力的相互作用和牛顿运动定律

一、知识导图二、重点知识梳理1．三种常见的力1）重力由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力。重力只是地球对物体吸引力的一个分力。一个物体的重力与它的质量成正比，重力与质量的关系是mg=G。在地球的不同地点由于g不同，同一个物体的重力不同。重力的作用点是重心。重力的方向竖直向下。分析物体受力首先要分析重力。要理解重力的方向竖直向下并不等同于指向地心，重力的大小并不等同于地球与物体间的万有引力。（2）弹力发生弹性形变的物体由于恢复原状，对与它接触的物体产生的力的作用叫弹力。胡克定律：弹簧发生形变时弹力的大小与弹簧的伸长（或压缩）的长度成正比。关系式是：F=kX（3）摩擦力两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在它们接触面上产生的阻碍相对运动或相对运动趋势的力称为摩擦力。在中学阶段我们学习了两种摩擦力：静摩擦力和滑动摩擦力。静摩擦力：两个相互接触的物体间存在相对运动趋势时在它们接触面上产生的阻碍相对运动趋势的力。静摩擦力的大小是一个可以变化的值。滑动摩擦力：两个相互接触的物体间存在相对滑动时在它们接触面上产生的阻碍相对运动的力。滑动摩擦力大小与两物体接触面的粗糙程度有关，与它们间的压力大小成正比。F=N2．牛顿运动定律（1）牛顿第一定律（惯性定律）：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。牛顿第一定律阐述了物体不受力或所受合外力为零时的运动状态，明确了力的作用效果，即力是物体运动状态改变的原因。物体有保持原有运动状态的属性，一切物体都有惯性，惯性大小由这个物体的质量唯一决定。在近年的高考中，直接考查这个定律的内容不多，但是对这个规律的正确使用却贯穿于力学以及综合分析的大部分问题中。牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力叫是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。3．共点力的平衡共点力作用下物体的平衡条件是合力为零。平衡条件要从两个方向理解，当一个物体受到几个力共同使用时，这几个力的合力为零，物体一定处于静止或匀速直线运动状态；一个物体如果处于静止状态或匀速直线运动状态，物体受的合力一定为零。4．等效思想与方法——力的合成与分解——正交分解法平行四边形定则是矢量合成与分解的基本法则，熟练掌握平行四边形定则的矢量运算是十分重要的基本技能。对它的运用完全包含在力学问题的解答过程中，它的重要性是不容置疑的。在矢量的合成与分解中常用到正交分解法。即在两个坐标轴上分析力，由此建立力的平衡方程或者牛顿运动定律方程。5．实验（1）实验一：验证力的平行四边形定则这是一个验证性实验，即已经知道这个规律，通过实验进一步认识它的客观性。验证实验的共性是方法相同，即对比求证。首先通过两个弹簧共同对一根橡皮筋施加拉力，读出两个拉力的大小，确定两个拉力的方向，根据平行四边形定则确定这两个拉力合力的理论值。再用一根弹簧对这根橡皮筋施加拉力，当与用两根时取得相同效果时，确定其大小与方向。然后将这两个结果比较。得出结论。（2）实验二：验证牛顿运动定律这个实验最突出的特点是控制变量方法的应用。在控制质量的情况下，求证加速度与拉力的正比关系；在控制拉力的情况下，求证加速度与质量的反比关系。这个实验的第二个特点是间接对比。质量相同，验证加速度与拉力的正比关系时，并不是直接用加速度确定这个关系，而是根据初速度为零的匀加速直线运动位移规律s=at2/2，由位移与拉力成正比，确定加速度与拉力成正比；同样，拉力相同时，由位移与质量成反比，确定加速度与质量成反比。五、知识应用例析1．受力分析正确熟练分析物体受力情况，是研究力学问题的关键，也是必须掌握好的基本功，认真做好物体的受力分析是正确分析解决物理问题的第一步。对物体进行受力分析，主要依据力的概念，从物体所处的环境和物体的运动状态着手，分析它与所处环境的其它物体的相互联系。方法是：（1）确定所要研究的对象，找出周围对它产生作用的物体。（2）按先后顺序分析：先重力，再接触力（弹力和摩擦力），最后电、磁场力。（3）画完受力图后检查：依据是每个力能否找到它的施力物体，若没有施力物体，此力一定不存在；能否使对象处于题目所给定的运动状态（平衡或加速），否则必然发生了多力或遗漏力的现象。（4）如果有个别力的方向难以确定，可用假设法分析。示例1：（07海南）如图，P是位于水平的粗糙桌面上的物块。用跨过定滑轮的轻绳将P与小盘相连，小盘内有砝码，小盘与砝码的总质量为m。在P运动的过程中，若不计空气阻力，则关于P在水平方向受到的作用力与相应的施力物体，下列说法正确的是（B）A．拉力和摩擦力，施力物体是地球和桌面B．拉力和摩擦力，施力物体是绳和桌面C．重力mg和摩擦力，施力物体是地球和桌面D．重力mg和摩擦力，施力物体是绳和桌面示例2：（07山东）如图，物体A靠在竖直墙面上，在力F作用下，A、B保持静止。物体B的受力个数为（C）A．2B．3C．4D．52．对弹力的认识弹力是由于物体形变而出现的力。弹力的大小往往通过平衡分析加以确定；面、面接触的两个物体弹力的方向总是垂直两个相互接触的表面，点、面接触的两个物体弹力的方向总是垂直与点接触的表面。弹力可以做功，也可能不做功。（1）绳子的拉力轻绳是中学物理学习中的一个基本模型。分析由绳子连接的物体的运动问题时，不考虑绳子的质量，不考虑绳子的形变，只有绳子张紧与松驰两种状态；轻绳只能对物体有拉力的作用，这个拉力的方向是唯一确定的，只是沿着绳子指向绳子收缩的一方；绳子的拉力是可以突变的。示例：（08江苏）如图所示，两光滑斜面的倾角分别为30º和45º，质量分别为2m和m的两个滑块用不可伸长的轻绳通过滑轮连接(不计滑轮的质量和摩擦)，分别置于两个斜面上并由静止释放；若交换两滑块位置，再由静止释放。则在上述两种情形中正确的有（BD）A．质量为2m的滑块受到重力、绳的张力、沿斜面的下滑力和斜面的支持力的作用B．质量为m的滑块均沿斜面向上运动C．绳对质量为m滑块的拉力均大于该滑块对绳的拉力D．系统在运动中机械能均守恒（2）弹簧的弹力轻质弹簧是中学物理学习中的另一个基本模型。分析由弹簧连接物体的运动问题时，不考虑弹簧的质量，弹簧有伸长和压缩两种状态。弹簧的弹力可以通过F=kX这一规律计算；弹簧伸长时弹力的方向沿弹簧指向收缩方，压缩时沿弹簧指向恢复方。弹簧的弹力是不可能发生突变的。弹簧的弹力是变力，在受力分析时，必须考虑弹簧形变时弹力的变化；弹簧弹力做功是变力做功，不用使用恒力功的公式直接计算，通常要用物体动能的改变量得出。示例1：如图所示，轻弹簧A、B的劲度系数分别为k1、k2，它们都外在竖直状态，滑轮重量不计，当悬挂的物体重量为G时，滑轮下降的距离是（D）示例2：如图所示为一轻质弹簧的长度l和弹力F的关系图象，由图象可知（C）A．弹簧的原长是20cmB．弹簧的劲度系数是100N/mC．弹簧的劲度系数是200N/mD．弹簧受20N拉力时长18cm3．摩擦力（1）静摩擦力静摩擦力的大小可以由0到最大值f=N之间变化，数值不确定。很多情况下，需要利用物体的状态来确定静摩擦力的大小和方向。静摩擦力是可以发生突变的力，大小、方向都可能突变；静摩擦力可以不做功，但也可以做功，既可以做正功也可以做负功。示例1：（04上海）物体B放在物体A上，A、B的上下表面均与斜面平行（如图），当两者以相同的初速度靠惯性沿光滑固定斜面C向上做匀减速运动时（C）A．A受到B的摩擦力沿斜面方向向上B．A受到B的摩擦力沿斜面方向向下C．A、B之间的摩擦力为零D．A、B之间是否存在摩擦力取决于A、B表面的性质示例2：（92全国）如图，一木块放在水平桌面上，在水平方向共受到三个力即F1、F2和摩擦力作用，木块处于静止状态.其中F1＝10N、F2＝2N。若撤去力F1，则木块在水平方向受到的合力为（D）A．10N，方向向左B．6N，方向向右C．2N，方向向左D．零（2）滑动摩擦力滑动摩擦力比较好分析，只要相互接触的物体间存在相对运动，就会有滑动摩擦力出现，大小由f=N，只要接触面不变，这个力的大小是确定的。示例1：（04辽宁）三个完全相同的物块1、2、3放在水平桌上，它们与桌面间的动摩擦因数都相同。现用大小相同的外力F沿图示方向分别作用在1和2上，用F/2的外力沿水平方向作用在3上，使三者都做加速运动，令a1、a2、a3分别代表物块1、2、3的加速度，则（C）A．a1=a2=a3B．a1=a2，a2＞a3C．a1＞a2，a2＜a3D．a1＞a2，a2＞a3示例2：（08全国Ⅱ）如图，一固定斜面上两个质量相同的小物块A和B紧挨着匀速下滑，A与B的接触面光滑。己知A与斜面之间的动摩擦因数是B与斜面之间动摩擦因数的2倍，斜面倾角为α。B与斜面之间的动摩擦因数是（A）4．共点力的平衡共点力作用下的物体平衡，是指物体相对地面静止或匀速直线运动，此时物体所受的合外力为零，加速度为零。理论依据是牛顿第一定律。明确研究对象，认清此对象平衡状态的特征，对研究对象进行完整的受力分析，是解决问题的关键。要有良好的分析习惯：（1）要有顺序，这样可以减少分析时的遗漏。一般是重力，弹力，摩擦力，电磁场力；（2）认清每一个力的来源，可以避免多分析实际没有的力；（3）画好物体受力的示意图；（4）建立坐标，一般采用力的正交分解法；（5）根据牛顿第一定律列出平衡方程。在高考中对共点力的平衡的考查时有出现。示例1：（08天津）在粗糙水平地面上与墙平行放着一个截面为半圆的柱状物体A，A与竖直墙之间放一光滑圆球B，整个装置处于静止状态。现对B加一竖直向下的力F，F的作用线通过球心，设墙对B的作用力为F1，B对A的作用力为F2，地面对A的作用力为F3。若F缓慢增大而整个装置仍保持静止，截面如图所示，在此过程中（C）A．F1保持不变，F3缓慢增大B．F1缓慢增大，F3保持不变C．F2缓慢增大，F3缓慢增大D．F2缓慢增大，F3保持不变示例2：（08宁夏）一足够长的斜面，最高点为O点，有一长为l=1.00m的木条AB，A端在斜面上，B端伸出斜面外。斜面与木条间的摩擦力足够大，以致木条不会在斜面上滑动。在木条A端固定一个质量为M=2.00kg的重物（可视为质点），B端悬挂一个质量为m=0.50kg的重物。若要使木条不脱离斜面，在下列两种情况下，OA的长度各需满足什么条件？（Ⅰ）木条的质量可以忽略不计。（Ⅱ）木条质量为m′=0.50kg，分布均匀。[OA0.20m；OA＞0.25m]气球吊篮中减少的质量为（A）5．牛顿第二定律这部分内容是历年高考试题中，用来鉴别考生能力的重要内容之一。通过的牛顿定律将静力学、运动学的知识连为一个体，推理能力，分析综合能力等项解答物理问题所要求的能力，在这里都有充分的体现。牛顿第二定律从数值上明确了物体受的力、物体的质量，物体的加速度三者的瞬时关系；概括了力的独立作用原理。对牛顿第二定律理解的重点是：①瞬时性：这个定律表明的是物体的加速度与物体所受力的瞬时对应关系。②矢量性：任一时刻，加速度的方向均与合外力方向相同；合外力方向改变时，加速度的方向同时改变；在物体运动的每个瞬时两者方向都保持一致。③同时性：合外力与物体的加速度同时出现，同时变化，合外力与加速度只有因果关系而没有先后之分。（2）对牛顿第二定律的使用一般可概括为两种情况：①物体受力情况清晰，在这个基础上分析物体的运动。由于这样的条件，必须首先对物体进行完整的受力分析，这是使用定律的依据。②物体运动情况清晰，在这个基本条件下分析物体受力。因此确定物体加速度的大小和方向是分析问题的关键，由加速度的大小和方向确定物体的合外力。示例1：（04的长木板，木板上站着一只猫。已知木板的质量是猫的质量的2倍。当绳子突然断开时，猫立即沿着板向上跑，以保持其相对斜面的位置不变。则此时木板沿斜面下滑的加速度为（C）示例2：（08全国Ⅰ）如图，一辆有动力驱动的小车上有一水平放置的弹簧，其左端固定在小车上，右端与一小球相连，设在某一段时间内小球与小车相对静