 m的距离，此后关闭发动机，汽车又运动了2 s停止，已知汽车的质量m＝2×103 kg，汽车运动过程中所受阻力大小不变，求： (1)关闭发动机时汽车的速度大小； (2)汽车运动过程中所受到的阻力大小； (3)汽车牵引力的大小。 【解析】(1)汽车开始做匀加速直线运动，x0＝t1 解得v0＝＝4 m/s (2)关闭发动机后汽车减速过程的加速度a2＝＝－2 m/s2 由牛顿第二定律有－Ff＝ma2 (3)设开始加速过程中汽车的加速度为a1 x0＝a1t 由牛顿第二定律有：F－Ff＝ma1 解得F＝Ff＋ma1＝6×103 N 由受力情况到运动学规律 理解同时性和同向性 由运动情况到受力情况 深刻理解加速度a是联系力和运动的桥梁 学习新课 二、超重和失重 1. 超重和失重 【问题情境】当我们坐过山车加速上升时，会感到人被紧紧地压在座椅上不能动弹；而当过山车加速向下俯冲时，则又会有悬空感。如果你仔细体会，乘电梯上、下楼的过程中也会有类似感受。这些感受都与“超重”和“失重”现象有关。 电梯上升过程中经历了先加速后匀速再减速的运动过程。在电梯加速上升的过程中，重物对力传感器的拉力大于重物所受的重力；在电梯减速上升的过程中，重物对力传感器的拉力小于重物所受的重力；在电梯匀速上升的过程中，重物对力传感器的拉力大小等于重物所受的重力。物体对悬绳的拉力或对支持物的压力大于物体所受重力的现象，称为超重（overweight）现象。物体对悬绳的拉力或对支持物的压力小于物体所受重力的现象，称为失重（weightlessness）现象。 站在体重计上向下蹲，你会发现，在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小。当人静止后，保持某一数值不变。这是为什么呢？ （1）视重:测力计的示数反映了物体对支撑物的压力或对悬挂物的拉力，称为视重。依据：牛顿第三定律 （2）实重:物体实际的重力大小。 （3）结论:静止或匀速状态下，视重=实重。 2. 三种情况 什么情况下视重与视重不相等呢？ （1）加速下降 失重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受的重力的情况称为失重现象。 （2）减速下降 超重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受的重力的情况称为超重现象。 （3）静止 思考：出现超重与失重时，物体所受的重力变了吗？ 【解析】超重与失重时，物体所受的重力不变 航天器在太空轨道上绕地球或其他天体运行时，航天将处于完全失重状态。完全失重时，物体将飘器内的物浮在空中，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮，走路时稍有不慎，将会“上不着天，下不着地”…… 结论 课 堂 练 习 1. 如图甲为某热气球示意图，图乙是它某次升空过程中的v-t图像(取竖直向上方向为正方向)，则以下说法正确的是（　C　） A．0~10s内，热气球的平均速度为5m/s B．30~40s内，热气球竖直向下运动 C．30~40s内，吊篮中的人所受重力大于吊篮对他的支持力 D．0~40s，热气球的总位移为125m 2. 如图甲所示，小物块从足够长的光滑斜面顶端由静止自由滑下。下滑位移x时的速度为v，其x­v2图像如图乙所示，取g＝10 m/s2，则斜面倾角θ为(　A　) A．30° B．45° C．60° D．75° 3. 第五代制空战机“歼-20”具备高隐身性、高机动性能力，为防止极速提速过程中飞行员因缺氧晕厥，“歼-20”新型的抗荷服能帮助飞行员最大承受9倍重力加速度（指飞机的加速度）。假设某次垂直飞行测试实验中，“歼-20”加速达到50m/s后离地，而后开始竖直向上飞行试验，该飞机在10s内匀加速到3060km/h，匀速飞行一段时间后到达最大飞行高度18.5km。假设加速阶段所受阻力恒定，约为重力的，g取10m/s2。已知该“歼-20”质量为20吨，忽略战机因油耗等导致质量的变化。下列说法正确的是（ B ） A．本次飞行测试的匀速阶段运行时间为26.5s B．加速阶段系统的推力为 C．加速阶段飞行员已经晕厥 D．飞机在匀速阶段爬升高度为14.25km 4. 如图所示，一足够长的斜面倾角θ为37°，斜面BC与水平面AB平滑连接，质量m＝2 kg的物体静止于水平面上的M点，M点与B点之间的距离L＝9 m，物体与水平面和斜面间的动摩擦因数均为μ＝0.5，现物体受到一水平向右的恒力F＝14 N作用，运动至B点时撤去该力，sin 37°＝0.6，g＝10 m/s2，则： (1)物体在恒力F作用下运动时的加速度是多大？ (2)物体到达B点时的速度是多大？ (3)物体沿斜面向上滑行的最远距离是多少？物体回到B点的速度是多大？ 【解析】（1）2 m/s2 （2）6 m/s （3）1.8 m　 m/s 5. 如图所示，质量为M的斜面体始终处于静止状态，重力加速度为g，当质量为m的物体以加速度a沿斜面加速下滑时有（ C ） A．地面对斜面体的支持力大于(M＋m)g B．地面对斜面体的支持力等于(M＋m)g C．地面对斜面体的支持力小于(M＋m)g D．由于不知道a的具体数值，无法判断地面对斜面体的支持力的大小与(M＋m)g的关系 6. (多选)炎热的夏季，有一种网红水上娱乐项目“水上飞人”十分火爆，其原理是借助脚下的喷水装置产生向上的反冲动力，让人腾空而起或平衡或变速运动，下列说法正确的是（　BD　） A．水对装置向上的反冲动力大于装置对水向下的压力 B．人悬空静止时，既不是超重现象，也不是失重现象 C．整体向上减速运动是超重现象 D．人悬空静止时，水的反冲动力等于人与装置的重力 板 书 设 计 第五节 牛顿定律的应用 一、牛顿定律的应用 1. 从受力情况求运动情况 （1）基本思路 选中对象并作受力分析→应用牛顿第二定律→求出加速度a→应用运动学公式→确定物体运动情况 牛顿第二定律F合＝ma，确定了运动和力的关系，使我们能够把物体的运动情况与受力情况联系起来。 注意：（1）同时性 （2）同向性 2. 从运动情况确定受力 （1）基本思路：先分析物体的运动情况，据运动学公式求加速度，再在分析物体受力情况的基础上，用牛顿第二定律列方程求所求量(力)。 应用运动学公式→求出加速度a→应用牛顿第二定律→求出物体所受合力→求出物体所受其它力 二、超重和失重 1. 超重和失重 物体对悬绳的拉力或对支持物的压力大于物体所受重力的现象，称为超重（overweight）现象。物体对悬绳的拉力或对支持物的压力小于物体所受重力的现象，称为失重（weightlessness）现象。 （1）视重:测力计的示数反映了物体对支撑物的压力或对悬挂物的拉力，称为视重。依据：牛顿第三定律 （2）实重:物体实际的重力大小。 （3）结论:静止或匀速状态下，视重=实重。 2. 三种情况 （1）加速下降 失重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受的重力的情况称为失重现象。 （2）减速下降 超重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受的重力的情况称为超重现象。 （3）静止 作业布置 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $