第三章牛顿运动定律

1/25第三章牛顿运动定律本章学习要求1．由伽利略的理想实验为基础得到的牛顿第一定律可知：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态（产生加速度）的原因。2．惯性是物体的固有属性，质量是物体惯性大小的量度。3．牛顿第二定律F＝ma反映了力和加速度之间的因果关系，加速度随力的变化而变化。4．力的作用总是相互的。作用力和反作用力大小相等、方向相反。它们分别作用在两个不同的物体上。5．涉及到力学的国际单位制的基本单位有3个，它们分别是长度单位m（米），质量单位kg（千克）和时间单位s（秒）。6．通过科学探究来学习牛顿定律．感悟牛顿对科学的巨大贡献。A牛顿第一定律惯性一、学习要求理解牛顿第一定律，知道惯性是物体本身固有的属性，跟外部环境、物体的运动状态和物体的受力情况均无关。外力作用于物体，能改变物体的运动状态，但不能改变物体的惯性。知道伽利略的斜面实验是建立在可靠事实基础上的理想实验，它深刻揭示了物理现象的本质，是一种重要的科学研究方法。领悟惯性在社会生活中的重要现实意义，懂得有时要利用它，有时要防止它的不利影响。二、要点辨析1．牛顿第一定律（1）描述物体不受外力作用时的运动规律。牛顿第一定律描述了物体不受外力作用时，物体将保持匀速直线运动状态或静止状态。应该指出的是，从力学发展历史看，第一定律是一个独立的定律，它不仅说明了物体不受外力时的运动规律，还给出了力和惯性的涵义。（2）阐明了力的科学涵义。牛顿第一定律指出：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是说，物体不受外力就保持不变的速度，力是使物体产生加速度的其他物体的作用。这样就从动力学角度定性地给力下了一个定义：力是物体间的相互作用，它是改变物体运动状态，即产生加速度的原因，而不是维持物体运动的愿因。2/25（3）揭示了物体普遍具有的属性——惯性。2．如何理解惯性是物体的固有属性惯性是指一切物体（包括固体、液体、气体）具有的保持其静止或匀速直线运动状态不变的特性，既是特性，则任何物体在任何情况下都具有惯性，惯性是物体所固有的属性，所以惯性既不能被克服，也不能被消除，同一物体的惯性不会因它的运动状态的改变而改变，牛顿关于惯性定义还作了这样的叙述：“所谓惯性……是每个物体按其一定的量而存在于其中的一种抵抗能力，”所以物体的惯性总是以保持“原状”和“反抗”改变两种形式表现出来。当物体处于静止或匀速直线运动时，固然能表现出它的惯性——保持原来的静止或匀速直线运动的状态不变的性质；而当物体做变速运动时，它同样表现出具有惯性。惯性是任何物体所具有的、保持其原来运动状态（速度大小和方向）的一种性质，惯性与物体运动的速度大小无关，物体的惯性表现为要保持物体原来的状态，因而物体运动的速度不能突变只能连续渐变。物体运动的改变，是惯性和力共同决定的，惯性要保持原来的运动状态，而力要改变运动状态，两者共同决定着物体的运动形式。3．平衡状态和静止状态的联系和区别当作用在物体上的合外力为零时，物体的加速度为零，表示物体处在静止状态或匀速直线运动状态。通常把这两种状态都叫做力的平衡状态。所以，平衡的特征是加速度a＝0，而不是v＝0。静止状态是指物体不但处于平衡状态，而且物体的运动速度为零，即a＝0的同时v＝0。因此静止状态一定是平衡状态，但平衡状态不一定是静止状态，匀速直线运动就是平衡状态，而不是静止状态。4．理想实验“理想实验”又叫做“假想实验”。或“思想上的实验”，它是一种在思想上进行的理想化的过程，它是通过逻辑推理推导实验结果的思维方法，也是一种重要的科学研究方法。真实的科学实验是一种实践活动，是将设计通过具体的物理或化学等过程而实现的实验，而理想实验则是一种思维活动，是由人们在抽象思维活动设想出来而实际上却无法实现的“实验”。理想实验并不是空想实验，理想实验是建立在可靠的实验基础上，但又不是直接用操作来实现的实验，理想实验是一种科学的抽象方法，是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则都是经过长期的实践总结出来的，并为实践所证实。尽管理想实验不是直接演示物理现象，但有可靠的实验基础作保证，抓住主要因素，忽略次要因素，从而能更深刻地反映自然规律，因此它的可靠性会让人深信不疑。理想实验可以使人们对实际实验有更深刻的理解。除了伽利略的理想实验外，爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾通过闪电同时击中两辆高速行驶的火车的理想实验，提出了同时相对性的概念，在建立广义相对论时，又作了自由下落升降机的“理想实验”，得出了加速系统与引力场等效的结论。3/25三、例题分析【例1】在16世纪，人们反对哥白尼地动说的一个重要论据是：一块石头从高塔上落下。如果她球是运动的，在此期间，高塔已经向东运动了一段距离，所以石头应该落在塔底以西同一距离，正像一个铅球从正在行驶的帆船桅杆顶部落下时，应该落在桅杆脚的后一段距离一样，这种说法对吗？为什么？【解答】不对，铅球也不会落在桅杆脚的后方。因为铅球下落前已经获得与帆船相同的水平速度。按照惯性定律，若忽略空气阻力，铅球在下落过程中的水平速度将保持不变。若帆船做匀速直线运动，铅球将与帆船一起同步前进，最后铅球将落于桅杆脚下，这与船静止时铅球的自由下落情况相同，所以用这种方法是无法区分船是静止的，还是在做匀速直线运动。因此，石头落于塔底的实验结果就不能成为驳倒地动说的论据。【例2】突然启动的汽车上的人为什么会向后仰？【解答】由于汽车启动时，车对脚的摩擦力使人的脚部随车一起向前运动，而人的上半身因为惯性要保持静止，所以当车子突然启动时，人会向后仰。四、基本训练1．牛顿第一定律是关于物体在___________时的运动定律。由这条定律可知，维持物体运动的原因是________________，改变物体运动状态的原因是________。在地球附近，不受力的物体是__________（选填“存在”或“不存在”）的，这时物体处于静止或匀速直线运动状态，都是受到_______作用的结果。伽利略在说明力不是维持物体运动的原因时，运用了_______的科学方法。2．关于“牛顿第一定律”，下列说法正确的是（）。（A）它是通过实验直接得到的（B）它是通过理论推导出来的（C）它是以实验为基础，通过推理、想像总结出来的（D）它可以通过实验来进行验证3．关于惯性，下列说法中正确的是（）。（A）运动物体有惯性，静止物体没有惯性（B）惯性是物体本身的属性，与物体运动快慢无关（C）当物体受力作用后，它的惯性将发生改变（D）惯性就是牛顿第一定律4．如图3-1所示是发生在公路上惊险的一幕，满载水泥柱的卡车发生车祸，驾驶室被水泥柱严重破坏，驾驶员受重伤，你能解释这个现象吗？4/255．如图3-2所示，列车起初停在车站上，人朝着车行方向坐在车厢中，水平桌面上放有一个静止的小球。突然，列车起动，你发现小球向你滚来，这是为什么？6．火车在长直水平轨道上匀速行驶。门窗紧闭的车厢内有一人向上跳起，发现仍然落回到车上原处，这时因为（）。（A）人跳起后，车厢内空气给他以向前的力，带着他随着火车一起向前运动（B）人跳起的瞬间，车厢的地板给他一个向前的力，推动他随着火车一起向前运动（C）人跳起后，车还在继续向前运动，所以人落下后必定向后偏一些，只是由于时间很短，偏后距离太小，不明显而已（D）人跳起后直到落地，在水平方向上人和车始终具有相同的速度7．关于牛顿第一定律，下列说法中错误的是（）。（A）该定律仅反映一种理想化状态，这种状态是不存在的（B）该定律是一种理想实验定律，因为没有不受外力的物体（C）该定律是描述惯性大小的，因此又叫惯性定律（D）由该定律可知，一切物体都有惯性8．【小实验】尺击硬币如图3-3所示，将一叠1元硬币放在桌上，用薄尺击最下面一枚硬币，效果如何？推动一叠硬币运动，让它们与一把固定的尺相遇，结果又如何？做这个实验并解释现象。9．请设计一个小实验，证明水和空气也有惯性。10．有同学为长途客运站设计了一幅宣传画（图3-4），它说明什么？其中的物理内容是什么？11．学习了牛顿第一定律和惯性知识以后，你对力的概念有什么进一步的认识？学习了“伽利略研究力不是维持物体运动的原因”的具体实验，谈谈你是如何理解“理想实验”这一科学研究方法？5/25B牛顿第二定律一、学习要求掌握牛顿第二定律，会应用牛顿第二定律解决简单的动力学的问题，知道牛顿第二定律体现了力和运动状态变化之间的定量关系，物体受多个力作用时，用适当方法求出合力，再用牛顿第二定律求出物体的加速度，知道质量是物体惯性大小的量度。会利用DIS探究加速度与力、质量的关系，懂得牛顿第二定律在实际中的意义。二、要点辨析1．物体的运动状态和运动状态的改变物体的运动状态就是指物体的运动快慢和运动方向。如果物体的速度发生了变化，无论是速度大小改变，方向改变，或是大小、方向都改变，我们就说：物体的运动状态发生了改变。物体的运动状态发生改变，一定是受外力作用的结果，力是物体运动状态改变的原因，物体的运动状态发生改变时，速度发生了改变，就有反映速度变化快慢的加速度。由此得到结论：力是使物体产生加速度的原因。2．牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个推论吗？有人认为：“根据牛顿第二定律F＝ma可得，当F＝0即物体不受力或所受的合外力为零时，a＝0，即物体将保持静止状态或做匀速直线运动，而这正是牛顿第一定律的内容，所以牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个推论，故牛顿第一定律可有可无”，这一观点正确吗？这一观点是不正确的。因为牛顿第一定律指出了物体在没有受到其他物体作用时的运动规律，只有基于此，我们才可能根据牛顿第二定律研究当物体受到其他物体作用时的运动情况。因此牛顿第一定律揭示了惯性、力和运动的关系，力才是改变物体的运动状态的原因。而牛顿第二定律则回答了力是如何改变物体的运动状态的，牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础和前提。3．如何理解牛顿第二定律牛顿第二定律是一条实验定律，它反映了物体运动状态变化与所受外力和物体质量三者之间的关系。我们可以从以下四个方面理解牛顿第二定律。（1）因果关系，力是使物体产生加速度的原因。定律反映了力和加速度的确定关系，并不反映力和速度的确定关系。（2）矢量关系，加速度的方向始终与合外力的方向一致，物体在某一方向上的加速度只取决于合外力在该方向的分量。6/25（3）瞬时关系，加速度始终随合外力变化而变化，在物体运动过程中任意时刻（或对应的某一位置）的加速度只与该时刻（或该位置）的物体所受合外力有关。（4）正比关系。对一个确定的物体，加速度的大小始终与所受的合外力成正比。4．物体的运动方向和合外力的方向之间的关系物体的运动方向和合外力的方向之间没有关系。物体的运动方向实质上是物体的速度方向，合外力的方向实质上是物体的加速度方向，速度和加速度之间没有直接的、瞬时的关系，所以物体的运动方向和合外力的方向之间也没有直接的、瞬时的关系。从本质上看，误认为物体的运动方向和合外力的方向之间有相一致的关系，是受到了亚里士多德“维持物体的运动需要力”的思想的影响。物体的运动规律由物体所受合外力F和初速度决定，可以分为以下几种情况：（1）v0＝0，若F不改变方向，则物体将沿这个方向做加速直线运动，即运动方向与合外力方向一致。（2）v0≠0，若F与v0方向一致，而且不改变方向，则物体将沿原初速度方向做加速直线运动，即运动方向与合外力方向一致。（3）v0≠0，若F与v0方向相反，则物体将沿原初速度方向做减速直线运动，在速度减小到零之前，物体运动方向与合外力方向相反。（4）v0≠0，若F与v0方向成0°到180°之间的夹角时，物体的运动方向将不断改变，将做的是曲线运动，在有限的时间内，合外力的方向与运动方向不可能一致，后面将会学到这种运动。三、例题分析【例1】如图3-5所示，已知一个滑雪运动员在光滑的斜坡上，斜坡对该运动员的支持力为400N，重力沿斜坡方向的分力大小为300N。试问：（1）运动员的质量为多少？（2）运动员沿斜坡下滑的加速度为多大？（3）斜坡与水平方向的夹角为多大？（g取10m/s2）【分析】运动员在斜坡上的受力如图3-6所示，以沿斜坡的加速度