【高中物理课件】与力学相关的牛顿定律课件

牛顿力学定律专题课件本课件专为高中物理必修一/选修课设计，全面覆盖牛顿三大定律及其常见应用我们将从基础概念出发，深入探讨力与运动的关系，掌握经典力学的核心原理课程导入力学的重要意义牛顿定律的地位力学是物理学的基础分支，在牛顿三大运动定律构成了经典日常生活和现代工程技术中发力学的理论基础，是理解宏观挥着至关重要的作用物体运动规律的核心核心问题思考力与运动基础运动状态的描述常见力的类型物体的运动状态可以用速度和加速度来完整描述速度反映物体在力学研究中，我们经常遇到三种基本力重力（由地球引力产位置变化的快慢，加速度则反映速度变化的快慢当物体受到外生）、弹力（物体形变时产生）、摩擦力（相互接触物体间产力作用时，其运动状态必然发生改变生）正确识别和分析这些力是解决力学问题的关键牛顿定律体系结构牛顿第一定律惯性定律，描述物体运动的自然状态牛顿第二定律动力学核心，建立力与运动的定量关系牛顿第三定律作用与反作用定律，揭示力的相互性牛顿三大运动定律与万有引力定律共同构成经典力学的四大支柱，为我们理解宏观世界的运动规律提供了完整的理论框架牛顿第一定律内容定律表述惯性概念别名由来一切物体在没有受到外力作用的时物体保持原有运动状态的性质称为惯由于该定律主要描述了物体的惯性特候，总保持静止状态或匀速直线运动性惯性是物体的固有属性，不需要征，因此也被称为惯性定律，强调了状态这个定律揭示了物体运动的自外力维持，是物体懒惰的体现惯性在物体运动中的重要作用然倾向惯性具体表现公交车启动时乘客身体由于惯性保持静止状态，相对车厢向后倾倒车辆向前加速，人体需要外力才能跟上车的运动公交车刹车时乘客身体由于惯性要保持原来的运动状态，相对车厢向前冲这就是为什么要系安全带的物理原理航天器轨道飞行在太空中，航天飞行器在没有阻力的环境下，一旦获得速度就能长期保持轨道运动，体现了惯性定律的完美应用第一运动定律实验实验设计在尽可能光滑的水平面上，让小车以一定初速度运动，观察其运动状态的变化规律观察现象随着表面越来越光滑，小车运动距离越来越远，速度保持时间越来越长理想推理如果表面绝对光滑（无摩擦力），小车将永远保持匀速直线运动，验证了惯性定律定量分析通过测量不同摩擦系数下的运动距离，可以定量验证惯性与外力的关系惯性与质量质量的物理意义足球的惯性铅球的惯性质量是物体惯性大小的足球质量较小，用相同铅球质量很大，惯性量度质量越大的物的力容易改变其运动状大，需要更大的力才能体，改变其运动状态越态，启动、停止、改变使其启动或停止，这就困难，惯性越大方向都比较容易是为什么铅球运动需要强大爆发力的原因惯性相关问题解析匀速无受力≠匀速直线运动状态下物体仍可能受力•多个力的合力为零静止无受力≠•力的平衡状态物体静止并不意味着不受力•重力与支持力平衡惯性判断技巧•合外力为零识别惯性主导的运动情境•突然启动或停止•方向突然改变牛顿第二定律内容数学表达式F=ma，这是物理学中最重要的公式之一合外力F等于质量m与加速度a的乘积，建立了力与运动的定量关系比例关系在质量一定时，加速度与合外力成正比；在外力一定时，加速度与质量成反比这揭示了力、质量、加速度三者间的内在联系方向性质加速度的方向与合外力的方向始终保持一致这意味着物体运动状态的改变方向完全由合外力的方向决定力的单位及换算1N标准单位牛顿是力的国际标准单位1单位定义1N=1kg·m/s²

9.8重力换算1千克物体重力约

9.8N1000常用换算1千牛kN=1000牛顿国际单位制SI中，力的单位牛顿是为了纪念伟大的物理学家牛顿而命名的在实际应用中，我们还会遇到千牛kN、兆牛MN等更大的力的单位，用于描述工程中的巨大力量的物理意义F=ma力是加速度的原因加速度的矢量性公式F=ma明确告诉我们，力不是维持运动的原因，而是改变运加速度不仅有大小，还有方向，它是一个矢量合外力的方向决动状态（产生加速度）的原因没有外力作用，物体就不会有加定了加速度的方向，也就决定了物体运动状态改变的方向速度，运动状态保持不变当合外力与速度方向相同时物体加速，相反时物体减速，垂直时这个认识纠正了古代力是维持运动原因的错误观念，建立了正物体改变运动方向确的动力学概念牛顿第二定律典型实验斜面滑块实验在倾斜角度可调的光滑斜面上，让不同质量的滑块从静止开始滑下，测量其加速度与倾斜角度、质量的关系摩擦力影响分析通过改变接触面的粗糙程度，研究动摩擦力对物体运动的影响，验证净外力与加速度的正比关系数据关系验证绘制加速度与外力、质量的关系图像，通过直线斜率验证F=ma关系式的正确性和普适性受力分析技巧确定研究对象寻找所有外力明确分析哪个物体，画出物体的简化图按照重力、弹力、摩擦力的顺序逐一分形析画出受力图建立坐标系用箭头表示力的大小和方向，标明力的选择合适的坐标系，分解力并列出方程符号动摩擦力案例施加推力当人用水平力推箱子时，箱子受到向前的推力作用，这是外加的主动力摩擦力产生地面对箱子产生向后的滑动摩擦力，大小为f=μN，方向与运动方向相反力的比较当推力大于摩擦力时，箱子加速运动；当推力等于摩擦力时，箱子匀速运动方向判定摩擦力方向的判定原则总是阻碍物体间的相对运动或相对运动趋势斜面问题分析重力分解约束力分析合力与加速度物体在斜面上的重力可分解为平行斜面向斜面对物体的支持力N垂直斜面向上，其沿斜面方向的合力决定物体的加速度当下的分力mg·sinθ和垂直斜面向下的分力大小等于重力的垂直分量摩擦力f平行斜mg·sinθf时物体加速下滑，这是高考中mg·cosθ这种分解方法是解决斜面问题面，方向与运动趋势相反的经典考点和重要题型的关键综合运用牛顿第二定律火箭点火阶段推力大于重力，向上加速燃料消耗阶段质量减小，加速度增大脱离大气层阻力消失，运动状态改变火箭升空是牛顿第二定律的经典应用实例在不同阶段，火箭受到的推力、重力、阻力都在变化，需要分段分析其运动规律小孩滑滑梯的过程同样需要考虑重力、支持力、摩擦力的综合作用，通过F=ma计算各阶段的加速度和速度变化用求未知力F=ma电梯运动状态加速度方向视重变化物理现象向上加速向上增大超重现象向上匀速零不变正常重力向上减速向下减小失重现象自由下落向下为零完全失重通过分析电梯中人的受力情况，我们可以理解超重和失重现象的本质当电梯向上加速时，人需要向上的净外力，因此支持力大于重力，产生超重感觉牛顿第三定律内容定律表述数学表达两个物体之间的作用力和反作用F_AB=-F_BA，其中负号表示力总是大小相等、方向相反、作方向相反这对作用力和反作用用在不同物体上这个定律揭示力同时产生、同时消失，不存在了力的相互性和对等性先后关系适用范围该定律适用于任何相互作用的物体，无论是接触力还是非接触力，无论物体大小、运动状态如何，都遵循这一规律作用反作用实例-人推墙例子拍球反弹行走原理人推墙时，手对墙施加向手拍球时向下施力，球对人走路时脚向后蹬地，地前的推力，墙对手施加向手施加向上的反作用力面给脚向前的反作用力推后的反作用力，这就是为球撞击地面时，地面给球动人体前进没有这个反什么用力推墙时手会感到向上的反作用力使球反弹作用力，人就无法行走疼痛的原因起来游泳机制游泳时手臂向后推水，水对手臂产生向前的反作用力推动身体前进，体现了牛顿第三定律在流体中的应用误区警示反作用力位置常见错误认识正确理解方式作用力和反作用力相互抵消，所以物体不会运动——这是一个每个物体单独分析其受力情况比如推车时，人受到车的反作用典型的错误理解作用力和反作用力作用在不同的物体上，不能力，车受到人的作用力，它们各自影响相应物体的运动状态相互抵消只有作用在同一物体上的力才能相互抵消，产生平衡效果作用要判断物体是否平衡，只需分析作用在该物体上的所有力，而不力和反作用力永远不会作用在同一物体上考虑该物体对其他物体施加的力受力分析图常见错误多画力的错误在受力分析中多画了不存在的力，如将作用力和反作用力同时画在一个物体上，或者画出了物体对其他物体的作用力漏画力的错误遗漏了实际存在的力，如忘记画摩擦力、忘记考虑空气阻力、或者在分析连接体问题时漏掉了约束力力的方向错误弹力方向画错（应垂直接触面指向物体内部）、摩擦力方向判断错误（应与相对运动方向相反）作用点位置错误力的作用点标注不准确，特别是在刚体问题中，力矩分析时作用点位置的错误会导致计算结果完全错误合力与分力计算建立坐标系选择合适的直角坐标系，通常以水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向力的分解将各个力分解到坐标轴上，Fx=F·cosθ，Fy=F·sinθ，注意角度的定义θ分量求和分别计算x和y方向的分力代数和，∑Fx和∑Fy合力计算合力大小F合=√[∑Fx²+∑Fy²]，方向tanθ=∑Fy/∑Fx受力平衡条件静态平衡动态平衡物体保持静止状态物体做匀速直线运动•速度v=0•速度v=常数平衡条件典型实例•各方向受力平衡•运动状态不变物体处于平衡状态的充要条件生活中的平衡现象•合外力为零∑F=0•悬挂的吊灯•加速度为零a=0•漂浮的轮船水平拉物与加速度关联拉力分析水平绳子对物体施加拉力T，这是使物体产生加速度的主要外力拉力的大小可以通过弹簧秤或计算得出摩擦力计算物体与地面间的滑动摩擦力f=μN=μmg，方向与运动方向相反，是阻碍运动的阻力合外力确定沿运动方向的合外力F合=T-f，这个净外力是产生加速度的直接原因加速度求解根据牛顿第二定律，a=F合/m=T-f/m，可以预测物体的运动状态变化牛顿定律与动力学问题分类已知受力求运动已知运动求受力这类问题给出物体受到的各种力，要求确定物体的运动状态解这类问题给出物体的运动状态，要求确定物体受到的力解题流题流程分析受力→计算合外力→应用F=ma求加速度→结合运动程分析运动状态→计算加速度→应用F=ma求合外力→结合受力学公式求解运动参量分析求各分力典型例题包括给定推力和摩擦力，求物体的加速度和运动时典型例题包括已知物体的速度-时间图像，求作用力的大小；间；已知重力和支持力，判断物体的运动状态等根据位移-时间关系，计算所需的驱动力等圆周运动与牛顿定律向心力本质做圆周运动的物体所需的向心力F=mv²/r，实际上就是指向圆心的合外力，体现了牛顿第二定律在曲线运动中的应用汽车转弯分析汽车在水平道路上转弯时，轮胎与地面间的摩擦力提供向心力当转弯半径太小或速度太大时，所需向心力超过最大静摩擦力，汽车就会发生侧滑安全设计应用高速公路弯道设计成倾斜路面，利用重力和支持力的合力提供部分向心力，减少对轮胎摩擦力的依赖，提高行车安全性复杂系统的动力学拆解整体分析法将多个物体看作一个整体进行分析隔离分析法分别分析系统中每个物体的受力情况约束条件考虑绳子不可伸长、接触面不分离等约束联立求解建立方程组求解未知量复杂的多体系统需要灵活运用整体法和隔离法弹簧连接的物体系统要考虑弹性力的方向和大小变化，滑轮模型要注意绳子拉力的传递和方向改变，连杆系统要分析刚性约束条件实验探究验证牛顿第二定律实验装置控制变量使用自动计时小车、砝码、滑轮、细线分别控制质量和外力变量，研究a与F、等器材搭建实验装置a与m的关系误差分析数据测量分析摩擦力、空气阻力等因素对实验结利用打点计时器或光电门测量小车的加果的影响速度牛顿定律在工程中的应用桥梁工程航天工程汽车安全桥梁设计必须考虑车辆荷载、风力、地震火箭设计涉及推力计算、载荷分析、轨道汽车的安全设计基于对碰撞过程中力的分力等各种外力作用工程师运用牛顿定律设计等多个方面牛顿定律帮助工程师计析安全带、安全气囊、缓冲区设计都运计算结构各部分的受力，确保桥梁在各种算所需的推力大小、预测飞行轨迹、设计用了牛顿定律，通过延长作用时间来减小载荷下都能保持平衡和稳定姿态控制系统冲击力受力分析单元小结明确研究对象选择需要分析的物体，将其从周围环境中隔离出来，画出物体的简化示意图分析所有外力按照重力、弹力、摩擦力的顺序，逐一分析物体受到的所有外力，不遗漏、不多画建立坐标系根据问题特点选择合适的坐标系，明确正方向，便于后续的力的分解和计算列写方程根据牛顿第二定律，在各个方向上列写力的平衡或运动方程，求解未知量易错点与典型陷阱静止无力误解与方向混淆=F a许多学生错误地认为静止的物体有些学生将力F的方向与加速度a不受任何力的作用实际上，静的方向混淆要记住加速度方止状态只是说明合外力为零，物向与合外力方向一致，但单个力体仍可能受到多个力的作用，这的方向可能与加速度方向不同些力相互平衡作用反作用混淆在受力分析中错误地将作用力和反作用力画在同一物体上，或者认为它们会相互抵消要明确作用力和反作用力分别作用在不同物体上思维导图动力学问题解题流程确定研究对象明确要分析的物体，必要时需要选择合适的参考系，将研究对象从复杂环境中分离出来画出受力图按照重力、弹力、摩擦力的顺序分析所有外力，用箭头标明力的方向和大小关系建立坐标系选择便于计算的坐标方向，通常选择运动方向或垂直方向作为坐标轴列写运动方程根据牛顿第二定律F=ma，在各坐标方向上建立运动方程数学求解联立方程组，运用数学方法求解未知量，验证结果的物理意义牛顿定律与能量观点关系牛顿定律观点能量观点分析牛顿第二定律F=ma从力的角度分析物体运动，关注的是瞬时状动能定理从能量转化角度分析运动，关注的是整个过程的结果态它能够详细描述每一时刻物体的受力情况和加速度大小，适它将复杂的力学过程简化为能量的输入和输出，特别适合处理路合分析运动过程中的细节变化径复杂但起止状态明确的问题这种方法在处理变力问题、复杂轨迹运动时具有独特优势，能够在某些情况下，能量方法比牛顿定律更简洁，特别是在分析保守精确计算任意时刻的运动参量力作用下的运动时小结训练混合题例精讲单体多力问题一个物体同时受到重力、弹力、摩擦力等多个力作用，需要正确分析各力的方向和大小，建立力的平衡或运动方程2变力问题分析当作用力随时间或位置变化时，需要运用微积分方法或图像法分析运动规律，这类问题常出现在高考压轴题中高考真题解析2021年高考物理中的牛顿定律题目，综合考查了受力分析、运动学公式应用、图像分析等多个知识点的综合运用能力常见物理量单位回顾综合提升牛顿定律应用大题多过程分析将复杂运动分解为多个阶段受力分析每个阶段详细分析受力情况运动规律应用运动学公式描述各阶段运动能量方法必要时结合能量定理验证结果综合性力学大题通常涉及多个运动过程，需要灵活运用牛顿定律、运动学公式和能量定理解题时要注意各阶段的连接条件，如速度的连续性、位移的累加性等建立清晰的解题框架，逐步分析每个阶段的物理过程，是攻克难题的关键策略实践拓展航空航天工程火箭推进原理轨道力学计算姿态控制系统火箭发动机向后喷射高温航天器在轨道上的运动遵国际空间站使用小型推进气体，根据牛顿第三定律，循牛顿定律和万有引力定器进行姿态调整，每次微气体对火箭产生向前的反律，工程师通过精确计算小的推力都严格按照牛顿作用力，这就是火箭推进确定发射窗口、轨道转移定律计算，确保空间站保的基本原理和对接轨迹持正确的飞行姿态载人航天安全载人飞船的发射和返回过程中，宇航员承受的加速度必须控制在人体耐受范围内，这需要精确的力学分析和控制牛顿定律历史影响年伟大著作问世1687牛顿发表《自然哲学的数学原理》，系统阐述了三大运动定律和万有引力定律，奠定了经典力学的理论基础世纪工业革命推动18-19牛顿力学为蒸汽机、机械制造、桥梁建设等工业技术提供了理论指导，直接推动了第一次工业革命的发展世纪航天时代开启20牛顿定律成为航天工程的基础理论，指导了人造卫星、载人航天、月球探测等重大航天项目的实施现代应用持续发展在汽车工业、建筑工程、机器人技术等现代科技领域，牛顿定律仍然发挥着不可替代的指导作用牛顿定律与现代物理的延伸经典力学的适用范围现代物理的修正牛顿定律在宏观、低速的情况下具有极高的精确性，是工程技术当物体速度接近光速时，需要用爱因斯坦的相对论来修正牛顿定和日常生活中最实用的物理理论当物体速度远小于光速、尺度律；在原子尺度下，需要用量子力学来描述物体的运动规律远大于原子时，牛顿力学给出的结果与实验完全吻合在这个范围内，牛顿定律不仅准确，而且简洁易用，这就是为什这些现代理论并没有否定牛顿定律，而是在极端条件下对其进行么它至今仍是高中物理和工程教育的核心内容了扩展和修正，体现了物理学理论的继承性和发展性经典考题回顾

（一）电梯问题分析电梯加速、减速、匀速运动时人的受力情况，计算视重变化，理解超重失重现象的物理本质斜面问题物体在倾斜面上的运动分析，包括重力分解、摩擦力计算、加速度求解等核心考点3滑轮组问题连接体问题的典型代表，需要正确分析绳子拉力的传递和方向变化，运用整体法和隔离法求解弹簧振子弹簧弹力与位移关系的应用，结合牛顿第二定律分析简谐运动的基本特征。