(一)牛頓第一定律(即慣性定律)
一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。
(1)理解要點:
①運動是物體的一種屬性,物體的運動不需要力來維持。
②它定性地揭示了運動與力的關(guān)系:力是改變物體運動狀態(tài)的原因,是使物體產(chǎn)生加速度的原因。
③第一定律是牛頓以伽俐略的理想斜面實驗為基礎(chǔ),總結(jié)前人的研究成果加以豐富的想象而提出來的;定律成立的條件是物體不受外力,不能用實驗直接驗證。
④牛頓第一定律是牛頓第二定律的基礎(chǔ),不能認為它是牛頓第二定律合外力為零時的特例,第一定律定性地給出了力與運動的關(guān)系,第二定律定量地給出力與運動的關(guān)系。
(2)慣性:物體保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性。
①慣性是物體的固有屬性,與物體的受力情況及運動狀態(tài)無關(guān)。
②質(zhì)量是物體慣性大小的量度。
③由牛頓第二定律定義的慣性質(zhì)量m=F/a和由萬有引力定律定義的引力質(zhì)量嚴格相等。
④慣性不是力,慣性是物體具有的保持勻速直線運動或靜止狀態(tài)的性質(zhì)、力是物體對物體的作用,慣性和力是兩個不同的概念。
(二)牛頓第二定律
1. 定律內(nèi)容
物體的加速度a跟物體所受的合外力成正比,跟物體的質(zhì)量m成反比。
2. 公式:
理解要點:
①因果性:是產(chǎn)生加速度a的原因,它們同時產(chǎn)生,同時變化,同時存在,同時消失;
②方向性:a與都是矢量,方向嚴格相同;
③瞬時性和對應(yīng)性:a為某時刻某物體的加速度,是該時刻作用在該物體上的合外力。
(三)力的平衡
1. 平衡狀態(tài)
指的是靜止或勻速直線運動狀態(tài)。特點:。
2. 平衡條件
共點力作用下物體的平衡條件是所受合外力為零,即。
3. 平衡條件的推論
(1)物體在多個共點力作用下處于平衡狀態(tài),則其中的一個力與余下的力的合力等大反向;
(2)物體在同一平面內(nèi)的三個不平行的力作用下,處于平衡狀態(tài),這三個力必為共點力;
(3)物體在三個共點力作用下處于平衡狀態(tài)時,圖示這三個力的有向線段必構(gòu)成閉合三角形。
(四)牛頓第三定律
兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在一條直線上,公式可寫為。
(五)力學(xué)基本單位制:(在國際制單位中)
1. 作用力與反作用力的二力平衡的區(qū)別
內(nèi)容 | 作用力和反作用力 | 二力平衡 |
受力物體 | 作用在兩個相互作用的物體上 | 作用在同一物體上 |
依賴關(guān)系 | 同時產(chǎn)生,同時消失相互依存,不可單獨存在 | 無依賴關(guān)系,撤除一個、另一個可依然存在,只是不再平衡 |
疊加性 | 兩力作用效果不可抵消,不可疊加,不可求合力 | 兩力運動效果可相互抵消,可疊加,可求合力,合力為零;形變效果不能抵消 |
力的性質(zhì) | 一定是同性質(zhì)的力 | 可以是同性質(zhì)的力也可以不是同性質(zhì)的力 |
2. 應(yīng)用牛頓第二定律解題的一般步驟
①確定研究對象;
②分析研究對象的受力情況畫出受力分析圖并找出加速度方向;
③建立直角坐標系,使盡可能多的力或加速度落在坐標軸上,并將其余分解到兩坐標軸上;
④分別沿x軸方向和y軸方向應(yīng)用牛頓第二定律列出方程;
⑤統(tǒng)一單位,計算數(shù)值。
3. 解決共點力作用下物體的平衡問題思路
(1)確定研究對象:若是相連接的幾個物體處于平衡狀態(tài),要注意“整體法”和“隔離法”的綜合運用;
(2)對研究對象受力分析,畫好受力圖;
(3)恰當建立正交坐標系,把不在坐標軸上的力分解到坐標軸上。建立正交坐標系的原則是讓盡可能多的力落在坐標軸上。
(4)列平衡方程,求解未知量。
4. 求解共點力作用下物體的平衡問題常用的方法
(1)有不少三力平衡問題,既可從平衡的觀點(根據(jù)平衡條件建立方程求解)——平衡法,也可從力的分解的觀點求解——分解法。兩種方法可視具體問題靈活運用。
(2)相似三角形法:通過力三角形與幾何三角形相似求未知力。對解斜三角形的情況更顯優(yōu)勢。
(3)力三角形圖解法,當物體所受的力變化時,通過對幾個特殊狀態(tài)畫出力圖(在同一圖上)對比分析,使動態(tài)問題靜態(tài)化,抽象問題形象化,問題將變得易于分析處理。
5. 處理臨界問題和極值問題的常用方法
涉及臨界狀態(tài)的問題叫臨界問題。臨界狀態(tài)常指某種物理現(xiàn)象由量變到質(zhì)變過渡到另一種物理現(xiàn)象的連接狀態(tài),常伴有極值問題出現(xiàn)。如:相互擠壓的物體脫離的臨界條件是壓力減為零;存在摩擦的物體產(chǎn)生相對滑動的臨界條件是靜摩擦力取最大靜摩擦力,彈簧上的彈力由斥力變?yōu)槔Φ呐R界條件為彈力為零等。
臨界問題常伴有特征字眼出現(xiàn),如“恰好”、“剛剛”等,找準臨界條件與極值條件,是解決臨界問題與極值問題的關(guān)鍵。
例1. 如圖1所示,一細線的一端固定于傾角為45°的光滑楔形滑塊A的頂端P處,細線另一端拴一質(zhì)量為m的小球。當滑塊以2g加速度向左運動時,線中拉力T等于多少?
解析:當小球和斜面接觸,但兩者之間無壓力時,設(shè)滑塊的加速度為a'
此時小球受力如圖2,由水平和豎直方向狀態(tài)可列方程分別為:
解得:
由滑塊A的加速度,所以小球?qū)h離滑塊A,其受力如圖3所示,設(shè)線和豎直方向成角,由小球水平豎直方向狀態(tài)可列方程
解得:
例2. 如圖4甲、乙所示,圖中細線均不可伸長,物體均處于平衡狀態(tài)。如果突然把兩水平細線剪斷,求剪斷瞬間小球A、B的加速度各是多少?(角已知)
解析:水平細線剪斷瞬間拉力突變?yōu)榱?,圖甲中OA繩拉力由T突變?yōu)?/span>T',但是圖乙中OB彈簧要發(fā)生形變需要一定時間,彈力不能突變。
(1)對A球受力分析,如圖5(a),剪斷水平細線后,球A將做圓周運動,剪斷瞬間,小球的加速度方向沿圓周的切線方向。
(2)水平細線剪斷瞬間,B球受重力G和彈簧彈力不變,如圖5(b)所示,則
小結(jié):(1)牛頓第二定律是力的瞬時作用規(guī)律,加速度和力同時產(chǎn)生、同時變化、同時消失。分析物體在某一時刻的瞬時加速度,關(guān)鍵是分析該瞬時前后的受力情況及其變化。
(2)明確兩種基本模型的特點:
A. 輕繩的形變可瞬時產(chǎn)生或恢復(fù),故繩的彈力可以瞬時突變。
B. 輕彈簧(或橡皮繩)在兩端均聯(lián)有物體時,形變恢復(fù)需較長時間,其彈力的大小與方向均不能突變。
例3. 傳送帶與水平面夾角37°,皮帶以10m/s的速率運動,皮帶輪沿順時針方向轉(zhuǎn)動,如圖6所示。今在傳送帶上端A處無初速地放上一個質(zhì)量為的小物塊,它與傳送帶間的動摩擦因數(shù)為0.5,若傳送帶A到B的長度為16m,g取,則物體從A運動到B的時間為多少?
解析:由于,物體一定沿傳送帶對地下移,且不會與傳送帶相對靜止。
設(shè)從物塊剛放上到皮帶速度達10m/s,物體位移為,加速度,時間,因物速小于皮帶速率,根據(jù)牛頓第二定律,,方向沿斜面向下。皮帶長度。
設(shè)從物塊速率為到B端所用時間為,加速度,位移,物塊速度大于皮帶速度,物塊受滑動摩擦力沿斜面向上,有:
即(舍去)
所用總時間
例4. 如圖7,質(zhì)量的小車停放在光滑水平面上,在小車右端施加一水平恒力F=8N。當小車向右運動速度達到3m/s時,在小車的右端輕放一質(zhì)量m=2kg的小物塊,物塊與小車間的動摩擦因數(shù),假定小車足夠長,問:
(1)經(jīng)過多長時間物塊停止與小車間的相對運動?
(2)小物塊從放在車上開始經(jīng)過所通過的位移是多少?(g取)
解析:(1)依據(jù)題意,物塊在小車上停止運動時,物塊與小車保持相對靜止,應(yīng)具有共同的速度。設(shè)物塊在小車上相對運動時間為t,物塊、小車受力分析如圖8:
物塊放上小車后做初速度為零加速度為的勻加速直線運動,小車做加速度為勻加速運動。
由牛頓運動定律:
物塊放上小車后加速度:
小車加速度:
由得:
(2)物塊在前2s內(nèi)做加速度為的勻加速運動,后1s同小車一起做加速度為的勻加速運動。
以系統(tǒng)為研究對象:
根據(jù)牛頓運動定律,由得:
物塊位移
例5. 將金屬塊m用壓縮的輕彈簧卡在一個矩形的箱中,如圖9所示,在箱的上頂板和下底板裝有壓力傳感器,箱可以沿豎直軌道運動。當箱以的加速度豎直向上做勻減速運動時,上頂板的傳感器顯示的壓力為6.0 N,下底板的傳感器顯示的壓力為10.0 N。(取)
(1)若上頂板傳感器的示數(shù)是下底板傳感器的示數(shù)的一半,試判斷箱的運動情況。
(2)若上頂板傳感器的示數(shù)為零,箱沿豎直方向運動的情況可能是怎樣的?
啟迪:題中上下傳感器的讀數(shù),實際上是告訴我們頂板和彈簧對m的作用力的大小。對m受力分析求出合外力,即可求出m的加速度,并進一步確定物體的運動情況,但必須先由題意求出m的值。
解析:當減速上升時,m受力情況如圖10所示:
(1)
故箱體將作勻速運動或保持靜止狀態(tài)。
(2)若,則
即箱體將向上勻加速或向下勻減速運動,且加速度大小大于、等于。
高考試題來源:http://www.gaokao.com/zyk/gkst/
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