2019-2020人教新教材物理必修第一册讲义：牛顿第二定律

第3节牛顿第二定律学习目标核心素养形成脉络1.知道牛顿第二定律的内容、表达式的确切含义．(重点)2．知道国际单位制中力的单位“牛顿”是怎样定义的．3．能应用牛顿第二定律解决简单的动力学问题．(难点)一、牛顿第二定律1．内容：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同．2．表达式(1)表达式：F＝kma，式中k是比例系数，F指的是物体所受的合力．(2)国际单位制中：F＝ma．二、力的单位1．比例系数k的意义(1)在F＝kma中，k的选取有一定的任意性．(2)在国际单位制中k＝1，牛顿第二定律的数学表达式为F＝ma，式中F、m、a的单位分别为N、kg、m/s2．2．国际单位：力的单位是牛顿，简称牛，符号N．3．1N的定义：将使质量为1kg的物体产生1m/s2的加速度的力规定为1N，即1N＝1__kg·m/s2．思维辨析(1)由牛顿第二定律可知，加速度大的物体所受的合外力一定大．()(2)牛顿第二定律说明了质量大的物体其加速度一定小．()(3)任何情况下，物体的加速度的方向始终与它所受的合外力方向一致．()(4)关于牛顿第二定律表达式F＝kma中的比例系数k，①力F的单位用N时等于1.()②在国际单位制中才等于1.()③加速度单位用m/s2时等于1.()提示：(1)×(2)×(3)√(4)①×②√③×基础理解(1)(2019·殷都校级月考)根据牛顿第二定律，下列叙述正确的是()A．物体加速度的方向可能跟它所受合力的方向相反B．物体所受合力必须达到一定值时，才能使物体产生加速度C．物体加速度的大小跟它所受的任一个力的大小都成正比D．当物体的质量改变时，若所受合力的水平分力不变则物体水平加速度大小与其质量成反比提示：选D.根据牛顿第二定律，物体加速度的方向跟它所受合力的方向相同，故A错误；物体所受合力不为零就一定产生加速度，故B错误；物体实际加速度的大小与它所受的所有力的合力成正比，故C错误；采用正交分解法可知，当物体的质量改变时，若所受合力的水平分力不变则物体水平加速度大小与其质量成反比，故D正确．(2)力F作用于甲物体(质量为m1)时产生的加速度为a1，此力作用于乙物体(质量为m2)时产生的加速度为a2，若将甲、乙两个物体合在一起，仍受此力的作用，则产生的加速度是()A.a1＋a22B.|a1－a2|2C.a1a2a1＋a2D.a1＋a2a1a2提示：选C.力F作用于甲物体时，F＝m1a1①力F作用于乙物体时，F＝m2a2②力F作用于甲、乙组成的整体时，F＝(m1＋m2)a3③解①②③式得a3＝a1a2a1＋a2，故选项C正确．对牛顿第二定律的理解问题导引如图所示，小明用力拉地面上的箱子，但箱子没动，请思考：(1)根据牛顿第二定律，有力就能产生加速度，但为什么箱子一直没动呢？(2)如果箱底光滑，当拉力作用在箱子上的瞬间，箱子是否立刻获得加速度？是否立刻获得速度？要点提示(1)牛顿第二定律F＝ma中的力F指的是物体受的合力，尽管小明对箱子有一个拉力作用，但箱子受的合力为零，所以不能产生加速度．(2)加速度与力之间是瞬时对应关系，有力就立刻获得加速度，但速度的获得，需要一段时间，故不能立刻获得速度．【核心深化】1．表达式F＝ma的理解(1)单位统一：表达式中F、m、a三个物理量的单位都必须是国际单位．(2)F的含义：F是合力时，加速度a指的是合加速度，即物体的加速度；F是某个力时，加速度a是该力产生的加速度．2．牛顿第二定律的六个性质性质理解因果性力是产生加速度的原因，只要物体所受的合力不为0，物体就具有加速度矢量性F＝ma是一个矢量式．物体的加速度方向由它受到的合力方向决定，且总与合力的方向相同瞬时性加速度与合外力是瞬时对应关系，同时产生，同时变化，同时消失同体性F＝ma中F、m、a都是对同一物体而言的独立性作用在物体上的每一个力都产生加速度，物体的实际加速度是这些加速度的矢量和相对性物体的加速度是相对于惯性参考系而言的，即牛顿第二定律只适用于惯性参考系3.两个加速度公式的区别定义式a＝ΔvΔt它给出了测量物体的加速度的方法决定式a＝Fm它揭示了物体产生加速度的原因及影响物体加速度的因素关键能力1对牛顿第二定律内容的理解(多选)下列对牛顿第二定律的表达式F＝ma及其变形公式的理解，正确的是()A．由F＝ma可知，物体所受的合外力与物体的质量和加速度成正比B．由m＝Fa可知，物体的质量与其所受的合外力成正比，与其运动的加速度成反比C．由a＝Fm可知，物体的加速度与其所受的合外力成正比，与其质量成反比D．由m＝Fa可知，物体的质量可以通过测量它的加速度和它所受到的合外力而求得[思路点拨](1)F由物体受力情况决定．(2)m由物体自身决定．(3)a由m和F共同决定．[解析]牛顿第二定律的表达式F＝ma表明了各物理量之间的数量关系，即已知两个量，可求第三个量．作用在物体上的合外力，可由物体的质量和加速度计算，但并不由它们决定，A错误．质量是物体本身的属性，由物体本身决定，与物体是否受力无关，B错误．由牛顿第二定律知加速度与合外力成正比，与质量成反比，m可由其他两个量求得，故C、D正确．[答案]CD关键能力2合外力、速度和加速度的关系如图所示，静止在光滑水平面上的物体A，一端靠着处于自然状态的弹簧．现对物体作用一水平恒力，在弹簧被压缩到最短的这一过程中，物体的速度和加速度变化的情况是()A．速度增大，加速度增大B．速度增大，加速度减小C．速度先增大后减小，加速度先减小后增大D．速度先增大后减小，加速度先增大后减小[思路点拨]加速度的变化要看所受合外力的变化，而速度的变化要看速度方向与加速度方向之间的关系，所以此题最好先找出物体A运动过程中的平衡位置，然后再分析平衡位置左右两侧各物理量的变化情况．[解析]力F作用在A上的开始阶段，弹簧弹力kx较小，合力与速度方向同向，物体速度增大，而合力(F－kx)随x增大而减小，加速度也减小，当F＝kx以后，随物体A向左运动，弹力kx大于F，合力方向与速度反向，速度减小，而加速度a随x的增大而增大．综上所述，只有C正确．[答案]C1．关于对牛顿第二定律理解的三大误区误认为先有力，后有加速度物体的加速度和合外力是同时产生的，不分先后误认为质量与力成正比，与加速度成反比物体的质量m是由自身决定的，与物体所受的合外力和运动的加速度无关误认为作用力与物体所受合外力的大小是由物体的受力情况决定的，与物体m和a都成正比的质量和加速度无关2．直线运动中加速度与速度的关系【达标练习】1．(多选)关于牛顿第二定律，下列说法中正确的有()A．公式F＝ma中，各量的单位可以任意选取B．某一瞬间的加速度只决定于这一瞬间物体所受合外力，而与这之前或之后的受力无关C．公式F＝ma中，F表示物体所受合力，a实际上是作用于该物体上每一个力所产生的加速度的矢量和D．物体的运动方向一定与它所受合外力方向一致解析：选BC.F、m和a必须选取统一的国际单位，才可写成F＝ma的形式，否则比例系数k≠1，所以选项A错误；牛顿第二定律表述的是某一时刻合外力与加速度的对应关系，它既表明F、m和a三者数值上的对应关系，同时也表明合外力的方向与加速度的方向是一致的，即矢量对应关系，而与速度方向不一定相同，所以选项B正确，选项D错误；由力的独立作用原理知，作用在物体上的每个力都将各自产生一个加速度，与其他力的作用无关，物体的加速度是每个力所产生的加速度的矢量和，故选项C正确．2.如图所示，一个小球从竖直立在地面上的轻弹簧正上方某处自由下落，在小球与弹簧开始接触到弹簧被压缩到最短的过程中，小球的速度和加速度的变化情况是()A．加速度越来越大，速度越来越小B．加速度和速度都是先增大后减小C．速度先增大后减小，加速度方向先向下后向上D．速度一直减小，加速度大小先减小后增大解析：选C.在接触的第一个阶段mgkx，F合＝mg－kx，合力方向竖直向下，小球向下运动，x逐渐增大，所以F合逐渐减小，由a＝F合m得，a＝mg－kxm，方向竖直向下，且逐渐减小，又因为这一阶段a与v都竖直向下，所以v逐渐增大．当mg＝kx时，F合＝0，a＝0，此时速度达到最大．之后，小球继续向下运动，mgkx，合力F合＝kx－mg，方向竖直向上，小球向下运动，x继续增大，F合增大，a＝kx－mgm，方向竖直向上，随x的增大而增大，此时a与v方向相反，所以v逐渐减小．综上所述，小球向下压缩弹簧的过程中，F合的方向先向下后向上，大小先减小后增大；a的方向先向下后向上，大小先减小后增大；v的方向向下，大小先增大后减小．牛顿第二定律的应用问题导引行车时驾驶员及乘客必须系好安全带，以防止紧急刹车时造成意外伤害．请思考：(1)汽车突然刹车，要在很短时间内停下来，会产生很大的加速度，这时如何知道安全带对人的作用力大小呢？(2)汽车启动时，安全带对驾驶员产生作用力吗？要点提示(1)汽车刹车时的加速度可由刹车前的速度及刹车时间求得，由牛顿第二定律F＝ma可求得安全带产生的作用力大小．(2)汽车启动时，有向前的加速度，此时座椅的后背对驾驶员产生向前的作用力，安全带不会对驾驶员产生作用力．【核心深化】1．应用牛顿第二定律解题的一般步骤2．常用方法合成法(1)确定研究对象，画出受力分析图，将各个力按照力的平行四边形定则在加速度方向上合成，直接求出合力(2)根据牛顿第二定律列式求解分解法(1)确定研究对象，画出受力分析图，根据力的实际效果，将某一个力分解成两个分力(2)根据牛顿第二定律列式求解，应用此法时要求对力的作用效果有清楚的认识，要按照力的实际效果进行分解正交分解法当物体受到多个力的作用时，利用正交分解法较为简单，利用正交分解法需要建立直角坐标系，建系原则是尽可能少分解矢量，因此建系有两种情况：(1)沿加速度的方向建一坐标轴，沿垂直加速度方向建一坐标轴，这种方法不需要分解加速度(2)沿某特定方向建立坐标系，这样可能少分解力，但需要分解加速度，此时应用：Fx＝max，Fy＝may关键能力1应用牛顿第二定律解题如图所示，沿水平方向做匀变速直线运动的车厢中，悬挂小球的悬线偏离竖直方向θ＝37°角．小球和车厢相对静止，小球的质量为1kg.(g取10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)求：(1)车厢运动的加速度；(2)悬线对小球的拉力．[思路点拨](1)小球所受合力方向与加速度方向相同．(2)小球受两个力作用，可用力的合成法或正交分解法两种方法求解．[解析]法一：合成法由于车厢沿水平方向运动，且小球和车厢相对静止，所以小球加速度(或合力)的方向水平向右．选小球为研究对象，受力分析如图所示，由牛顿第二定律得F合＝mgtanθ＝ma小球的加速度a＝F合m＝gtan37°＝34g＝7.5m/s2.悬线对小球的拉力大小为F＝mgcos37°＝1×100.8N＝12.5N.法二：正交分解法建立直角坐标系，并将悬线对小球的拉力正交分解，如图所示．沿水平方向有Fsinθ＝ma沿竖直方向有Fcosθ＝mg解以上两式得a＝7.5m/s2，F＝12.5N，a的方向水平向右．[答案](1)7.5m/s2，方向水平向右(2)12.5N关键能力2瞬时加速度的求解如图所示，物块1、2间用刚性轻质杆连接，物块3、4间用轻质弹簧相连，物块1、3质量为m，2、4质量为M，两个系统均置于水平放置的光滑木板上，并处于静止状态．现将两木板沿水平方向突然抽出，设抽出后的瞬间，物块1、2、3、4的加速度大小分别为a1、a2、a3、a4.重力加速度大小为g，则有()A．a1＝a2＝a3＝a4＝0B．a1＝a2＝a3＝a4＝gC．a1＝a2＝g，a3＝0，a4＝m＋MMgD．a1＝g，a2＝m＋MMg，a3＝0，a4＝m＋MMg[思路点拨](1)支托1、2的木板突然抽出的瞬间，连接1、2的轻质杆弹力发生突变，1、2作为一个整体有自由下落的趋势．(2)支托3、4的木板突然抽出的瞬间，连接3、4的弹簧弹力不会发生突变，物块3的合外力仍为0.物块4只受弹力和自身重力两个力作用．[解析]在抽出木板的瞬