2019-2020新教材高中物理 4.5 牛顿运动定律的应用课件 新人教版必修1

5.牛顿运动定律的应用一、牛顿第二定律的作用确定了_________的关系,把物体的运动情况与受力情况联系起来。运动和力二、两类动力学问题【思考】一小球用细线吊于光滑斜面的顶点,若斜面向右加速运动,小球可能受几个力?斜面向左加速运动呢?提示:斜面向右加速运动,小球可能受三个力,也可能受两个力。斜面向左加速运动,小球可能受三个力,也可能受两个力。1.从受力确定运动情况:如果已知物体的受力情况,可以由_____________求出物体的加速度,再通过______________确定物体的运动情况。2.从运动情况确定受力:如果已知物体的运动情况,根据___________求出物体的加速度,再根据______________就可以确定物体所受的力。牛顿第二定律运动学的规律运动学公式牛顿第二定律一从受力确定运动情况1.问题界定:已知物体受力情况确定运动情况,指的是在受力情况已知的条件下,判断出物体的运动状态或求出物体的速度和位移。2.解题思路:3.解题步骤:(1)确定研究对象,对研究对象进行受力分析,并画出物体的受力分析图。(2)根据力的合成或力的正交分解,求出物体所受的合外力或Fx、Fy。(3)根据牛顿第二定律求出物体运动的加速度。(4)结合物体运动的初始条件,选择运动学公式,求解其他待求的运动学物理量。【思考·讨论】试分析物体以某一初速度v0沿光滑斜面的运动情况。(模型建构)提示:物体的受力:重力、斜面的支持力,加速度沿斜面向下,故图甲物体向下做匀加速运动,图乙物体向上做匀减速运动。【典例示范】滑冰车是儿童喜欢的冰上娱乐项目之一。如图所示为小明妈妈正与小明在冰上做游戏,小明与冰车的总质量是40kg,冰车与冰面之间的动摩擦因数为0.05。在某次游戏中,假设小明妈妈对冰车施加了40N的水平推力,使冰车从静止开始运动10s后,停止施加力的作用,使冰车自由滑行。(假设运动过程中冰车始终沿直线运动,小明始终没有施加力的作用)。求:世纪金榜导学号(1)冰车的最大速率。(2)冰车在整个运动过程中滑行总位移的大小。【思维·建模】【解析】(1)以冰车及小明为研究对象,由牛顿第二定律得F-μmg=ma1①vm=a1t②由①②得vm=5m/s。(2)冰车匀加速运动过程中有x1=a1t2③冰车自由滑行时有μmg=ma2④=2a2x2⑤又x=x1+x2⑥由③④⑤⑥得x=50m答案:(1)5m/s(2)50m122mv【母题追问】1.请根据【典例示范】中的情境,试求冰车一共滑行了多长时间?【解析】撤去推力后,冰车在摩擦力作用下做匀减速直线运动,最终速度为0由运动学公式:0=vm-a2t′,解得t′=10s所以t总=t+t′=20s答案:20s2.请根据【典例示范】中的情境,假设小明妈妈对冰车施加了40N的水平推力,使冰车从静止开始运动5s后,停止施加力的作用,则冰车自由滑行的时间是多少?【解析】由运动学公式得vm′=a1t1解得vm′=2.5m/s停止施加力,冰车做匀减速直线运动由牛顿第二定律得μmg=ma2又0=vm′-a2t″解得t″=5s答案:5s【补偿训练】1.(多选)如图所示,表示某小球所受的合力与时间关系,各段的合力大小相同,作用时间相同,设小球从静止开始运动,由此可以判定()A.小球向前运动,再返回停止B.小球向前运动,再返回不会停止C.小球始终向前运动D.小球在4秒末速度为0【解析】选C、D。由图像可知,物体在奇数秒内,合力恒定不变,从静止开始做匀加速直线运动。偶数秒内力反向,由于惯性,物体仍沿原方向做匀减速直线运动,偶数秒末速度为零,周而复始,做单向直线运动。C、D正确。2.质量为4kg的物体放在与水平面成30°角、足够长的粗糙斜面底端,物体与斜面间的动摩擦因数μ=,作用在物体上的外力与斜面平行,随时间变化的图像如图所示,外力作用在物体上的时间共8s,根据所给条件(sin30°=,cos30°=,g取10m/s2)求:331232(1)物体所受的摩擦阻力为多大?(2)物体在0～4s内的加速度为多少?运动的位移为多少?(3)物体从运动到停止走过的总位移为多少?【解析】(1)如图,对物体进行受力分析可得:G1=mgsin30°=20N,FN=G2=mgcos30°=20N,Ff=μFN=×20N=20N。3333(2)由牛顿第二定律可得,0～4s内物体的加速度:s时的速度:v1=at=20m/s,0～4s内位移:x1=at2=40m。(3)4～6s内拉力为0,物体匀减速运动,加速度:物体运动2s速度恰好减为0,通过的位移:1221fFGFa5m/s,m221fGF2020am/s10m/sm4＝＝－，x2=×2m=20m,6～10s和0～4s运动相同,x3=x1=40m,10～12s和4～6s运动相同,x4=x2=20m,由于G1=Ff,故12s后物体将静止在斜面上;物体运动的总位移:x=x1+x2+x3+x4=120m。20vt2＝答案:(1)20N(2)5m/s240m(3)120m二从运动情况确定受力1.问题界定:已知物体运动情况确定受力情况,指的是在运动情况(如物体的运动性质、速度、加速度或位移)已知的条件下,要求得出物体所受的力。2.解题思路:3.解题步骤:(1)确定研究对象,对研究对象进行受力分析和运动过程分析,并画出受力图和运动草图。(2)选择合适的运动学公式,求出物体的加速度。(3)根据牛顿第二定律列方程,求物体所受的合外力。(4)根据力的合成与分解的方法,由合力求出所需的力。【典例示范】一辆汽车在恒定牵引力作用下由静止开始沿直线运动,4s内通过8m的距离,此后关闭发动机,汽车又运动了2s停止,已知汽车的质量m=2×103kg,汽车运动过程中所受的阻力大小不变,求:世纪金榜导学号(1)关闭发动机时汽车的速度大小。(2)汽车运动过程中所受到的阻力大小。(3)汽车牵引力的大小。【思维·建模】【解析】(1)汽车开始做匀加速直线运动,则解得v0==4m/s。(2)汽车滑行减速过程中加速度a2==-2m/s2,由牛顿第二定律得-Ff=ma2解得Ff=4×103N001v0xt2＋＝012xt020vt－(3)开始加速过程中加速度为a1,则x0=由牛顿第二定律得F-Ff=ma1解得F=Ff+ma1=6×103N答案:(1)4m/s(2)4×103N(3)6×103N2111at2【素养训练】1.(多选)三个质量均为m的物体,分别沿三个质量均为M且倾角均为θ的固定斜面下滑;但甲减速下滑,乙加速下滑,丙匀速下滑,且甲、乙的加速度大小相等,则()A.减速下滑时对地的压力最大B.三种情况对地的压力一样大C.甲、乙两种情况下,m所受摩擦力一样大D.甲、乙两种情况下,地面所受摩擦力一样大【解析】选A、D。将加速度分解为水平和竖直方向的分加速度;在竖直方向上由牛顿第二定律可知,甲加速度向上,则甲处于超重状态,乙处于失重状态,丙匀速下滑,故对整体分析可知,减速下滑时,对地面的压力最大,故A正确,B错误;对物体m受力分析可知,甲中f-mgsinθ=ma;而乙中为mgsinθ-f′=ma;则可知,甲中m受摩擦力大,故C错误;对整体分析可知,甲、乙两种情况下,水平分加速度相同,则水平分力大小为f=max;故斜面受到地面的摩擦力一样大,则由牛顿第三定律可知,地面受到的摩擦力一样大,故D正确。2.2018年国庆前夕,某市启动“机动车文明礼让斑马线”,交警部门为样板斑马线配上了新型电子警察。头一个月,查处违规机动车近3000辆次,“逼迫”各位驾驶员学会“文明礼让”。一辆质量为2.0×103kg的汽车,以54km/h速度沿迎泽大街的平直道路匀速行驶,距斑马线还有30m远的距离时,发现有行人通过斑马线,经过0.5s的反应时间,汽车制动开始做匀减速运动,恰好在斑马线前停住,“重力加速度g=10m/s2”。世纪金榜导学号(1)不考虑制动过程中汽车的牵引力作用,求汽车制动过程中所受的运动阻力大小。(2)若汽车正常行驶时所受阻力为车重的0.05倍,要使汽车从静止开始匀加速经10s时间使速度重新达到54km/h,求牵引力的大小。【解析】(1)设汽车在反应时间内行驶的距离为x1,制动过程中行驶的距离为x2,加速度大小为a1,所受阻力大小为f,由牛顿第二定律及运动学公式可知x1=v0t反x1+x2=x2021vx2af=ma1解得f=1.0×104N(2)汽车从静止开始经过10s时间使速度重新达到54km/s过程的加速度大小为a2,牵引力为F,由牛顿运动定律及运动学公式v0=a2t加F-0.05mg=ma2解得F=4.0×103N答案:(1)1.0×104N(2)4.0×103N【补偿训练】某研究性学习小组利用力传感器研究小球与竖直挡板间的作用力,实验装置如图所示,已知斜面倾角为45°,光滑小球的质量m=3kg,力传感器固定在竖直挡板上。求:(g=10m/s2)(1)当整个装置静止时,力传感器的示数。(2)当整个装置向右做匀加速直线运动时,力传感器示数为36N,此时装置的加速度大小。(3)某次整个装置在水平方向做匀加速直线运动时,力传感器示数恰好为0,此时整个装置的运动方向如何?加速度为多大?【解析】(1)以小球为研究对象,设小球与力传感器静止时的作用力大小为F,小球与斜面间的作用力大小为FN,对小球受力分析如图所示,由几何关系可知:F=mg=3×10N=30N。(2)竖直方向FNcos45°=mg;水平方向F′-FNsin45°=ma;解得:a=2m/s2。(3)要使力传感器示数为0,则有:FNcos45°=mg;FNsin45°=ma。解得:a=10m/s2,方向向左答案:(1)30N(2)2m/s2(3)方向向左,加速度大小为10m/s2【拓展例题】考查内容:牛顿第二定律与运动图像综合问题【典例】如图甲,一物体以一定的初速度从斜面底端沿斜面向上运动,上升到最高点后又沿斜面滑下,某段时间的速度-时间图像如图乙所示,g取10m/s2,由此可知斜面倾角为()A.30°B.37°C.53°D.60°【解析】选B。速度—时间图像的斜率表示加速度,则由图可知,沿斜面上升时的加速度大小为a1=m/s2=8m/s2①沿斜面下滑时的加速度大小为a2=m/s2=4m/s2②根据牛顿第二定律得:8024021上升时,有:a1=③下滑时,有:a2=④由①②③④解得:θ=37°B正确。mgsinmgcosmmgsinmgcosm【课堂回眸】