【高中物理课件】人教版牛顿运动定律课件

牛顿运动定律本课程为人教版高中物理必修第一册的核心内容，将系统讲解牛顿三大运动定律及其在实际生活中的应用我们将通过理论学习、实验观察和问题解决，深入理解力与运动之间的基本关系牛顿运动定律是经典力学的基础，它们揭示了物体运动状态变化的根本原因，为我们认识和描述宏观世界的运动规律提供了强有力的工具通过学习这些定律，我们将能够解释日常生活中的各种力学现象课程目标1理解物理意义深入理解牛顿三大运动定律的物理本质和科学意义，把握每个定律所描述的物理现象和规律2掌握数学表达熟练掌握各定律的数学表达式，理解其适用条件和使用范围，为解决实际问题奠定基础3解决物理问题学会运用牛顿运动定律分析和解决与力学相关的物理问题，培养科学思维和问题解决能力4分析生活现象能够运用所学知识分析和解释日常生活中的各种力学现象，体会物理学的实用价值内容概览牛顿第一定律也称惯性定律，描述了物体在不受外力或受平衡力作用时的运动状态，揭示了惯性的概念和惯性参考系的重要性牛顿第二定律也称动力定律，定量描述了力与加速度的关系，是解决力学问题最重要的工具，公式为F=ma牛顿第三定律也称作用力与反作用力定律，说明了相互作用力的特点，为分析复杂力学系统提供了重要方法综合应用学习如何综合运用三个定律解决实际问题，包括受力分析、运动分析和复杂系统的处理方法牛顿第一定律匀速直线运动物体以恒定速度沿直线运动静止状态外力作用物体保持静止不动的状态只有不平衡的外力才能改变运动状态213牛顿第一定律指出，一切物体总是保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的不平衡力迫使它改变这种状态这个定律揭示了物体运动的惯性本质，说明力不是维持运动的原因，而是改变运动状态的原因惯性惯性定义1物体保持原有运动状态不变的性质，是物质的基本属性2普遍存在任何物体都具有惯性，无论其大小、形状或运动状态如何质量关系3物体的惯性大小与其质量成正比，质量越大，惯性越大惯性是物体的固有属性，它不依赖于物体的运动状态或受力情况在日常生活中，我们经常能感受到惯性的存在，比如乘车时的身体晃动质量是惯性大小的唯一量度，这为我们理解和计算各种力学现象提供了重要依据惯性参考系参考系定义用来描述物体运动的坐标系统惯性参考系不受力或受平衡力时做匀速直线运动的参考系适用条件牛顿第一定律仅在惯性参考系中严格成立地面近似地球表面在短时间内可近似为惯性参考系惯性参考系是理解牛顿运动定律的关键概念在惯性参考系中，不受外力的物体将保持静止或匀速直线运动虽然严格的惯性参考系在现实中很难找到，但在处理日常问题时，我们通常可以把地面看作惯性参考系生活中的惯性现象急刹车公交启动甩干衣物汽车突然刹车时，公交车突然启动甩掉衣服上的水滴由于惯性，乘客身时，乘客身体由于利用了惯性原理体会继续向前运惯性保持原来的静当衣服突然停止摆动，因此感到身体止状态，相对于加动时，水滴由于惯前倾这就是为什速的车厢向后运性继续运动而被甩么系安全带如此重动，感到身体后出要的原因仰装紧锤头敲击锤柄使锤头装紧，当锤柄突然停止时，锤头由于惯性继续向下运动，从而紧紧套在锤柄上示例惯性现象纸币快速抽出实验将硬币放在纸币上，快速抽出纸币，硬币由于惯性保持原位这说明静止物体有保持静止的惯性硬币堆快速击打实验用尺子快速击打硬币堆中的某一枚，被击中的硬币飞出，其他硬币由于惯性基本保持原位水杯纸片实验在装水的杯子上放一张纸片和硬币，快速抽出纸片，硬币掉入杯中，体现了惯性的作用这些简单的实验生动地展示了惯性现象，帮助我们直观理解牛顿第一定律通过观察这些现象，我们可以更好地理解物体在没有外力作用时保持原有运动状态的性质牛顿第一定律实验演示观察现象小车在光滑面上运动越来越接近匀速1分析数据2记录不同摩擦情况下的运动距离理想推理3完全光滑时物体将永远运动下去实验器材4小车、斜面、不同粗糙程度的平面实验设计5伽利略的理想斜面实验思想这个经典实验通过理想化的推理方法验证了牛顿第一定律实验表明，当阻力越来越小时，物体运动的距离越来越远，推理到阻力为零时，物体将永远运动下去惯性应用实例安全带的作用原理安全气囊的保护机制飞机飞行中的餐食服务当汽车发生碰撞突然停止时，乘客由于安全气囊在碰撞瞬间迅速充气，为由于飞机在平稳飞行时可以正常提供餐食服惯性会继续向前运动安全带能够及时惯性继续前移的乘客提供缓冲，延长减务，这是因为飞机、乘客和餐具都在同提供向后的约束力，防止乘客撞向挡风速时间，从而减小撞击力这是利用冲一个惯性参考系中当飞机匀速直线飞玻璃或仪表板，有效保护乘客安全量定理和惯性原理的完美结合行时，机舱内的一切都表现得像在地面一样安全带的设计还考虑了人体的承受能现代汽车的安全气囊系统还包括侧面和力，通过适当的弹性和缓冲机制，在保头部保护，全方位利用惯性原理保护乘但当飞机遇到气流颠簸时，惯性现象就证约束效果的同时减少对人体的伤害客安全会明显表现出来，这时需要系好安全带牛顿第二定律加速度与合外力成正比1物体的加速度大小与所受的合外力成正比关系加速度与质量成反比2在相同合外力作用下，质量越大的物体加速度越小方向关系3加速度的方向与合外力的方向始终相同牛顿第二定律是力学中最重要的定律之一，它定量地描述了力与运动之间的关系这个定律不仅告诉我们力是改变物体运动状态的原因，还精确地给出了这种改变的程度和方向通过这个定律，我们可以从已知的力预测物体的运动，也可以从观察到的运动推断作用力的大小和方向数学表达式F=ma a=F/m基本公式加速度公式合外力等于质量乘以加速度加速度等于合外力除以质量1N力的单位牛顿，等于1kg·m/s²牛顿第二定律的数学表达式是物理学中最著名的公式之一在国际单位制中，力F=ma的单位是牛顿，质量的单位是千克，加速度的单位是米每二次方秒这N kgm/s²个公式不仅形式简洁，而且内涵丰富，是解决力学问题的核心工具需要注意的是，公式中的指的是物体所受的合外力，而不是单个力的大小F牛顿第二定律的实验验证实验设计数据收集使用动力小车、滑轮、砝码等器材设计1测量不同条件下的力、质量和加速度数实验装置2据数据处理结论验证4绘制相关图像，分析力、质量与加速度通过实验数据验证关系的正确性3F=ma的关系实验验证是科学研究的重要方法通过精心设计的实验，我们可以验证牛顿第二定律的正确性实验中需要控制变量，分别研究F-a关系和关系，最终综合得出的结论现代实验技术的发展使得这种验证更加精确和可靠m-a F=ma关系验证实验F-a关系验证实验m-a牛顿第二定律的适用条件惯性参考系牛顿第二定律只在惯性参考系中严格成立，在非惯性参考系中需要引入惯性力的概念质点近似适用于可以看作质点的物体，或者刚体的整体运动分析，不适用于物体内部各部分的相对运动低速条件适用于速度远小于光速的宏观物体，当速度接近光速时需要用相对论力学修正宏观尺度适用于宏观物体的运动，在微观粒子的世界中需要用量子力学来描述例题水平拉力作用下的物体运动题目分析质量为的物体在水平拉力作用下运动m F受力分析重力，支持力，拉力，摩擦力mg NF f列写方程水平方向，竖直方向F-f=ma N=mg求解结果加速度，速度a=F-f/m v=at这是一个典型的牛顿第二定律应用问题解题的关键是正确进行受力分析，建立合适的坐标系，然后根据牛顿第二定律列写方程在水平方向上，合外力等于拉力减去摩擦力；在竖直方向上，物体没有加速度，所以支持力等于重力通过这样的分析，我们可以求出物体的加速度和任意时刻的速度牛顿第三定律1作用力物体对物体施加的力A B2反作用力物体对物体施加的力B A3力的特点大小相等，方向相反，作用在不同物体上牛顿第三定律揭示了力的相互作用本质两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，并且作用在不同的物体上这个定律说明了力不是单独存在的，而是成对出现的无论是静止的物体还是运动的物体，无论是接触力还是非接触力，都遵循这一规律这个定律为我们分析复杂的力学系统提供了重要的理论基础牛顿第三定律的实验验证实验装置使用两个相同的弹簧测力计，让它们相互拉伸，观察读数变化数据记录记录不同拉力下两个测力计的读数，验证它们是否始终相等实验结论实验证明两个测力计的读数始终相等，验证了牛顿第三定律作用力与反作用力特点同时性等大反向不同物体作用力和反作用力同时产作用力和反作用力在任何作用力和反作用力分别作生，同时变化，同时消时刻都大小相等，方向相用在相互作用的两个不同失，不存在先后关系它反这种关系不受物体的物体上，因此它们的作用们是相互作用的直接结运动状态、形状大小或其效果不会相互抵消果，不可能单独存在他因素影响不能抵消由于作用在不同物体上，作用力和反作用力不能在同一物体上产生平衡效果，不会相互抵消生活中的作用力与反作用力行走原理游泳机制火箭推进当我们行走时，脚向后蹬地面，给地面游泳时，手臂向后推水，给水一个向后火箭发动机向下喷射高温气体，给气体一个向后的作用力根据牛顿第三定的力水对手臂产生向前的反作用力，一个向下的巨大作用力气体对火箭产律，地面会给脚一个向前的反作用力，推动人体向前游进游泳技术的关键就生向上的反作用力，这就是火箭的推正是这个反作用力推动我们向前运动是如何更有效地利用这种相互作用力如果地面很滑，摩擦力不足，我们就无不同的游泳姿势实际上是在优化手臂和火箭能在真空中飞行，正是因为它不需法获得足够的反作用力，因此会滑倒腿部与水的相互作用，以获得最大的推要依赖外界介质，而是通过喷射自身携这说明作用力与反作用力在日常生活中进力带的工质来获得推力的重要作用例题作用力与反作用力得出结论应用定律物体对物体施加的水平向左的力这题目条件B A10N根据牛顿第三定律，作用力与反作用力大小相对力不能相互抵消，因为它们作用在不同的物物体对物体施加的水平向右的力，求等，方向相反，作用在不同物体上体上A B10N物体对物体施加多大的力，方向如何？B A这是一个典型的牛顿第三定律应用题解题的关键是理解作用力与反作用力的特点大小相等、方向相反、作用在不同物体上正因为作用在不同物体上，所以这对力不会在单个物体上产生平衡效果，也不会相互抵消这是许多学生容易混淆的地方牛顿运动定律的综合应用从受力到运动已知物体受力情况，利用牛顿第二定律求出加速度，再结合运动学公式确定运动状态从运动到受力通过观察物体的运动状态，求出加速度，再利用牛顿第二定律推断物体的受力情况系统分析方法对于复杂的多物体系统，需要综合运用三个定律，采用整体法和隔离法相结合的分析方法问题解决策略建立清晰的解题思路，从受力分析到运动分析，系统地解决各类力学问题受力分析方法确定研究对象明确要分析的物体画受力图准确画出所有作用力建立坐标系选择合适的坐标系力的分解将力分解到坐标轴上列写方程应用牛顿定律列方程受力分析是解决力学问题的基础和关键步骤正确的受力分析能够帮助我们理清问题的本质，为后续的计算提供可靠的依据在进行受力分析时，要做到不漏力、不多力，准确确定力的方向和作用点基本受力类型弹力重力垂直于接触面，大小由形变决定，始终竖直向下G=mg摩擦力沿接触面，阻碍相对运动弹簧力推拉力，与形变量成正比F=kx人为施加的外力，方向可变在力学分析中，我们经常遇到这五种基本的力每种力都有其特定的特点和规律重力是最常见的力，始终指向地心；弹力产生于物体接触和形变；摩擦力总是阻碍物体间的相对运动；推拉力是人为施加的力；弹簧力遵循胡克定律重力和支持力重力特点支持力特点关系说明重力，方向始终竖直向下，支持力垂直于接触面向上，是接触重力和支持力作用在同一物体上，在G=mg N指向地心重力的大小与物体的质量物体形变产生的弹力支持力的大小许多情况下大小相等，但它们不是作成正比，是物体受到地球引力的宏观不是固定的，需要根据物体的平衡条用力与反作用力真正的作用力与反表现重力作用在物体的重心上件或运动状态来确定作用力是物体对地面的压力和地面对物体的支持力摩擦力静摩擦力动摩擦力当物体有相对运动趋势但还没有发生相对运动时，接触面间产生当物体发生相对运动时，接触面间产生动摩擦力（也叫滑动摩擦静摩擦力静摩擦力的大小可以在零到最大静摩擦力之间变化，力）动摩擦力的大小恒定，计算公式为动动，其中f=μN方向与相对运动趋势相反动是动摩擦系数μ静摩擦力的计算公式为静静，其中静是静摩擦系动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反一般情况下，最大静f≤μNμ数，是正压力静摩擦力的实际大小由物体的平衡条件决定摩擦力略大于动摩擦力，这就是为什么推动静止物体比维持其运N动更困难的原因共点力的合成与分解平行四边形法则两个共点力的合力可以用平行四边形的对角线表示，这是力合成的基本法则三角形法则将一个力的末端与另一个力的起点相连，从第一个力的起点到第二个力的末端的矢量就是合力正交分解法将力分解到相互垂直的坐标轴上，分别求出各轴上的分力之和，再合成得到总的合力力的合成与分解是矢量运算的具体应用在实际问题中，正交分解法是最常用的方法，因为它可以将复杂的矢量运算转化为简单的代数运算选择合适的坐标系是成功解题的关键示例斜面上物体的受力分析力学问题的一般解法确定研究对象和物理过程明确要分析的物体或系统，确定所涉及的物理过程和时间段，这是解题的第一步也是最关键的一步受力分析和运动分析画出受力图，分析物体的运动状态，确定加速度的大小和方向，为后续计算提供依据建立方程组并求解根据牛顿运动定律和运动学公式建立方程组，通过数学方法求解未知量，并检验结果的合理性力学问题的解决需要有系统的方法和清晰的思路首先要理解问题的物理情景，然后运用正确的物理规律，最后通过数学计算得到结果在整个过程中，物理概念的准确理解和数学工具的熟练运用同样重要养成良好的解题习惯，有助于提高解题效率和准确性从受力确定运动情况受力分析准确分析物体受到的所有力，画出完整的受力图求合外力运用矢量合成法则，求出物体所受的合外力计算加速度应用公式，求出物体的加速度大小和方向F=ma确定运动结合运动学公式，确定物体的运动状态和轨迹这种分析方法是力学问题中最常见的类型当我们知道物体的受力情况时，可以通过牛顿第二定律求出加速度，然后结合初始条件和运动学公式，完整地描述物体的运动这种方法在工程设计和科学研究中有广泛应用例题滑梯问题1建立坐标系以斜面为轴正方向，垂直斜面向上为轴正方向，重力分解为和x ymg sinθ两个分量mg cosθ2受力方程沿斜面方向，垂直斜面方向，摩擦力mg sinθ-f=ma N=mg cosθf=μN=μmg cosθ3求解加速度将摩擦力表达式代入第一个方程，得到mg sinθ-μmg cosθ=ma a=gsinθ-μcosθ4运动学计算利用运动学公式和，可求出滑到底部的时间和速度v²=2as s=½at²例题连接体系问题整体分析法隔离体分析法将连接的物体看作一个整体，分析整个系统受到的外力设两物分别分析每个物体的受力情况对物体₁，对1F-T=m a体质量分别为₁和₂，受到外力，则整个系统的加速度物体₂，其中是绳子的张力m m F2T=m aT为联立这两个方程可以求出张力₂₁₂这种T=mF/m+m₁₂方法适用于求解系统内部的相互作用力a=F/m+m这种方法适用于求解系统的整体运动情况，简化了计算过程连接体问题是力学中的重要题型，需要灵活运用整体法和隔离法整体法用于求系统的加速度，隔离法用于求内力两种方法相结合，可以完整地解决连接体问题例题超重和失重电梯加速上升电梯加速下降物理解释当电梯加速向上运动时，人当电梯加速向下运动时，加超重和失重是由于非惯性参受到向上的支持力和向下速度向下，根据牛顿第二定考系中的惯性效应造成的N的重力根据牛顿第二律，所以在地面参考系中分析，人的mg mg-N=ma定律，所，人重力始终是，但支持力N-mg=ma N=mg-mamg mg以感到失重会发生变化N=mg+mamg计算示例质量的人在加速度为60kg向上的电梯中，受到2m/s²的支持力N=60×10+2，比正常重力大=720N120N从运动确定受力情况观察运动求加速度通过实验观察或题目描述，获得物体的利用运动学公式，从速度变化或位移信运动信息息计算加速度分析受力应用定律结合物理情景，推断各个力的大小和方运用，从加速度推算物体所受的F=ma向合外力这种逆向分析方法在科学研究中非常重要通过观察物体的运动状态，我们可以推断出作用在物体上的力这种方法被广泛应用于天体物理学、粒子物理学等领域，帮助科学家发现新的相互作用和物理规律例题物体加速上升5m/s2m/s²初始速度加速度物体从地面以的初速度竖直向上运动通过速度变化计算得出向上的加速度为5m/s2m/s²120N向上作用力质量的物体需要向上的力才能10kg120N产生此加速度已知物体在上升过程中速度从增加到，用时秒首先计算加速度5m/s7m/s1a=7-，方向向上然后分析受力物体受重力向下，5/1=2m/s²mg=10×10=100N设向上作用力为，根据牛顿第二定律，解得这说明除F F-100=10×2F=120N了克服重力外，还需要额外的力来产生向上的加速度20N例题圆周运动运动特点匀速圆周运动中，速度大小不变但方向时刻改变，存在向心加速度a=v²/r向心力需求维持圆周运动需要向心力向向，方向指向圆心F=ma=mv²/r力的来源向心力由其他力提供重力、弹力、摩擦力等，不是一种新的力受力分析分析提供向心力的具体力，建立径向和切向的动力学方程圆周运动是曲线运动的重要类型即使是匀速圆周运动，由于速度方向不断变化，物体也有加速度这个加速度指向圆心，称为向心加速度维持这种运动需要向心力，向心力不是一种特殊的力，而是各种力在径向的合力例题平抛运动水平方向分析竖直方向分析轨迹方程推导水平方向不受力（忽略空气阻力），根竖直方向只受重力作用，根据牛顿第二消去时间参数，可得轨迹方程t据牛顿第一定律，物体保持初始水平速定律，物体做自由落体运动₀y=g/2v²x²度₀不变v竖直位移•y=½gt²这是一个抛物线方程，说明平抛运动的水平位移₀•x=v t竖直速度•vᵧ=gt轨迹是抛物线运动的合速度和合位移水平速度₀•vₓ=v•竖直加速度aᵧ=g都可以通过矢量合成得到水平加速度•aₓ=0。