2019年高中物理 第三章 牛顿运动定律 力与运动的两类问题知识梳理学案 教科版必修1.doc

1力与运动的两类问题力与运动的两类问题【学习目标学习目标】 1.明确用牛顿运动定律解决的两类问题; 2.掌握应用牛顿运动定律解题的基本思路和方法 【要点梳理要点梳理】要点一、根据运动情况来求力要点一、根据运动情况来求力运动学有五个参量0v、v、t、a、x，这五个参量只有三个是独立的。运动学的解题方法就是“知三求二” 。所用的主要公式：0vvat 此公式不涉及到位移，不涉及到位移的题目应该优先考虑此公式2 01 2xv tat 此公式不涉及到末速度，不涉及到末速度的题目应该优先考虑此公式21 2xvtat 此公式不涉及到初速度，不涉及到初速度的题目应该优先考虑此公式0 2vvxt 此公式不涉及到加速度，不涉及到加速度的题目应该优先考虑此公式22 0 2vvxa 此公式不涉及到时间，不涉及到时间的题目应该优先考虑此公式根据运动学的上述 5 个公式求出加速度，再依据牛顿第二定律Fma合，可以求物体所受的合力或者某一个力。 要点二、根据受力来确定运动情况要点二、根据受力来确定运动情况先对物体进行受力分析，求出合力，再利用牛顿第二定律Fma合，求出物体的加速度，然后利用运动学公式0vvat 2 01 2xv tat 21 2xvtat 0 2vvxt 22 0 2vvxa求运动量（如位移、速度、时间等）要点三、两类基本问题的解题步骤要点三、两类基本问题的解题步骤 1.根据物体的受力情况确定物体运动情况的解题步骤确定研究对象，对研究对象进行受力分析和运动分析，画出物体的受力图求出物体所受的合外力根据牛顿第二定律，求出物体加速度结合题目给出的条件，选择运动学公式，求出所需的物理量 2.根据物体的运动情况确定物体受力情况的解题步骤确定研究对象，对研究对象进行受力分析和运动分析，并画出受力图选择合适的运动学公式，求出物体的加速度根据牛顿第二定律列方程，求物体所受的合外力根据力的合成与分解的方法，由合力求出所需的力 要点四、应注意的问题要点四、应注意的问题 1.不管是根据运动情况确定受力还是根据受力分析物体的运动情况，都必须求出物体的加速度。22.要注意运动学公式的适用条件，上述 5 个式子都适用于匀变速直线运动。 3.注意匀减速直线运动中刹车问题（应清楚刹车所用的时间）、加速度的正负问题（若规定初速度的方 向为正方向，减速运动中的加速度应带负值）。 4.牛顿第二定律中的 F 是指物体所受的合外力，要理解矢量性、瞬时性、同一性。 【典型例题典型例题】 类型一、动力学两类基本问题类型一、动力学两类基本问题 例 1、质量是 2.75 t 的载重汽车，在 2900 N 的牵引力的作用下，由静止开上一个山坡，沿山坡每前进 1 m，升高 0.05 m，汽车前进 100 m 时，速度达到 36 km/h，求汽车在前进过程中所受的摩擦阻力的大 小(g 取 10 m/s2) 【思路点拨】先根据汽车的运动情况求出加速度，再由牛顿第二定律求得合力，进而求得摩擦阻力的大 小。 【答案】150N 【解析】此题为由运动情况求解受力情况的问题，汽车的受力情况如图所示，其受力为：重力 mg、牵引力 F、斜坡的支持力 FN、摩擦阻力fF因为初速度 v00，末速36km/ h10m/stv ，位移 x100 m，由运动学公式22 02tvvax得：2222 20100m/s22 100tvvax20.5m/s由牛顿第二定律得：在 x 轴方向：sinfFmgFma， 由几何关系得：sin0.05 由式可得摩擦阻力的大小为：333sin2.9 10 N2.75 1010 0.05N2.75 100.5N150NfFFmgma【点评】明确“沿山坡每前进 1 m，升高 0.05 m”的含义即为告知了斜坡的倾角通过求解加速度从而 求出摩擦阻力即可 举一反三举一反三 【变式】一个滑雪人从静止开始沿山坡滑下，山坡的倾角 30°，滑雪板与雪地的动摩擦因数 0.04， 求 10s 内滑下来的路程和 10s 末的速度大小。（g 取 10m /s2） 【答案】233m，46.5ms 【解析】以滑雪人为研究对象，受力情况如图所示。3研究对象的运动状态为：垂直于山坡方向，处于平衡；沿山坡方向，做匀加速直线运动。将重力 mg 分解为垂直于山坡方向和沿山坡方向，据牛顿第二定律列方程：NFmgcos0 fmgsinFma又因为fNFF由可得：agsincos（）故2211(sincos )22xatgt211310 (0.04) 10 m233m2221310 (0.04) 10m/s46.5m/s22vat【变式 2】质量为 1kg 的物体静止在水平地面上，物体与地面的动摩擦因数为 0.2，作用在物体上的水平 拉力F与时间t的关系如图。请画出物体的速度随时间的变化图象，并求出物体在前 12s 内的位移 （g=10m/s2） 。【答案】100m类型二、整体法、隔离法求解连接体问题类型二、整体法、隔离法求解连接体问题 两个(或两个以上)物体组成的连接体，它们之间的连接纽带是加速度，高中阶段只求加速度相同的 问题在连接体内各物体具有相同的加速度，应先把连接体当成一个整体，分析受到的外力，利用牛顿第 二定律求出加速度，若要求连接体内各物体相互作用的力，则把物体隔离，对某个物体单独进行受力分 析，再利用牛顿第二定律对该物体列式求解(1)求内力：先整体后隔离 (2)求外力：先隔离后整体 例例 2、如图所示，甲、乙两个物块分别系在一条跨过定滑轮的轻绳两端，已知甲的质量为 300g，乙的质 量为 100g，不计摩擦，g 取 10m/s2，则甲、乙运动时加速度的大小为 ，轻绳的拉力大小为 4【答案】5m/s2；1.5N 【解析】对整体分析，整体的加速度： 22(m -m )g0.2 10=/5/m +m0.4am sm s甲乙甲乙， 隔离对甲分析，根据牛顿第二定律得，m g Tm a甲甲，解得0.310 51.5Tm g m aNN甲甲（）【点评】对整体分析，抓住甲乙的加速度大小相等，根据牛顿第二定律求出加速度，再隔离分析，根据 牛顿第二定律求出拉力的大小 举一反三举一反三 【变式】如图所示，两个质量相同的物体 A 和 B 紧靠在一起，放在光滑的水平面上，如果它们分别受到 水平推力 F1和 F2，而且 F1F2，则 A 施于 B 的作用力大小为( )A1F B2F C12()/2FF D12()/2FF【答案】C 【解析】物体 A 和 B 加速度相同，求它们之间的相互作用力，采取先整体后隔离的方法，先求出它们共 同加速度，然后再选取 A 或 B 为研究对象，求出它们之间的相互作用力 选取 A 和 B 整体为研究对象，共同加速度 a 为12 2FFam再选取物体 B 为研究对象，受力分析如图所示，根据牛顿第二定律2NFFma，FNF2+ma1212 222FFFFFmm故选 C【点评】此题也可以对物体 A 进行隔离利用 F1-FNma 求解此题可以一开始就用隔离法：对于 A： F1-FNma， 对于 B： FN-F2ma 5联立两式解得1212,2.2NFFam FFF从原则上讲，求内力可任意隔离与之相邻的物体，均可求解但应注意尽量使过程简洁 类型三、牛顿第二定律在临界问题中的应用类型三、牛顿第二定律在临界问题中的应用1.在物体的运动状态发生变化的过程中，往往达到某一个特定状态时，有关的物理量将发生突变， 此状态即为临界状态，相应的物理量的值为临界值临界状态一般比较隐蔽，它在一定条件下才会出 现若题目中出现“最大” “最小” “刚好”等词语，常用临界问题解决临界问题一般用极端分析法， 即把问题推向极端，分析在极端情况下可能出现的状态和满足的条件，应用物理规律列出在极端情况下 的方程，从而找出临界条件2.动力学中的典型临界问题接触与脱离的临界条件：两物体相接触或脱离的临界条件是弹力 FN0相对静止或相对滑动的临界条件：两物体相接触且处于相对静止时，常存在着静摩擦力，则相对 静止或相对滑动的临界条件：静摩擦力达到最大值或为零绳子断裂与松弛的临界条件：绳子所能承受的张力是有限的，绳子断与不断的临界条件是绝对张 力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛的临界条件是 FT0加速度最大与速度最大的临界条件：当物体在受到变化的外力作用下运动时，其加速度和速度都 会不断变化，当所受合外力最大时，具有最大加速度；合外力最小时，具有最小加速度当出现加速度 为零时，物体处于临界状态，所对应的速度便会出现最大值或最小值 例例 3、如图所示，在倾角为 的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块 A、B它们的质量分别为Am、Bm，弹簧的劲度系数为 k，C 为一固定挡板系统处于静止状态现开始用一恒力F沿斜面方向拉物块 A 使之向上运动，求物块 B 刚要离开 C 时物块 A 的加速度a和从开始到此时物块 A 的位移d重力加速度为 g【答案】ABA(mm )gsin mFa；AB(mm )gsindk【解析】解：令1x表示未加F时弹簧的压缩量，由胡克定律和共点力平衡条件可知1Am gsinkx 令2x表示 B 刚要离开 C 时弹簧的伸长量，a 表示此时 A 的加速度，由胡克定律和牛顿定律可知2Bkxm gsin 2AAF m gsinkxm a 由式可得6ABA(mm )gsin mFa 由题意 12dxx 由式可得AB(mm )gsindk即物块 B 刚要离开 C 时物块 A 的加速度为ABA(mm )gsin mFa，从开始到此时物块 A 的位移AB(mm )gsindk【点评】极端法往往包含有假设，即假设运动过程(状态)达到极端，然后根据极限状态满足的条件，作 出正确的分析判断这种方法是探求解题途径、寻求解题突破口、提高解题效率的一种行之有效的方 法此外，运用极限思维的方法往往还可以检验解题的结果请看下题 举一反三举一反三 【变式】如图所示，一根轻质弹簧上端固定，下端挂质量为 m0的平盘，盘中放有物体，质量为 m当盘静止时，弹簧的长度比其自然长度伸长了l，今向下拉盘使弹簧再伸长l而停止，然后松手放开，求刚 松开手时盘对物体的支持力【答案】1NlFmgl【解析】当盘静止时由平衡条件得0()0klmm g 当弹簧再伸长l，刚放手瞬间，由牛顿第二定律得00 k(ll ) (mm )g (mm )a NFmgma 由式解得1NlFmgl【点评】本题可用极端法检验解题的结果当l0 时，即不向下拉盘时，盘对物体的支持力 FNmg 类型四、程序法解决力和运动的问题类型四、程序法解决力和运动的问题按时间的先后顺序对题目给出的物体运动过程(或不同的状态)进行分析(包括列式计算)的解题方法 称为程序法解题的基本思路是：正确划分出题目中有多少个不同过程或多少个不同状态，然后对各个 过程或各个状态进行具体分析，得出正确的结果例 4、将质量为 m 的物体以初速度 v0从地面向上抛出设物体在整个过程中所受空气阻力的大小恒为fF，求物体上升的最大高度和落回地面时的速度大小7【思路点拨】物体在上升和下降过程中加速度不同，应分阶段求解；物体上升到最大高度时，速度为零。【答案】2 0 2()fmvxmgF，0f t fmgFvvmgFA【解析】本题中物体的运动包括上升过程和下降过程，现用程序法求解如下：上升过程：物体受重力 mg 和向下的空气阻力fF作用，设加速度大小为a上，根据牛顿第二定律，有fmgFma上根据运动学公式得(物体做匀减速直线运动)2 0 2vxa上下降过程：物体受重力 mg 和向上的空气阻力fF作用，同理有：fmgFma下，22tvxa下联解上述四个方程，得2 0 2()fmvxmgF，0f t fmgFvvmgFAx 和tv即为题目所求的上升的最大高度和落回地面时的速度大小【点评】程序法是解决物理问题的基本方法，我们在以后的学习中要注意培养应用程序法解题的能力 举一反三举一反三 【变式 1】质量为m=2kg的物体静止在水平面上，它们之间的动摩擦因数为=0.5。现对物体施加如图 所示的力F，F=10N，与水平方向成=37o夹角经过t=10s 后，撤去力F，再经过一段时间，物体又变为 静止，求整个过程物体的总位移S。 (g取 10m/s2)【答案】27.5m 【变式 2】质量为 200t 的机车从停车场出发，行驶 225m 后，速度达到 54kmh，此时，司机关闭发动机 让机车进站，机车又行驶了 125m 才停在站上。设运动过程中阻力不变，求机车关闭发动机前所受到的牵 引力。 【答案】 2.8×105N 【解析】关闭发动机，汽车做的是减速运动。机车关闭发动机前在牵引力和阻力共同作用下向前加速； 关闭发动机后，机车只在阻力作用下做减速运动。因加速阶段的初末速度及位移均已知，故可由运动学 公式求出加速阶段的加速度，由牛顿第二定律可求出合力；在减速阶段初末速度及位移已知，同理可以 求出加速度，由牛顿第二定律可求出阻力，则由两阶段的力可求出牵引力。在加速阶段初速度 v00，末速度1v54kmh 15ms 位移 x1225m8由22 02tvvax得： 加速度22 221 1 115m/s =0.5m/s22 225vax由牛顿第二定律得55 1FFma2 100 5N 1 10 N.引阻 减速阶段：初速度1v15ms，末速度 v20，位移2x125m由得axvv22 12 2加速度22 221 2 215m/s =0.9m/s22 125vax ，负号表示 a2方向与 v1方向相反由牛顿第二定律得55 2Fma2 100 9N 18 10 N.阻（） 由得机车的牵引力为5F2 8 10 N. 引