(全國通用版)2018-2019高中物理 第四章 牛頓運動定律 6 用牛頓運動定律解決問題(一)學案 新人教版必修1

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1、 6 用牛頓運動定律解決問題(一) [學習目標] 1.運用牛頓運動定律和運動學公式解決簡單的力學問題.2.掌握應用牛頓運動定律解決問題的基本思路和方法. 一、牛頓第二定律的作用 牛頓第二定律揭示了運動和力的關系:加速度的大小與物體所受合力的大小成正比,與物體的質(zhì)量成反比;加速度的方向與物體受到的合力的方向相同. 二、兩類基本問題 1.根據(jù)受力情況確定運動情況 如果已知物體的受力情況,則可由牛頓第二定律求出物體的加速度,再根據(jù)運動學規(guī)律就可以確定物體的運動情況. 2.根據(jù)運動情況確定受力情況 如果已知物體的運動情況,則可根據(jù)運動學公式求出物體的加速度,再根據(jù)牛頓第二定律就可

2、以確定物體所受的力. 判斷下列說法的正誤. (1)根據(jù)物體加速度的方向可以判斷物體所受合外力的方向.(√) (2)根據(jù)物體加速度的方向可以判斷物體受到的每個力的方向.(×) (3)物體運動狀態(tài)的變化情況是由它的受力決定的.(√) (4)物體運動狀態(tài)的變化情況是由它對其他物體的施力情況決定的.(×) 一、從受力確定運動情況 一輛汽車在高速公路上正以108 km/h的速度向前行駛,司機看到前方有緊急情況而剎車,已知剎車時汽車所受制動力為車重的0.5 倍.則汽車剎車時的加速度是多大?汽車剎車后行駛多遠距離才能停下?汽車的剎車時間是多少?(取g=10 m/s2) 答案 由k

3、mg=ma可得a==5 m/s2 則汽車剎車距離為s==90 m. 剎車時間為t==6 s. 1.由受力情況確定運動情況的解題步驟: (1)確定研究對象,對研究對象進行受力分析,并畫出物體的受力分析圖. (2)根據(jù)力的合成與分解,求合力(包括大小和方向). (3)根據(jù)牛頓第二定律列方程,求加速度. (4)結合物體運動的初始條件,選擇運動學公式,求運動學量——任意時刻的位移和速度,以及運動時間等. 2.注意問題:(1)若物體受互成角度的兩個力作用,可用平行四邊形定則求合力;若物體受三個或三個以上力的作用,常用正交分解法求合力; (2)用正交分解法求合力時,通常以加速度a的方

4、向為x軸正方向,建立直角坐標系,將物體所受的各力分解在x軸和y軸上,根據(jù)力的獨立作用原理,兩個方向上的合力分別產(chǎn)生各自的加速度,解方程組Fx=ma,F(xiàn)y=0. 例1 如圖1所示,質(zhì)量m=2 kg的物體靜止在水平地面上,物體與水平面間的滑動摩擦力大小等于它們間彈力的0.25倍,現(xiàn)對物體施加一個大小F=8 N、與水平方向成θ=37°角斜向上的拉力,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2.求: 圖1 (1)畫出物體的受力圖,并求出物體的加速度; (2)物體在拉力作用下5 s末的速度大?。? (3)物體在拉力作用下5 s內(nèi)通過的位移大小. 答案 (1)見解

5、析圖 1.3 m/s2,方向水平向右 (2)6.5 m/s (3)16.25 m 解析 (1)對物體受力分析如圖. 由牛頓第二定律可得: Fcos θ-Ff=ma Fsin θ+FN=mg Ff=μFN 解得:a=1.3 m/s2,方向水平向右 (2)v=at=1.3×5 m/s=6.5 m/s (3)x=at2=×1.3×52 m=16.25 m 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 已知受力情況確定運動情況的解題流程 針對訓練1 如圖2所示,樓梯口一傾斜的天花板與水平地面成θ=37°角,一裝潢工人手持木桿綁著刷子粉刷天花板

6、,工人所持木桿對刷子的作用力始終保持豎直向上,大小為F=10 N,刷子的質(zhì)量為m=0.5 kg,刷子可視為質(zhì)點,刷子與天花板間的動摩擦因數(shù)μ=0.5,天花板長為L=4 m,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2.試求: 圖2 (1)刷子沿天花板向上的加速度大?。? (2)工人把刷子從天花板底端推到頂端所用的時間. 答案 (1)2 m/s2 (2)2 s 解析 (1)以刷子為研究對象,受力分析如圖所示 設桿對刷子的作用力為F,滑動摩擦力為Ff,天花板對刷子的彈力為FN,刷子所受重力為mg,由牛頓第二定律得 (F-mg)sin 37°-μ(F-mg)

7、cos 37°=ma 代入數(shù)據(jù)解得a=2 m/s2. (2)由運動學公式得L=at2 代入數(shù)據(jù)解得t=2 s. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 二、從運動情況確定受力 由運動情況確定受力情況的解題步驟 (1)確定研究對象,對研究對象進行受力分析和運動過程分析,并畫出受力圖和運動草圖. (2)選擇合適的運動學公式,求出物體的加速度. (3)根據(jù)牛頓第二定律列方程,求物體所受的合外力. (4)根據(jù)力的合成與分解的方法,由合力求出所需的力. 例2 一輛汽車在恒定牽引力作用下由靜止開始沿直線運動,4 s內(nèi)通過8 m的距離,此后關閉發(fā)動機,汽車

8、又運動了2 s停止,已知汽車的質(zhì)量m=2×103 kg,汽車運動過程中所受阻力大小不變,求: (1)關閉發(fā)動機時汽車的速度大??; (2)汽車運動過程中所受到的阻力大??; (3)汽車牽引力的大小. 答案 (1)4 m/s (2)4×103 N (3)6×103 N 解析 (1)汽車開始做勻加速直線運動,x0=t1 解得v0==4 m/s (2)關閉發(fā)動機后汽車減速過程的加速度a2==-2 m/s2 由牛頓第二定律有-Ff=ma2 解得Ff=4×103 N (3)設開始加速過程中汽車的加速度為a1 x0=a1t12 由牛頓第二定律有:F-Ff=ma1 解得F=Ff+ma1

9、=6×103 N 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 由運動情況確定受力應注意的兩點問題 1.由運動學規(guī)律求加速度,要特別注意加速度的方向,從而確定合力的方向,不能將速度的方向和加速度的方向混淆. 2.題目中所求的力可能是合力,也可能是某一特定的力,均要先求出合力的大小、方向,再根據(jù)力的合成與分解求分力. 針對訓練2 如圖3所示,質(zhì)量為m=3 kg的木塊放在傾角為θ=30°的足夠長的固定斜面上,木塊可以沿斜面勻速下滑.若用沿斜面向上的力F作用于木塊上,使其由靜止開始沿斜面向上加速運動,經(jīng)過t=2 s時間木塊沿斜面上升4 m的距離,則推力F的大

10、小為(g取10 m/s2)(  ) 圖3 A.42 N    B.6 N C.21 N    D.36 N 答案 D 解析 因木塊能沿斜面勻速下滑,由平衡條件知:mgsin θ=μmgcos θ,所以μ=tan θ;當在推力作用下加速上滑時,由運動學公式x=at2得a=2 m/s2,由牛頓第二定律得:F-mgsin θ-μmgcos θ=ma,得F=36 N,D正確. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 三、多過程問題分析 1.當題目給出的物理過程較復雜,由多個過程組成時,要明確整個過程由幾個子過程組成,將過程合理分段,找到相鄰過程的聯(lián)系點

11、并逐一分析每個過程. 聯(lián)系點:前一過程的末速度是后一過程的初速度,另外還有位移關系、時間關系等. 2.注意:由于不同過程中力發(fā)生了變化,所以加速度也會發(fā)生變化,所以對每一過程都要分別進行受力分析,分別求加速度. 例3 如圖4所示,ACD是一滑雪場示意圖,其中AC是長L=8 m、傾角θ=37°的斜坡,CD段是與斜坡平滑連接的水平面.人從A點由靜止下滑,經(jīng)過C點時速度大小不變,又在水平面上滑行一段距離后停下.人與接觸面間的動摩擦因數(shù)均為μ=0.25,不計空氣阻力.(取g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)求: 圖4 (1)人從斜坡頂端A滑至底端C所用的時

12、間; (2)人在離C點多遠處停下? 答案 (1)2 s (2)12.8 m 解析 (1)人在斜坡上下滑時,對人受力分析如圖所示. 設人沿斜坡下滑的加速度為a,沿斜坡方向,由牛頓第二定律得 mgsin θ-Ff=ma Ff=μFN 垂直于斜坡方向有 FN-mgcos θ=0 聯(lián)立以上各式得 a=gsin θ-μgcos θ=4 m/s2 由勻變速直線運動規(guī)律得L=at2 解得:t=2 s (2)人在水平面上滑行時,水平方向只受到水平面的摩擦力作用.設在水平面上人減速運動的加速度大小為a′,由牛頓第二定律得μmg=ma′ 設人到達C處的速度為v,則由勻變速直線運動規(guī)

13、律得 人在斜坡上下滑的過程:v2=2aL 人在水平面上滑行時:0-v2=-2a′x 聯(lián)立解得x=12.8 m 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】多過程問題分析 多過程問題的分析方法 1.分析每個過程的受力情況和運動情況,根據(jù)每個過程的受力特點和運動特點確定解題方法(正交分解法或合成法)及選取合適的運動學公式. 2.注意前后過程物理量之間的關系:時間關系、位移關系及速度關系. 1.(從運動情況確定受力)某氣槍子彈的出口速度達100 m/s,若氣槍的槍膛長0.5 m,子彈的質(zhì)量為20 g,若把子彈在槍膛內(nèi)的運動看做勻變速直線運動,則高壓氣體對子彈的平均作用力為(

14、  ) A.1×102 N B.2×102 N C.2×105 N D.2×104 N 答案 B 解析 根據(jù)v2=2ax,得a== m/s2=1×104 m/s2,從而得高壓氣體對子彈的平均作用力F=ma=20×10-3×1×104 N=2×102 N. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 2.(從受力確定運動情況)如圖5所示,某高速列車最大運行速度可達270 km/h,機車持續(xù)牽引力為1.57×105 N.設列車總質(zhì)量為100 t,列車所受阻力為所受重力的0.1倍,如果列車在該持續(xù)牽引力牽引下做勻加速直線運動,那么列車從開始啟動到達到最大運行

15、速度共需要多長時間?(g取10 m/s2) 圖5 答案 131.58 s 解析 已知列車總質(zhì)量m=100 t=1.0×105 kg,列車最大運行速度v=270 km/h=75 m/s,列車所受阻力Ff=0.1mg=1.0×105 N. 由牛頓第二定律得F-Ff=ma, 所以列車的加速度a==0.57 m/s2. 又由運動學公式v=v0+at,可得列車從開始啟動到達到最大運行速度需要的時間為t=≈131.58 s. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 3.(多過程問題分析)總質(zhì)量為m=75 kg的滑雪者以初速度v0=8 m/s沿傾角為θ=37

16、°的斜面向上自由滑行,已知雪橇與斜面間的動摩擦因數(shù)μ=0.25,假設斜面足夠長.sin 37°=0.6,g取10 m/s2,不計空氣阻力.試求: (1)滑雪者沿斜面上滑的最大距離; (2)若滑雪者滑行至最高點后掉轉(zhuǎn)方向向下自由滑行,求他滑到起點時的速度大小. 答案 (1)4 m (2)4 m/s 解析 (1)上滑過程中,對滑雪者進行受力分析,如圖甲所示,滑雪者受重力mg、支持力FN、摩擦力Ff作用,設滑雪者的加速度大小為a1.根據(jù)牛頓第二定律有: mgsin θ+Ff=ma1,a1方向沿斜面向下. 在垂直于斜面方向有:FN=mgcos θ 又摩擦力Ff=μFN 由以上各式解

17、得:a1=g(sin θ+μcos θ)=8 m/s2 滑雪者沿斜面向上做勻減速直線運動,速度減為零時的位移x==4 m,即滑雪者沿斜面上滑的最大距離為4 m. (2)滑雪者沿斜面下滑時,對其受力分析如圖乙所示. 滑雪者受到重力mg、支持力FN′及沿斜面向上的摩擦力Ff′,設加速度大小為a2.根據(jù)牛頓第二定律有: mgsin θ-Ff′=ma2,a2方向沿斜面向下. 在垂直于斜面方向有:FN′=mgcos θ 又摩擦力Ff′=μFN′ 由以上各式解得:a2=g(sin θ-μcos θ)=4 m/s2 滑雪者沿斜面向下做初速度為零的勻加速直線運動,滑到出發(fā)點時的位移大小為4

18、 m,速度大小為v==4 m/s. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】多過程問題分析 一、選擇題 考點一 從受力確定運動情況 1.雨滴從空中由靜止落下,若雨滴下落時空氣對其的阻力隨雨滴下落速度的增大而增大,如圖所示的圖象可以正確反映出雨滴下落運動情況的是(  ) 答案 C 解析 對雨滴受力分析,由牛頓第二定律得:mg-Ff=ma.雨滴加速下落,速度增大,阻力增大,故加速度減小,在v-t圖象中其斜率變小,故選項C正確. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 2.用30 N的水平外力F,拉一個靜止在光滑水平面上的質(zhì)量為20 kg的

19、物體,力F作用3 s后消失.則第5 s末物體的速度和加速度大小分別是(  ) A.v=4.5 m/s,a=1.5 m/s2 B.v=7.5 m/s,a=1.5 m/s2 C.v=4.5 m/s,a=0 D.v=7.5 m/s,a=0 答案 C 解析 力F作用下a== m/s2=1.5 m/s2,3 s末的速度v=at=4.5 m/s,3 s后撤去拉力后F=0,a=0,物體做勻速運動,故C正確. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 3.一個物體在水平恒力F的作用下,由靜止開始在一個粗糙的水平面上運動,經(jīng)過時間t,速度變?yōu)関,如果要使物體的速度變?yōu)?/p>

20、2v,下列方法正確的是(  ) A.將水平恒力增加到2F,其他條件不變 B.將物體質(zhì)量減小一半,其他條件不變 C.物體質(zhì)量不變,水平恒力和作用時間都增為原來的兩倍 D.將時間增加到原來的2倍,其他條件不變 答案 D 解析 由牛頓第二定律得F-μmg=ma,所以a=-μg,對比A、B、C三項,均不能滿足要求,故選項A、B、C均錯,由v=at可得選項D對. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 4.物體放在光滑水平面上,在水平恒力F作用下由靜止開始運動,經(jīng)時間t通過的位移是x.如果水平恒力變?yōu)?F,物體仍由靜止開始運動,經(jīng)時間2t通過的位移是(  )

21、 A.x B.2x C.4x D.8x 答案 D 解析 當水平恒力為F時,由牛頓第二定律得,F(xiàn)=ma x=at2=. 當水平恒力為2F時,由牛頓第二定律得,2F=ma′, x′=a′(2t)2=. 聯(lián)立得,x′=8x. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 5.在交通事故的分析中,剎車線的長度是很重要的依據(jù),剎車線是汽車剎車后,停止轉(zhuǎn)動的輪胎在地面上發(fā)生滑動時留下的滑動痕跡.在某次交通事故中,汽車的剎車線長度是14 m,假設汽車輪胎與地面間的動摩擦因數(shù)恒為0.7,g取10 m/s2,則汽車剎車前的速度大小為(  ) A.7 m/s B

22、.14 m/s C.10 m/s D.20 m/s 答案 B 解析 設汽車剎車后滑動過程中的加速度大小為a,由牛頓第二定律得:μmg=ma,解得:a=μg.由勻變速直線運動的速度位移關系式得v02=2ax,可得汽車剎車前的速度大小為:v0=== m/s=14 m/s,因此B正確. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 考點二 從運動情況確定受力 6.行車過程中,如果車距不夠,剎車不及時,汽車將發(fā)生碰撞,車里的人可能受到傷害,為了盡可能地減輕碰撞所引起的傷害,人們設計了安全帶.假定乘客質(zhì)量為70 kg,汽車車速為90 km/h,從踩下剎車到車完全停止

23、需要的時間為5 s,安全帶對乘客的平均作用力大小約為(不計人與座椅間的摩擦,剎車過程可看做勻減速直線運動)(  ) A.450 N B.400 N C.350 N D.300 N 答案 C 解析 汽車剎車前的速度v0=90 km/h=25 m/s 設汽車勻減速的加速度大小為a,則a==5 m/s2 對乘客應用牛頓第二定律可得: F=ma=70×5 N=350 N,所以C正確. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 7.(多選)如圖1所示,質(zhì)量為m的小球置于傾角為θ的斜面上,被一個豎直擋板擋住.現(xiàn)用一個水平力F拉斜面,使斜面在水平面上做加速度

24、為a的勻加速直線運動,重力加速度為g,忽略一切摩擦,以下說法正確的是(  ) 圖1 A.斜面對小球的彈力為 B.斜面和豎直擋板對小球彈力的合力為ma C.若增大加速度a,斜面對小球的彈力一定增大 D.若增大加速度a,豎直擋板對小球的彈力一定增大 答案 AD 解析 對小球受力分析如圖所示,把斜面對小球的彈力FN2進行正交分解,豎直方向有FN2cos θ=mg,水平方向有FN1-FN2sin θ=ma,所以斜面對小球的彈力為FN2=,A正確.FN1=ma+mgtan θ.由于FN2=與a無關,故當增大加速度a時,斜面對小球的彈力不變,擋板對小球的彈力FN1隨a增大而增大,故C錯誤

25、,D正確.小球受到的合力為ma,故B錯誤. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 8.(多選)如圖2所示,質(zhì)量為m2的物體2放在正沿平直軌道向右行駛的車廂底板上,并用豎直細繩通過光滑定滑輪連接質(zhì)量為m1的物體1,與物體1相連接的繩與豎直方向成θ角,則(物體1和物體2相對車廂靜止)(  ) 圖2 A.車廂的加速度為gtan θ B.繩對物體1的拉力為 C.底板對物體2的支持力為(m2-m1)g D.物體2所受底板的摩擦力為m2gsin θ 答案 AB 解析 對物體1進行受力分析,且把拉力FT沿水平方向、豎直方向分解,有 FTcos θ=m1

26、g,F(xiàn)Tsin θ=m1a 得FT=,a=gtan θ, 所以A、B正確. 對物體2進行受力分析有FN+FT′=m2g Ff靜=m2a 根據(jù)牛頓第三定律,F(xiàn)T′=FT 解得FN=m2g- Ff靜=m2gtan θ, 故C、D錯誤. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 考點三 多過程問題分析 9.豎直上拋物體受到的空氣阻力Ff大小恒定,物體上升到最高點時間為t1,從最高點再落回拋出點所需時間為t2,上升時加速度大小為a1,下降時加速度大小為a2,則(  ) A.a1>a2,t1a2,t1>t2 C.a1

27、t1t2 答案 A 解析 上升過程中,由牛頓第二定律,得 mg+Ff=ma1① 設上升高度為h,則h=a1t12② 下降過程,由牛頓第二定律,得 mg-Ff=ma2③ h=a2t22④ 由①②③④得,a1>a2,t1

28、的時間大于下滑的時間 答案 B 解析 設斜面傾角為θ,物塊受到的摩擦力Ff=μmgcos θ,物塊上滑與下滑時的滑動摩擦力大小相等,故選項A錯誤,B正確;上滑時的加速度a上=gsin θ+μgcos θ,下滑時的加速度a下=gsin θ-μgcos θ,由此可知,上滑時的加速度大于下滑時的加速度,故選項C錯誤;由t=,位移x相等,a上>a下,所以t上

29、(取g=10 m/s2) 圖3 (1)物體運動的加速度大??; (2)物體受到的摩擦力大小; (3)物體與墻壁間的動摩擦因數(shù). 答案 (1)6 m/s2 (2)8 N (3)0.2 解析 (1)由h=at2,可得:a==6 m/s2 (2)分析物體受力情況如圖所示: 水平方向:物體所受合外力為零,F(xiàn)N=F=40 N 豎直方向:取向下為正方向,由牛頓第二定律得:mg-Ff=ma 可得:Ff=mg-ma=8 N (3)物體與墻壁間的滑動摩擦力Ff=μFN 所以μ===0.2. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從運動情況確定受力情況 12.(從受力確定

30、運動情況)某研究性學習小組利用力傳感器研究小球與豎直擋板間的作用力,實驗裝置如圖4所示,已知斜面傾角為45°,光滑小球的質(zhì)量m=3 kg,力傳感器固定在豎直擋板上.求:(g=10 m/s2) 圖4 (1)當整個裝置靜止時,力傳感器的示數(shù); (2)當整個裝置向右做勻加速直線運動時,力傳感器示數(shù)為36 N,此時裝置的加速度大?。? (3)某次整個裝置在水平方向做勻加速直線運動時,力傳感器示數(shù)恰好為0,此時整個裝置的運動方向如何?加速度為多大? 答案 (1)30 N (2)2 m/s2 (3)方向向左,加速度大小為10 m/s2 解析 (1)以小球為研究對象,設小球與力傳感器靜止時的作

31、用力大小為F,小球與斜面間的作用力大小為FN,對小球受力分析如圖所示,由幾何關系可知: F=mg=3×10 N=30 N; (2)豎直方向FNcos 45°=mg; 水平方向F′-FNsin 45°=ma; 解得:a=2 m/s2; (3)要使力傳感器示數(shù)為0,則有: FNcos 45°=mg;FNsin 45°=ma′; 解得:a′=10 m/s2,方向向左. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】從受力情況確定運動情況 13.(多過程問題分析)如圖5所示,一固定足夠長的粗糙斜面與水平面夾角θ=30°.一個質(zhì)量m=1 kg的小物體(可視為質(zhì)點),在F=10 N的沿斜

32、面向上的拉力作用下,由靜止開始沿斜面向上運動.已知斜面與物體間的動摩擦因數(shù)μ= .g取10 m/s2.則: 圖5 (1)求物體在拉力F作用下運動的加速度大小a1; (2)若力F作用1.2 s后撤去,求物體在上滑過程中距出發(fā)點的最大距離. 答案 (1)2.5 m/s2 (2)2.4 m 解析 (1)對物體受力分析,根據(jù)牛頓第二定律: 物體受到斜面對它的支持力FN=mgcos θ=5 N, 物體的加速度a1==2.5 m/s2. (2)力F作用t0=1.2 s后,速度大小為v=a1t0=3 m/s,物體向上滑動的距離x1=a1t02=1.8 m. 此后它將向上勻減速運動,其加速度大小a2==7.5 m/s2. 這一過程物體向上滑動的距離x2==0.6 m. 整個上滑過程移動的最大距離x=x1+x2=2.4 m. 【考點】用牛頓運動定律解決兩類問題 【題點】多過程問題分析 15

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