4 牛頓定律 —人教版 （2019）高中物理必修第一冊(cè)講義（機(jī)構(gòu)）

4牛頓運(yùn)動(dòng)定律主要內(nèi)容力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，慣性與牛頓第一定律，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，失重和超重，國(guó)際單位制教學(xué)重點(diǎn)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，牛頓第二定律及其應(yīng)用，失重與超重，國(guó)際單位制教學(xué)內(nèi)容1. 力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系亞里士多德：從直覺(jué)和觀察出發(fā)得出結(jié)論，力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。伽利略（正確觀點(diǎn)）：通過(guò)構(gòu)想理想實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，把科學(xué)實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧結(jié)合在一起，利用“科學(xué)實(shí)驗(yàn) + 邏輯推理”的方法（現(xiàn)代科學(xué)范式），得出結(jié)論，力是物體運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。笛卡爾：運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到力的作用，將以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)。2. 慣性與牛頓第一定律第一定律：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非外力迫使物體改變這種狀態(tài)。根據(jù)牛頓第一定律，一切物體具有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變這一性質(zhì)，這一性質(zhì)稱為慣性，故牛頓第一定律也稱為慣性定律。一切物體皆有慣性，慣性有大小，質(zhì)量是一個(gè)物體慣性大小的唯一量度（因而質(zhì)量也稱為慣性質(zhì)量）。牛頓第一定律明確指出力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。第一定律也可以表述為：物體在不受外力作用時(shí)將保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變：初始靜止則一直靜止不動(dòng)，初始運(yùn)動(dòng)，則將以恒定速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。相對(duì)地球靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系稱為慣性參考系，簡(jiǎn)稱為慣性系。相對(duì)于地球做加速運(yùn)動(dòng)（加速度非零）的參考系稱為非慣性系。3. 牛頓第二定律與力第二定律：物體的加速度與物體受到的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比：，或.上式中的物理量都取國(guó)際單位制單位則比例系數(shù)，從而有.第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式中的加速度和力都是矢量，加速度的方向由合外力的方向決定。 力作用的獨(dú)立性：多個(gè)力作用在一個(gè)物體上，外力的矢量和即物體的合外力在物體上產(chǎn)生的加速度等價(jià)于每一個(gè)力單獨(dú)存在時(shí)產(chǎn)生的加速度的矢量和。力作用效果的瞬時(shí)性：力作用在物體上和物體產(chǎn)生加速度是同時(shí)的，力的作用消失則產(chǎn)生的加速度也歸零。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律定量地描述了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化（即加速度）和動(dòng)力學(xué)因素（力和慣性質(zhì)量）之間的定量關(guān)系，是經(jīng)典力學(xué)（牛頓力學(xué)）乃至整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)最重要的物理規(guī)律之一。4. 牛頓第三定律第三定律：兩個(gè)物體之間的相互作用（作用力與反作用力）總是大小相同、方向相反、作用在同一直線上。力的作用總是相互的：一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加一個(gè)力的作用，另一物體一定同時(shí)對(duì)該物體施加一個(gè)力。這樣成對(duì)出現(xiàn)的相互作用力稱為作用力與反作用力。第三定律是說(shuō)作用力和反作用力總是等大、反向、作用在不同物體上且方向在同一直線上，故有時(shí)也稱第三定律為作用力反作用力定律。5. 物理定律與物理定理物理定律和物理定理都是物理現(xiàn)象所遵循的重要規(guī)律，但二者在物理理論中的地位不同。物理定律是從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)中歸納出來(lái)的普遍規(guī)律，是物理理論的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，無(wú)法從理論上證明，只能從實(shí)驗(yàn)上檢驗(yàn)。一個(gè)物理理論的定律通常只有有限幾個(gè)，其地位相當(dāng)于數(shù)學(xué)理論中的公理。物理定理是從物理定律出發(fā)，利用邏輯推理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的結(jié)論，其正確性取決于物理定律和推導(dǎo)過(guò)程的的正確性；物理定理是否正確最終要用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。一個(gè)物理理論的定理可以有很多個(gè)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律是力學(xué)理論的“公理”和出發(fā)點(diǎn)，不需要也無(wú)法在力學(xué)體系內(nèi)部進(jìn)行證明，其正確性由其本身及其推論（物理定理）和實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符合來(lái)保證。現(xiàn)代物理理論都有自己的公理化體系。例1 分析靜止在固定斜面上的物塊的受力情況，討論動(dòng)摩擦因數(shù)與斜面傾角之間需要滿足的條件。假定物塊和斜面間的最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力。例2 物塊和固定斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，斜面傾角為。計(jì)算滑塊沿斜面自由下滑和上滑時(shí)物塊的加速度。若斜面光滑，則自由上滑和下滑時(shí)物塊的加速度又為多少？例題參考答案 1. > tan；2. 自由下滑, 自由上滑方向沿斜面向下；斜面光滑時(shí)上滑和下滑加速度相同，均為方向沿斜面向下。6. 基本物理量與單位制物理量的單位是物理量的重要組成部分，沒(méi)有單位物理量的數(shù)值就沒(méi)有意義。歷史上曾出現(xiàn)過(guò)多種單位制并存的時(shí)代，多種單位制共存為地區(qū)和地區(qū)之間的交流帶來(lái)了很大不便，也阻礙了科學(xué)的傳播和發(fā)展。為了促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展和傳播，也為了溝通和交流的便利，人們建立了國(guó)際單位制。為了描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)，力學(xué)中引入了質(zhì)量、長(zhǎng)度和時(shí)間三個(gè)基本物理量。物理學(xué)中總共有七個(gè)基本物理量：質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間、電流強(qiáng)度、溫度、光強(qiáng)和物質(zhì)的量?；疚锢砹康膯挝环Q為基本單位，從基本單位可以導(dǎo)出其他物理量的單位（稱為導(dǎo)出單位），基本單位和導(dǎo)出單位共同組成單位制，目前國(guó)際上通用的單位制稱為國(guó)際單位制。 前述七個(gè)基本物理量的單位分別是：千克、米、秒、安培、開(kāi)爾文、坎德拉、摩爾。從基本單位出發(fā)可以導(dǎo)出所有其他物理量的單位。例如由加速度的單位和牛頓第二定律可知力的單位是，為了紀(jì)念牛頓對(duì)力學(xué)的偉大貢獻(xiàn)，人們還特地把力的單位稱為牛頓。除了基本單位和導(dǎo)出單位之外，還有一個(gè)描述角度的輔助單位：弧度。為了使用方便，國(guó)際單位制中通過(guò)引入詞冠建立新的單位。例如使用詞冠nano-(納)的單位納米（nano-meter，簡(jiǎn)寫(xiě)為nm）和納秒（nano-second，簡(jiǎn)寫(xiě)為ns）。又如使用詞冠kilo-(千)的單位千米（kilo-meter，簡(jiǎn)寫(xiě)為km）和千牛（kN）等。其他使用詞冠的例子還有微米（m，1m = 10-6 m）、微秒（s，1s = 10-6 s）、兆瓦(MW, 1MW =106 W，功率單位 )、皮法（pF, 1pF = 10-6 F，電容單位）等。常用的詞冠有kilo-（千，簡(jiǎn)寫(xiě)為k）、mega- （兆，簡(jiǎn)寫(xiě)為M）、giga-（京，簡(jiǎn)寫(xiě)為G）、milli- (毫，簡(jiǎn)寫(xiě)為m)、micro- （微，簡(jiǎn)記為）、pico- （皮，簡(jiǎn)寫(xiě)為p）、femto- (飛，簡(jiǎn)寫(xiě)為f)等。物理量與基本物理量的關(guān)系稱為該物理量的量綱，兩個(gè)量綱相同的物理量，其物理本質(zhì)是相同的。對(duì)于復(fù)雜的容易記錯(cuò)的物理公式，可以比較公式兩邊的量綱是否相同：兩邊量綱不同，則公式一定不成立；反之則不一定（即量綱相同是等式成立的必要非充分條件）。生活和生產(chǎn)中重要的常用非國(guó)際單位制單位有光年（ly, 長(zhǎng)度單位，1光年 = 9.46萬(wàn)億千米 = 9.46×1015 米）、小時(shí)（h, 時(shí)間單位，1h = 3600 s）、噸（t, 質(zhì)量單位，1t = 1×103 kg）、千米每小時(shí)（km/s, 速度單位，1 km/h = 5/18 m/s）、度或千瓦時(shí)（kwh, 能量單位, 1kwh = 3.6×106 J）、匹或馬力（horsepower, 簡(jiǎn)寫(xiě)為h.p., 功率單位，1 h.p. = 735.5 W）、電子伏特（eV, 能量單位, 1eV = 1.6×10-19 J）、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm., 壓強(qiáng)單位, 1atm = 1.01×105 Pa）、厘米汞柱（cmHg，壓強(qiáng)單位, 76 cmHg = 1atm.）、攝氏度（, 溫度單位, 0對(duì)應(yīng)于273.15 K）。7. 重量與質(zhì)量生活中通常不區(qū)分物體的重量和質(zhì)量。在物理中重量和質(zhì)量是兩個(gè)完全不同的物理量：重量是物體所受的重力的大小，其量綱和力的量綱相同；質(zhì)量的量綱就是質(zhì)量。物體的（慣性）質(zhì)量反映物體的慣性大小，是物體所包含物質(zhì)的多少，與物體所處的位置和狀態(tài)（非相對(duì)論情形）無(wú)關(guān)；而重量則和重力加速度有關(guān)，赤道附件和南北極附近的重力加速度有差異，地球表面和月球表面的重力加速度也有差異，故同一物體在赤道附近和南北極附近其質(zhì)量沒(méi)有任何變化，但重量則有差別。8. 牛頓定律的應(yīng)用(1) 失重與超重物體具有向上的加速度或加速度具有非零向上分量時(shí)，物體對(duì)于支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受的重力的情況稱為超重現(xiàn)象。根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)于超重的物體有物體具有向下的加速度或加速度具有非零向下分量時(shí)，物體對(duì)于支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受的重力的情況稱為失重現(xiàn)象。根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)于失重的物體有 物體對(duì)支持物的壓力為零的狀態(tài)叫做完全失重狀態(tài)。當(dāng)物體的加速度等于重力加速度時(shí)，就會(huì)發(fā)生完全失重現(xiàn)象。(2) 利用牛頓定律求解運(yùn)動(dòng)問(wèn)題(i) 已知物體的受力情況，可通過(guò)受力分析得到物體的合外力，再利用牛頓第二定律計(jì)算出物體的加速度，然后利用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式確定物體的速度、位移和運(yùn)動(dòng)時(shí)間等。(ii) 已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，則可以利用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律求出物體的加速度，再利用牛頓定律計(jì)算出物體受到的合外力，然后對(duì)物體進(jìn)行受力分析，得出受力情況。(3) 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于描述宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于光速而言）。此外，這里所講的牛頓運(yùn)動(dòng)定律僅在慣性系下成立。微觀粒子或系統(tǒng)的規(guī)律是量子力學(xué)，在微觀尺度（納米即以下），牛頓定律不再適用；高速運(yùn)動(dòng)（速度和光速可比擬）的物體，具有明顯的相對(duì)論效應(yīng)，適用相對(duì)論力學(xué)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律做適當(dāng)修改（引入慣性力）后，可以用于非慣性系。例1（多選）質(zhì)量為m的物體放在質(zhì)量為M、傾角為的斜面上，斜面置于粗糙的水平地面上，用平行于斜面的力F拉物體使其沿斜面向下勻速運(yùn)動(dòng)，M始終靜止，則下列說(shuō)法正確的是（ ）AM相對(duì)地面有向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)B地面對(duì)M的支持力為C地面對(duì)M的摩擦力大小為D地面對(duì)M的摩擦力大小為零例2（多選）如圖所示，當(dāng)小車向右加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物塊M相對(duì)車廂靜止于豎直車廂壁上，當(dāng)車的加速度增大時(shí)（）AM對(duì)車廂壁的壓力增大BM受靜摩擦力增大CM受靜摩擦力減小DM仍相對(duì)于車廂靜止例3如圖所示，質(zhì)量為m1的木塊和質(zhì)量為m2的長(zhǎng)木板疊放在水平地面上現(xiàn)對(duì)木塊施加一水平向右的拉力F，木塊在長(zhǎng)木板上滑行，長(zhǎng)木板始終靜止已知木塊與長(zhǎng)木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為1，長(zhǎng)木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為2，且最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力相等。則（）A1一定小于2B1一定不小于2C改變F的大小，F(xiàn)>2(m1m2)g時(shí)，長(zhǎng)木板將開(kāi)始運(yùn)動(dòng)D若F作用于長(zhǎng)木板，F(xiàn)>(12)(m1m2)g時(shí)，長(zhǎng)木板與木塊將開(kāi)始相對(duì)滑動(dòng)例4如圖所示，用一根細(xì)繩將一重物A吊在電梯內(nèi)的天花板上，在下列四種情況下，重物處于超重狀態(tài)的是（ ）A電梯勻速上升B電梯勻速下降C電梯加速上升D電梯加速下降例5如圖所示，質(zhì)量為M的斜面體靜止在水平地面上，質(zhì)量為m的滑塊在沿著斜面向上的恒力F作用下向下做勻速運(yùn)動(dòng)，斜面體始終處于靜止?fàn)顟B(tài)。已知重力加速度為g，在滑塊下滑的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是（ ）A滑塊與斜面體之間的動(dòng)摩擦因數(shù)大于tanB撤去恒力F后，地面對(duì)斜面體的支持力不變C地面對(duì)斜面體的支持力大于（Mm）gD地面對(duì)斜面體的摩擦力方向水平向左例6兩個(gè)相互接觸的物體放置在光滑無(wú)摩擦的水平桌面上；有一大小為 F 的外力水平作用在物體1上。計(jì)算物體 1 的加速度和兩物體間的接觸力。例題參考答案 1. BC；2. AD；3. D；4. C；5. .8 / 8