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高三物理一轮复习教学案(13)--牛顿第二定律

2011高三物理一轮复习教学案(13)--牛顿第二定律

【学习目标】

1.理解牛顿第二定律的内容,知道牛顿第二定律表达式的确切含义

2.会用牛顿第二定律处理两类动力学问题

【自主学习】

一、牛顿第二定律

1.牛顿第二定律的内容,物体的加速度跟 成正比,跟 成反比,加速度的方向跟 方向相同。

2.公式:

3.理解要点:

(1)F=ma 这种形式只是在国际单位制中才适用

一般地说F =kma ,k 是比例常数,它的数值与F 、m 、a 各量的单位有关。在国际单位制中,即F 、m 、a 分

别用N 、kg 、m/s 2

作单位,k=1,才能写为F=ma. (2)牛顿第二定律具有“四性”

①矢量性:物体加速度的方向与物体所受 的方向始终相同。

②瞬时性:牛顿第二定律说明力的瞬时效应能产生加速度,物体的加速度和物体所受的合外力总是同生、同灭、同时变化,所以它适合解决物体在某一时刻或某一位置时的力和加速度的关系问题。

③独立性: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,而物体的实际加速度则是每个力产生的加速度的矢量和,分力和加速度的各个方向上的分量关系 F x =ma x 也遵从牛顿第二定律,即:

F y =ma y

④相对性:物体的加速度必须是对相对于地球静止或匀速直线运动的参考系而言的。 4.牛顿第二定律的适用范围

(1)牛顿第二定律只适用于惯性参考系(相对地面静止或匀速直线运动的参考系。)

(2)牛顿第二定律只适用于宏观物体(相对于分子、原子)、低速运动(远小于光速)的情况。 二、两类动力学问题

1.已知物体的受力情况求物体的运动情况

根据物体的受力情况求出物体受到的合外力,然后应用牛顿第二定律F=ma 求出物体的加速度,再根据初始条件由运动学公式就可以求出物体的运动情况––物体的速度、位移或运动时间。 2.已知物体的运动情况求物体的受力情况

根据物体的运动情况,应用运动学公式求出物体的加速度,然后再应用牛顿第二定律求出物体所受的合外力,进而求出某些未知力。

求解以上两类动力学问题的思路,可用如下所示的框图来表示: 第一类 第二类

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在匀变速直线运动的公式中有五个物理量,其中有四个矢量v 0、v 1、a 、s ,一个标量t 。在动力学公式中有三个物理量,其中有两个矢量F 、a ,一个标量m 。运动学和动力学中公共的物理量是加速度a 。在处理力和运动的两类基本问题时,不论由力确定运动还是由运动确定力,关键在于加速度a ,a 是联结运动学公式和牛顿第二定律的桥梁。

【典型例题】

例1.质量为m 的物体放在倾角为α的斜面上,物体和斜面间的动摩擦系数为μ,如沿水平方向加一个力F ,使物体沿斜面向上以加速度a 做匀加速直线运动,如下图甲,则F 多大? 例1 [解析](1)受力分析:物体受四个力作用:重力mg 、弹力F N 、推力F 、摩擦力F f ,(2)建立坐标:

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以加速度方向即沿斜面向 上为x 轴正向,分解F 和mg 如图乙所示; (3)建立方程并求解

x 方向:Fcos α-mgsin α-F f =ma ①

y 方向:F N -mgcos α-Fsin α=0 ②

f=μF N ③ 三式联立求解得:

F =a

a a g a g a m sin cos )

cos sin (μμ-++

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[答案]

a

a a g a g a m sin cos )

cos sin (μμ-++

例2.如图所示,质量为m 的人站在自动扶梯上,扶梯正以加速度a 向上减速运动,a 与水平方向的夹角为θ,求人受的支持力和摩擦力。

例2 [解析]以人为研究对象,他站在减速上升的电梯上,受到竖直向下的重力mg 和竖直向上的支持力F N ,还受到水平方向的静摩擦力F f ,由于物体斜向下的加速度有一个水平向左的分量,故可判断静摩擦力的方向水平向左。人受力如图的示,建立如图所示的坐标系,并将加速度分解为水平加速度a x 和竖直加速度a y ,如图所示,则:

a x =acos θ

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a y =asin θ

由牛顿第二定律得:

F f =ma x mg-F N =ma y

求得F f =θcos ma F N =)sin (θa g m -

例3.风洞实验室中可产生水平方向的、大小可调节的风力,现将一套有小球的细直杆放入风洞实验室,小球孔径略大于细杆直径。(如图)

(1)当杆在水平方向上固定时,调节风力的大小,使小球在杆上匀速运动。这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍,求小球与杆间的动摩擦因数。

(2)保持小球所受风力不变,使杆与水平方向间夹角为37°并固定,则小球从静止出发在细杆上滑下距离s 所需时间为多少?(sin37°=0.6,cos37°=0.8)

例3 [解析](1)设小球受的风力为F ,小球质量为m ,因小球做匀速运动,则 F =μmg ,F =0.5mg ,所以μ=0.5

(2)如图所示,设杆对小球的支持力为F N ,摩擦力为F f ,小球受力产生加速度,沿杆方向有Fcos θ+mgsin θ-F f =ma

垂直杆方向有F N +Fsin θ-mgcos θ=0 又F f =μF N 。 可解得a=

4

3g f

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由s=

21at 2得 t =g

s 38 [答案](1)0.5 (2)

g

s

38 例4.如图所示,物体从斜坡上的A 点由静止开始滑到斜坡底部B 处,又沿水平地面滑行到C 处停下,已知斜坡倾角为θ,A 点高为h ,物体与斜坡和地面间的动摩擦因数都是μ,物体由斜坡底部转到水平地面运动时速度大小不变,求B 、C 间的距离。

例4 斜面方向分别有

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mgsin θ-F f =ma 1

F N -mgcos θ=0

F f =μF N

解得:a 1=g(sin θ-μcos θ) 由图中几何关系可知斜坡长度为Lsin θ=h ,则L =

θ

sin h

物体滑至斜坡底端B 点时速度为v ,根据运动学公式v 2

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=2as,则 v=θ

θμθsin )

cos (sin 221h

g L a -= 解得)cot 1(2θμ-=

gh v

物体在水平面上滑动时,在滑动摩擦力作用下,做匀减速直线运动,根据牛顿运动定律有 μmg=ma 2 则a 2=μg

物体滑至C 点停止,即v C =0,应用运动学公式v t 2=v 02

+2as 得 v 2

=2a 2s BC

则s BC =)cot 1(2)cot 1(2222θμμμθμ-=?-=h g gh a v

【针对训练】

1.一个木块沿倾角为α的斜面刚好能匀速下滑,若这个斜面倾角增大到β

(α<β<90°),则木块下滑加速度大小为( )

A .gsin β

B .gsin (β-α)

C .g(sin β-tan αcos β)

D .g(sin β-tan α)

2.一支架固定于放于水平地面上的小车上,细线上一端系着质量为m 的小球,另一端系在支架上,当小车向左做直线运动时,细线与竖直方向的夹角为θ,此时放在小车上质量M 的A 所示,则A 受到的摩擦力大小和方向是( )

A .Mgsin θ,向左

B .Mgtan θ,向右

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C .Mgcos θ,向右

D .Mgtan θ,向左

3.重物A 和小车B 的重分别为G A 和G B ,用跨过定滑轮

的细线将它们连接起来,如图所示。已知G A >G B 摩擦,则细线对小车B 的拉力F 的大小是( )

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A .F =G A

B .G A >F

≥G B

C .F <G B

D .G A 、G B 的大小未知,F 不好确定 4.以24.5m/s 的速度沿水平面行驶的汽车上固定

一个光滑的斜面,如图所示,汽车刹车后,经2.5s

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停下来,欲使在刹车过程中物体A 与斜面保持相对 静止,则此斜面的倾角应为 ,车的行

驶方向应向 。(g 取9.8m/s 2

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5.如图所示,一倾角为θ的斜面上放着一小车,小车上吊着小球m ,小车在斜面上下滑时,小球与车相对静止共同运动,当悬线处于下列状态时,分别

求出小车下滑的加速度及悬线的拉力。 (1)悬线沿竖直方向。

(2)悬线与斜面方向垂直。

(3)悬线沿水平方向。 5.[解析]作出小球受力图如图(a )所示为绳子拉力F 1与重力mg ,不可能有沿斜面方向的合力,因此,小球与小车相对静止沿斜面做匀速运动,其加速度a 1=0,绳子的拉力 F 1=mg.

(2)作出小球受力图如图(b )所示,绳子的拉力F 2与重力mg 的合力沿斜面向下,小球的加速度a 2=

θθ

sin sin g m

mg =,绳子拉力F 2=mgcos θ (3)作出受力图如图(c )所示,小球的加速度θθ

sin /sin 3g m

mg m F a ===合,

绳子拉力 F 3=mgcot θ

[答案](1)0,m g (2)gsin θ,mgcos θ (3)g/sin θ mgcot θ

【能力训练】

一、选择题

1.A 、B 、C 三球大小相同,A 为实心木球,B 为实心铁球,C 是质量与A 一样的空心铁球,三球同时从同一高度由静止落下,若受到的阻力相同,则( )

A .

B 球下落的加速度最大 B .

C 球下落的加速度最大

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C .A 球下落的加速度最大

D .B 球落地时间最短,A 、C 球同落地 2.如图所示,物体m 原以加速度a 沿斜面匀加速下滑,现在物体上方施一竖直向下的恒力F ,则下列说法正确的是( ) A .物体m 受到的摩擦力不变 B .物体m 下滑的加速度增大 C .物体m 下滑的加速度变小 D .物体m 下滑的加速度不变

3.如图所示,两个质量相同的物体1和2,紧靠在一起放在光滑的水平面上,如果它们分别受到水平推力F 1和F 2的作用,而且F 1>F 2,则1施于2的作用力的大小为( )

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A .F 1

B .F 2

C .(F 1+F 2)/2

D .(F 1-F 2)/2

4.如图所示,A 、B 两条直线是在A 、B 两地分别用竖直向上的力F 拉质量分别为m A 、m B 的物体得出的两个加速度a 与力F 的

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关系图线,由图线分析可知( )

A a

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1

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m 2 3 A

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.两地的重力加速度g A >g B B .m A <m B C .两地的重力加速度g A <g B D .m A >m B

5.如图所示,质量m=10kg 的物体在水平面上向左运动,物体与水平面间的动摩擦因数为0.2,与此同时物

体受到一个水平向右的推力F =20N 的作用,则物体产生的加速度是(g 取为10m/s 2

A .0

B .4m/s 2,水平向右

C .2m/s 2,水平向左

D .2m/s 2

,水平向右

6.如图所示,质量为60kg 的运动员的两脚各用750N 的水平力蹬着两竖直墙壁匀速

下滑,若他从离地12m 高处无初速匀加速下滑2s 可落地,则此过程中他的两脚蹬墙的水平

力均应等于(g=10m/s 2

A .150N

B .300N

C .450N

D .600N

7.如图所示,传送带保持1m/s 的速度运动,现将一质量为0.5kg 的小物体从传送带左端放上,设物体与皮带间动摩擦因数为0.1,传送带两端水平距离为2.5m ,则物体从左端运动到右端所经历的时间为( ) A .s 5

B .s )16(

C .3s

D .5s 8.如图所示,一物体从竖直平面内圆环的最高点A 下滑至B 点,那么( )

①只要知道弦长,就能求出运动时间 ③只要知道倾角θ,A .只有① B .只有②

C .①③

D .②④

9.将物体竖直上抛,假设运动过程中空气阻力不变,其

速度–时间图象如图所示,则物体所受的重力和空气阻

力之比为( )

A .1:10

B .10:1

C .9:1

D .8:1 10.运动时,斜面对球的支持力为F N1,平板对球的支持力F N2匀加速运动时,球的位置不变,下列说法正确的是( ) A .F N1由无到有,F N2变大 B .F N1由无到有,F N2变小 C .F N1由小到大,F N2不变 D .F N1由小到大,F N2变大

二、非选择题

11.汽车在两站间行驶的v-t 图象如图所示,车所受阻力恒定,在BC 段,汽车关闭了发动机,汽车质量为4t ,由图可知,汽车在BC 段的加速度大小为 m/s 2

,在AB 段的牵引力大小为 N 。在OA 段 汽车的牵引力大小为 N 。

12.物体的质量除了用天平等计量仪器直接测量外,还可以根据动力学的方法测量,1966年曾在地球的上空完成了以牛顿第二定律为基础的测定地球卫星及其它飞行物的质量的实验,在实验时,用双子星号宇宙飞船(其质量m 1已在地面上测量了)去接触正在轨道上运行的卫星(其质量m 2未知的),接触后开动飞船尾部的推进器,使宇宙飞船和卫星共同加速如图所示,已知推进器产生的 平均推力F ,在开动推进器时间△t 的过程中, 测得宇宙飞船和地球卫星的速度改变△v ,试写出 实验测定地球卫星质量m 2的表达式 。

v

v 1 v 2 (须用上述给定已知物理量)

13.如图所示,将金属块用压缩轻弹簧卡在一个矩形箱中,在箱的上顶板和下底板上安有压力传感器,

箱可以沿竖直轨道运动,当箱以a=2m/s 2

的加速度做竖直向上的匀减速直线运动时,上顶板的传感器显示

的压力为6.0N ,下底板的传感器显示的压力为10.0N ,取g=10m/s 2

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(1)若上顶板的传感器的示数是下底板传感器示数的一半,试判断箱的运动情况。 (2)要使上顶板传感器的示数为零,箱沿竖直方向的运动可能是怎样的?

13.解析:(1)设金属块的质量为m ,F 下-F 上-mg =ma,将a=-2m/s 2

代入求出m=0.5kg 。由于上顶板仍有压力,说明弹簧长度没变,弹簧弹力仍为10N ,此时顶板受压力为5N ,则

F ′下-F ′上-mg=ma 1,求出a 1=0,故箱静止或沿竖直方向匀速运动。

(2)若上顶板恰无压力,则F ′′下-mg=ma 2,解得a 2=10m/s 2,因此只要满足a ≥10m/s 2

且方向向上即可使上顶板传感器示数为零。

[答案](1)静止或匀速运动 (2)箱的加速度a ≥10m/s 2

且方向向上

14.某航空公司的一架客机,在正常航线上做水平飞行时,由于突然受到强大垂直气流的作用,使飞机在10s 内高度下降了1700m ,造成众多乘客和机组人员的伤害事故,如果只研究飞机在竖直方向上的运

动,且假定这一运动是匀变速直线运动,取g=10m/s 2

,试计算:

(1)乘客所系安全带必须提供相当于乘客体重多少倍的竖直拉力才能使乘客不脱离座椅?

(2)未系安全带的乘客,相对于机舱将向什么方向运动?最可能受到伤害的是人体的什么部位?

14.[解析](1)在竖直方向上,飞机做初速为零的匀加速直线运动,h=2

2

1at ① 设安全带对乘客向下的拉力为F ,对乘客由牛顿第二定律:F+mg=ma ② 联立①②式解得F/mg=2.4 (2)若乘客未系安全带,因由,2

12

at h =

求出a=34m/s 2,大于重力加速度,所以人相对于飞机向上运动,受到伤害的是人的头部。 [答案](1)2.4倍 (2)向上运动 头部

15.传送带与水平面夹角37°,皮带以10m/s 的速率运动,皮带轮沿顺时针方向转动,如图所示,今在传送带上端A 处无初速地放上一个质量为m=0.5kg 的小物块,它与传送带间的动摩擦因数为0.5,若传

送带A 到B 的长度为16m ,g 取10m/s 2

,则物体从A 运动到B 的时间为多少?

15.[解析]由于μ=0.5<tan θ=0.75,物体一定沿传送带对地下移,且不会与传送带相对静止。 设从物块刚放上到达到皮带速度10m/s ,物体位移为s 1,加速度a 1,时间t 1,因物速小于皮带速率,根据

牛顿第二定律,21/10cos sin s m m

mg mg a =+=

θ

μθ,方向沿斜面

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向下。 t 1=v/a 1=1s,s 1=2

1a 1t 12

=5m <皮带长度。

设从物块速度为10m/s 到B 端所用时间为t 2,加速度a 2,位移s 2,物块速度大于皮带速度,物块受滑动摩擦力沿斜面向上,有

22/2cos sin s m m mg mg a =-=

θ

μθ

)10(1,22

110)516(,21222

222222s t s t t t m t a vt s -==?+=-+=即舍去

所用总时间t=t 1+t 2=2s.

[答案]2s

A

参考答案

针对训练

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1.C 2.B 3.C 4.45° 水平向右 能力训练

1-5 AD B C B B 6-10 B C B B B

11.0.5 2000 6000 12.1m v

t

F -??

1

F (a)

(b) (c)