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高中物理 第5章 牛頓第二定律學(xué)案 滬科版必修

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1、 學(xué)案3 牛頓第二定律 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.知道牛頓第二定律的內(nèi)容、表達(dá)式的確切含義.2.知道國際單位制中力的單位“牛頓”是怎樣定義的.3.能應(yīng)用牛頓第二定律解決簡單的實(shí)際問題.4.了解什么是單位制,知道力學(xué)中的三個(gè)基本單位. 一、牛頓第二定律 1.內(nèi)容:物體的加速度跟受到的作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比. 2.公式:a∝或F∝ma也可以寫成等式F=kma. 3.對公式F=kma的理解 (1)在國際單位制中,力的單位就是根據(jù)牛頓第二定律定義的.使質(zhì)量為1_kg的物體產(chǎn)生1_m/s2加速度的力,規(guī)定為1 N,即1 N=1_kgm/s2,所以當(dāng)F、m、a取國際單位制單位時(shí),公式中

2、k=1. (2)在國際單位制中,牛頓第二定律的表達(dá)式為F=ma. 二、物理量與單位制 1.單位制:基本單位和導(dǎo)出單位一起組成了單位制. (1)基本單位:選定幾個(gè)物理量的單位作為基本單位. (2)導(dǎo)出單位:根據(jù)有關(guān)公式,導(dǎo)出其他有關(guān)物理量的單位,這些導(dǎo)出的單位叫導(dǎo)出單位. 2.在國際單位制中,長度單位米(m)、時(shí)間單位秒(s)和質(zhì)量單位千克(kg)屬于基本單位. 一、牛頓第二定律 [問題設(shè)計(jì)] 由上一節(jié)的探究我們已經(jīng)知道當(dāng)小車的質(zhì)量不變時(shí),小車的加速度與它所受的力成正比,即a∝F,當(dāng)小車所受的力不變時(shí),小車的加速度與它的質(zhì)量成反比,即a∝,那么小車的加速度a、小車的質(zhì)量m以

3、及小車所受的力F的關(guān)系是怎樣的? 答案 由于a∝F,a∝,所以a∝ 寫成等式為F=kma 若F、m、a都用國際單位,則F=ma. [要點(diǎn)提煉] 1.牛頓第二定律的表達(dá)式 F=ma,式中各量都要用國際單位,F(xiàn)指物體所受的合力. 1 / 15 2.對牛頓第二定律的理解 (1)因果性:力F是產(chǎn)生加速度a的原因,只要物體所受的合力不為0,物體就具有加速度. (2)瞬時(shí)性:a與F同時(shí)產(chǎn)生,同時(shí)變化,同時(shí)消失,為瞬時(shí)對應(yīng)關(guān)系. (3)矢量性:F=ma是矢量表達(dá)式,任一時(shí)刻a的方向均與合力F的方向一致,當(dāng)合力方向變化時(shí)a的方向同時(shí)變化,即a與F的方向在任何時(shí)刻均相同. (4)同體

4、性:公式F=ma中各物理量都是針對同一物體的. (5)獨(dú)立性:當(dāng)物體同時(shí)受到幾個(gè)力作用時(shí),各個(gè)力都滿足F=ma,每個(gè)力都會產(chǎn)生一個(gè)加速度,這些加速度的矢量和即為物體具有的合加速度.故牛頓第二定律可表示為 3.合力、加速度、速度的關(guān)系 (1)力與加速度為因果關(guān)系.加速度與合力方向總相同、大小與合力成正比. (2)力與速度無因果關(guān)系.合力與速度方向可以同向,可以反向;合力與速度方向同向時(shí),物體做加速運(yùn)動,反向時(shí)物體做減速運(yùn)動. (3)兩個(gè)加速度公式的區(qū)別 a=是加速度的定義式,是比值法定義的物理量,a與v、Δv、Δt均無關(guān);a=是加速度的決定式,加速度由其受到的合力和質(zhì)量決定. [延

5、伸思考] 在地面上,停著一輛卡車,你使出全部力氣也不能使卡車做加速運(yùn)動,這與牛頓第二定律矛盾嗎?為什么? 答案 不矛盾,牛頓第二定律公式中的F指的是物體受到的合力,大卡車在水平方向上不只受到你的推力,還同時(shí)受到地面摩擦力的作用,它們相互平衡,即卡車受到的合力為零,故卡車不做加速運(yùn)動. 二、物理量與單位制 [問題設(shè)計(jì)] 美國國家航空航天局(NASA)在20世紀(jì)末曾發(fā)射過一個(gè)火星探測器,但它由于靠火星過近,結(jié)果因溫度過高而起火,并脫離軌道墜入火星的大氣層.航空航天局調(diào)查事故原因時(shí)發(fā)現(xiàn):原來探測器的制造商洛克希德馬丁公司計(jì)算加速度時(shí)使用了英制單位,而噴氣推動實(shí)驗(yàn)室的工程師理所當(dāng)然地認(rèn)為他們

6、提供的數(shù)據(jù)是以國際單位制算出來的,并把這些數(shù)據(jù)直接輸入電腦.從這次事故的原因上,你能得到什么啟示? 答案 在國際上采用統(tǒng)一的單位制是非常重要的,也是非常必要的. [要點(diǎn)提煉] 1.國際單位制 (1)國際單位制中的基本量 國際單位制中選定長度(l)、質(zhì)量(m)、時(shí)間(t)、電流(I)、熱力學(xué)溫度(T)、發(fā)光強(qiáng)度(I)、物質(zhì)的量( n)七個(gè)量為基本量. (2)國際單位制中的力學(xué)單位 ①基本單位 長度l,單位:m;質(zhì)量m,單位:kg;時(shí)間t,單位:s. ②常用的導(dǎo)出單位 速度(v),由公式v=導(dǎo)出,單位:m/s. 加速度(a),由公式a=導(dǎo)出,單位:m/s2. 力(

7、F),由公式F=ma導(dǎo)出,單位:N(或kgm/s2). 此外還有功、功率、壓強(qiáng)等等. 2.單位制的應(yīng)用 (1)單位制可以簡化計(jì)算過程 計(jì)算時(shí)首先將各物理量的單位統(tǒng)一到國際單位制中,用國際單位制中的基本單位和導(dǎo)出單位表示,這樣就可以省去計(jì)算過程中單位的代入,只在數(shù)字后面寫上相應(yīng)待求量的單位即可,從而使計(jì)算簡便. (2)推導(dǎo)物理量的單位 物理公式在確定各物理量的數(shù)量關(guān)系時(shí),同時(shí)也確定了各物理量的單位關(guān)系,所以我們可以根據(jù)物理公式中物理量間的關(guān)系推導(dǎo)出物理量的單位. (3)判斷比例系數(shù)的單位 根據(jù)公式中物理量的單位關(guān)系,可判斷公式中比例系數(shù)有無單位,如公式F=kx中k的單位為N/m,

8、f=μN(yùn)中μ無單位. (4)單位制可檢查物理量關(guān)系式的正誤 根據(jù)物理量的單位,如果發(fā)現(xiàn)某公式在單位上有問題,或者所求結(jié)果的單位與采用的單位制中該量的單位不一致,那么該公式或計(jì)算結(jié)果肯定是錯誤的. 一、對牛頓第二定律的理解 例1 下列對牛頓第二定律的表達(dá)式F=ma及其變形公式的理解,正確的是(  ) A.由F=ma可知,物體所受的合力與物體的質(zhì)量成正比,與物體的加速度成正比 B.由m=可知,物體的質(zhì)量與其所受合力成正比,與其運(yùn)動的加速度成反比 C.由a=可知,物體的加速度與其所受合力成正比,與其質(zhì)量成反比 D.由m=可知,物體的質(zhì)量可以通過測量它的加速度和它所受到的合力求出

9、 解析 a=是加速度的決定式,a與F成正比,與m成反比;F=ma說明力是產(chǎn)生加速度的原因,但不能說F與m成正比,與a成正比;質(zhì)量是物體的固有屬性,與F、a皆無關(guān). 答案 CD 二、對單位制的理解與應(yīng)用 例2 在解一道計(jì)算題(由字母表達(dá)結(jié)果的計(jì)算題)時(shí),一個(gè)同學(xué)解得位移s=(t1+t2),用單位制的方法檢查,這個(gè)結(jié)果(  ) A.可能是正確的 B.一定是錯誤的 C.如果用國際單位制,結(jié)果可能正確 D.用國際單位制,結(jié)果錯誤,如果用其他單位制,結(jié)果可能正確 解析 可以將右邊的力F、時(shí)間t和質(zhì)量m的單位代入公式看得到的單位是否和位移s的單位一致;還可以根據(jù)F=ma,a=v/t

10、,v=s/t,將公式的物理量全部換算成基本量的單位,就容易判斷了.在s=(t1+t2)式中,左邊單位是長度單位,而右邊的單位推知是速度單位,所以結(jié)果一定是錯誤的,單位制選的不同,不會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性,故A、C、D錯,B對. 答案 B 二、牛頓第二定律的簡單應(yīng)用 例3 如圖1所示,一質(zhì)量為8 kg的物體靜止在粗糙的水平地面上,物體與地面間的動摩擦因數(shù)為0.2,用一水平力F=20 N拉物體由A點(diǎn)開始運(yùn)動,經(jīng)過8 s后撤去拉力F,再經(jīng)過一段時(shí)間物體到達(dá)B點(diǎn)停止.求:(g=10 m/s2) 圖1 (1)在拉力F作用下物體運(yùn)動的加速度大?。? (2)撤去拉力時(shí)物體的速度大??; (3)撤去

11、拉力F后物體運(yùn)動的距離. 解析 (1)對物體受力分析,如圖所示 豎直方向mg=N 水平方向,由牛頓第二定律得F-μN(yùn)=ma1 解得a1==0.5 m/s2 (2)撤去拉力時(shí)物體的速度v=a1t 解得v=4 m/s (3)撤去拉力F后由牛頓第二定律得 -μmg=ma2 解得a2=-μg=-2 m/s2 由0-v2=2a2s 解得s==4 m 答案 (1)0.5 m/s2 (2)4 m/s (3)4 m 例4 如圖2所示,質(zhì)量為1 kg的物體靜止在水平面上,物體與水平面間的動摩擦因數(shù)μ=0.5,物體受到大小為20 N、與水平方向成37角斜向右下的推力F作用時(shí),

12、沿水平方向做勻加速直線運(yùn)動,求物體加速度的大?。?g取10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8) 圖2 解析 取物體為研究對象,受力分析如圖所示,建立直角坐標(biāo)系. 在水平方向上:Fcos 37-f=ma① 在豎直方向上:N=mg+Fsin 37② 又因?yàn)椋篺=μN(yùn)③ 聯(lián)立①②③得:a=5 m/s2 答案 5 m/s2 1.牛頓第二定律和力的單位 (1)內(nèi)容 (2)表達(dá)式:F=ma (3)國際單位制中力的單位:N,1 N=1 kgm/s2 2.牛頓第二定律的特點(diǎn) (1)因果性;(2)瞬時(shí)性;(3)矢量性;(4)同體性;(5)獨(dú)立性. 3.

13、單位制 (1)國際單位制中的力學(xué)單位:長度的單位米(m)、時(shí)間的單位秒(s)、質(zhì)量的單位千克(kg) (2)單位制的應(yīng)用 ①簡化計(jì)算過程 ②推導(dǎo)物理量的單位 ③判斷比例系數(shù)的單位 ④檢查物理量關(guān)系式的正誤 1.(對單位制的理解)關(guān)于力學(xué)單位制,下列說法正確的是(  ) A.kg、m/s、N是導(dǎo)出單位 B.kg、m、s是基本單位 C.在國際單位制中,質(zhì)量的單位可以是kg,也可以是g D.只有在國際單位制中,牛頓第二定律的表達(dá)式才是F=ma 答案 BD 解析 所謂導(dǎo)出單位,是利用物理公式和基本單位推導(dǎo)出來的,力學(xué)中的基本單位只有三個(gè),即kg、m、s,其他單位都

14、是由這三個(gè)基本單位衍生(推導(dǎo))出來的,如“牛頓”(N)是導(dǎo)出單位,即1 N=1 kgm/s2(F=ma),所以A項(xiàng)錯誤,B項(xiàng)正確.在國際單位制中,質(zhì)量的單位只能是kg,C項(xiàng)錯誤.在牛頓第二定律的表達(dá)式中,F(xiàn)=ma(k=1)只有在所有物理量都采用國際單位制時(shí)才能成立,D項(xiàng)正確. 2.(單位制的應(yīng)用)有幾個(gè)同學(xué)在一次運(yùn)算中,得出了某物體位移s的大小同其質(zhì)量m、速度v、作用力F和運(yùn)動時(shí)間t的關(guān)系式分別如下,其中一定錯誤的是(  ) A.s=       B.s= C.s=Ft D.s= 答案 ABC 解析 把各物理量的單位都用基本單位表示,v的單位為m/s,a的單位為m/s2,F(xiàn)

15、的單位為kgm/s2;s的單位為m.由此可解出A、B、C、D的單位分別為s、m2/s、kgm/s、m,故A、B、C一定錯誤,D可能正確. 3.(牛頓第二定律的理解)關(guān)于牛頓第二定律,以下說法中正確的是(  ) A.由牛頓第二定律可知,加速度大的物體,所受的合力一定大 B.牛頓第二定律說明了,質(zhì)量大的物體,其加速度一定小 C.由F=ma可知,物體所受到的合力與物體的質(zhì)量成正比 D.對同一物體而言,物體的加速度與物體所受到的合力成正比,而且在任何情況下,加速度的方向,始終與物體所受的合力方向一致 答案 D 解析 加速度是由合力和質(zhì)量共同決定的,故加速度大的物體,所受合力不一定大,質(zhì)量

16、大的物體,加速度不一定小,選項(xiàng)A、B錯誤;物體所受到的合力與物體的質(zhì)量無關(guān),故C錯誤;由牛頓第二定律可知,物體的加速度與物體所受到的合力成正比,并且加速度的方向與合力方向一致,故D選項(xiàng)正確. 4.(牛頓第二定律的簡單應(yīng)用)如圖3所示,質(zhì)量為4 kg的物體靜止于水平面上.現(xiàn)用大小為40 N,與水平方向夾角為37的斜向右上的力拉物體,使物體沿水平面做勻加速運(yùn)動( g取10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8). 圖3 (1)若水平面光滑,物體的加速度是多大? (2)若物體與水平面間的動摩擦因數(shù)為0.5,物體的加速度是多大? 答案 (1)8 m/s2 (2)

17、6 m/s2 解析 (1)水平面光滑時(shí)物體的受力情況如圖甲所示 由牛頓第二定律:Fcos 37=ma1 解得a1=8 m/s2 (2)水平面不光滑時(shí),物體的受力情況如圖乙所示 Fcos 37-f=ma2 N′+Fsin 37=mg f=μN(yùn)′ 聯(lián)立解得:a2=6 m/s2 題組一 對牛頓第二定律的理解 1.根據(jù)牛頓第二定律,下列敘述正確的是(  ) A.物體加速度的大小跟它的質(zhì)量、受到的合力無關(guān) B.物體所受合力必須達(dá)到一定值時(shí),才能使物體產(chǎn)生加速度 C.物體加速度的大小跟它所受的作用力中的任一個(gè)的大小成正比 D.當(dāng)物體質(zhì)量改變但其所受合力的水平分力不變

18、時(shí),物體水平加速度大小與其質(zhì)量成反比 答案 D 解析 物體加速度的大小與物體受到的合力成正比,與物體的質(zhì)量成反比,選項(xiàng)A錯誤;力是產(chǎn)生加速度的原因,只要有合力,物體就有加速度,它們之間是瞬時(shí)對應(yīng)關(guān)系,不存在累積效應(yīng),選項(xiàng)B錯誤;物體加速度的大小與它受到的合力成正比,選項(xiàng)C錯誤;由Fx=max 知,選項(xiàng)D正確. 2.在牛頓第二定律的表達(dá)式F=kma中,有關(guān)比例系數(shù)k的下列說法中正確的是(  ) A.k的數(shù)值由質(zhì)量、加速度和力的數(shù)值決定 B.k的數(shù)值由質(zhì)量、加速度和力的單位決定 C.在國際單位制中,k等于1 D.在任何情況下k都等于1 答案 BC 解析 物理公式在確定物

19、理量數(shù)量關(guān)系的同時(shí),也確定了物理量的單位,在F=kma中,只有“m”的單位取kg,“a”的單位取m/s2,“F”的單位取N時(shí),才有k=1.B、C正確. 3.對靜止在光滑水平面上的物體施加一水平拉力F,當(dāng)力剛開始作用的瞬間(  ) A.物體立即獲得速度 B.物體立即獲得加速度 C.物體同時(shí)獲得速度和加速度 D.由于物體沒有來得及運(yùn)動,所以速度和加速度都為零 答案 B 解析 物體受重力、支持力與水平拉力F三個(gè)力的作用,重力和支持力的合力為零,因此物體所受的合力即水平拉力F.由牛頓第二定律可知,力F作用的同時(shí)物體立即獲得加速度,但是速度還是零,因?yàn)楹狭與速度無關(guān)而且速度只能漸變不能突

20、變.因此B正確,A、C、D錯誤. 題組二 對單位制的理解及應(yīng)用 4.關(guān)于國際單位制,下列說法正確的是(  ) A.國際單位制是世界各國統(tǒng)一使用的一種通用的單位制 B.各國均有不同的單位制,國際單位制是為了方便交流而采用的一種單位制 C.國際單位制是一種基本的單位制,只要在物理運(yùn)算中各物理量均采用國際單位制中的單位,則最后得出的結(jié)果的單位必然是國際單位制中的單位 D.國際單位制中的基本單位所對應(yīng)的物理量是長度、能量、時(shí)間 答案 ABC 解析 國際單位制中,規(guī)定了七種基本量與基本單位,即長度(m)、質(zhì)量(kg)、時(shí)間(s)、電流(A)、熱力學(xué)溫度(K)、物質(zhì)的量(mol)、發(fā)光強(qiáng)度

21、(cd).國際單位制就是各國都要統(tǒng)一采用的通用單位制,故A選項(xiàng)正確.國際單位制的重要作用之一,就是便于在世界各國的政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化等領(lǐng)域中的交流,故B選項(xiàng)正確.為了物理運(yùn)算的簡捷、方便,才有了國際單位制的統(tǒng)一規(guī)定.只要運(yùn)算過程中各量均采用國際單位制中的單位,最終得到的結(jié)果的單位也必然是國際單位制中的單位.這是國際單位制的又一重要作用,故C選項(xiàng)正確.國際單位制中規(guī)定基本單位的物理量中沒有“能量”,故D選項(xiàng)錯誤. 5.下列單位中,屬于國際單位制中加速度的單位的是(  ) A.cm/s2 B.m/s2 C.N/s2 D.N/kg 答案 BD 6.雨滴在空氣中下

22、落,當(dāng)速度比較大的時(shí)候,它受到的空氣阻力與其速度的二次方成正比,與其橫截面積成正比,即f=kSv2,則比例系數(shù)k的單位是(  ) A.kg/m4 B.kg/m3 C.kg/m2 D.kg/m 答案 B 解析 將f=kSv2變形得k=,采用國際單位制,式中f的單位為N,即kgm/s2,S的單位為m2,速度的二次方的單位可寫為(m/s)2.將這些單位代入上式得,即比例系數(shù)k的單位是kg/m3,B正確. 7.聲音在空氣中的傳播速度v與空氣的密度ρ、壓強(qiáng)p有關(guān).下列速度的表達(dá)式中正確的是(k為比例系數(shù),無單位)(  ) A.v=k B.v= C.v=

23、D.v= 答案 B 解析 國際單位制中p的單位是N/m2,1 N=1 kgm/s2,ρ的單位是kg/m3,代入 可得 = =m/s,而m/s即為速度的單位,故B正確,同理可得A、C、D錯誤. 題組三 牛頓第二定律的簡單應(yīng)用 8.如圖1所示,位于水平地面上的質(zhì)量為M的小木塊,在大小為F、方向與水平方向成α角的拉力作用下沿地面做加速運(yùn)動.若木塊與地面之間的動摩擦因數(shù)為μ,則木塊的加速度為(  ) 圖1 A.           B. C. D. 答案 D 解析 取M為研究對象,其受力情況如圖所示. 在豎直方向合力為零,即Fsin α+N=Mg 在水平方

24、向由牛頓第二定律得Fcos α-μN(yùn)=Ma 由以上兩式可得 a=,D項(xiàng)正確. 9.如圖2所示,在沿平直軌道行駛的車廂內(nèi),有一輕繩的上端固定在車廂的頂部,下端拴一小球,當(dāng)小球相對車廂靜止時(shí),懸線與豎直方向夾角為θ,則下列關(guān)于車廂的運(yùn)動情況正確的是(  ) 圖2 A.車廂加速度大小為gtan θ,方向沿水平向左 B.車廂加速度大小為gtan θ,方向沿水平向右 C.車廂加速度大小為gsin θ,方向沿水平向左 D.車廂加速度大小為gsin θ,方向沿水平向右 答案 A 解析 設(shè)小球質(zhì)量為m,車廂加速度為a,對小球進(jìn)行受力分析可知,小球受繩的拉力和重力,其中繩的拉力T在豎直方

25、向上的分力為Tcos θ,有Tcos θ=mg,水平方向有Tsin θ=ma,解得a=gtan θ,方向水平向左. 10.如圖3所示,一小球從空中自由落下,當(dāng)它與正下方的輕彈簧剛開始接觸時(shí),它將(  ) 圖3 A.立即被反彈上來 B.立即開始做減速運(yùn)動 C.立即停止運(yùn)動 D.繼續(xù)做加速運(yùn)動 答案 D 解析 小球剛接觸輕彈簧時(shí),受到向下的重力和向上的彈力,且重力大于彈力,合力方向向下,加速度方向向下,所以繼續(xù)向下做加速運(yùn)動,故選項(xiàng)D正確. 11.質(zhì)量為m的木塊位于粗糙水平桌面上,若用大小為F的水平恒力拉木塊,其加速度為a.當(dāng)拉力方向不變,大小變?yōu)?F時(shí),木塊的加速度

26、為a′,則(  ) A.a(chǎn)′=a B.a(chǎn)′<2a C.a(chǎn)′>2a D.a(chǎn)′=2a 答案 C 解析 設(shè)木塊與桌面間的動摩擦因數(shù)為μ,由牛頓第二定律得F-μmg=ma① 2F-μmg=ma′② ①2得2F-2μmg=2ma,與②式比較有 2F-μmg>2F-2μmg 所以有ma′>2ma,即a′>2a,則C正確. 12.如圖4所示,有一輛汽車滿載西瓜在水平路面上勻速前進(jìn).突然發(fā)現(xiàn)意外情況,緊急剎車做勻減速運(yùn)動,加速度大小為a,則中間一質(zhì)量為m的西瓜A受到其他西瓜對它的作用力的大小是(  ) 圖4 A.m B.ma C.m D.m(g+

27、a) 答案 C 解析  西瓜與汽車具有相同的加速度a,對西瓜A受力分析如圖,F(xiàn)表示周圍西瓜對A的作用力,則由牛頓第二定律得:=ma,解得:F=m ,故C對,A、B、D錯. 題組四 綜合應(yīng)用 13.(1)如圖5所示,一個(gè)物體從光滑斜面的頂端由靜止開始下滑,傾角θ=30,斜面靜止不動,重力加速度g=10 m/s2.求物體下滑過程的加速度有多大? 圖5 (2)若斜面不光滑,物體與斜面間的動摩擦因數(shù)μ=,物體下滑過程的加速度又是多大? 答案 (1)5 m/s2 (2)2.5 m/s2 解析 (1)根據(jù)牛頓第二定律得:mgsin θ=ma1 所以a1=gsin θ=10 m/s2=5 m/s2 (2)物體受重力、支持力和摩擦力,根據(jù)牛頓第二定律得 mgsin θ-f=ma2 N=mgcos θ  f=μN(yùn) 聯(lián)立解得:a2=gsin θ-μgcos θ=2.5 m/s2 希望對大家有所幫助,多謝您的瀏覽!

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