【高中物理课件】列牛顿运动定律解动力学问题课件

牛顿运动定律与动力学问题高中物理必修一重难点内容，牛顿运动定律是经典力学的基础理论体系三大定律揭示了物体运动与受力的本质关系，为解决各类动力学问题提供了科学的理论依据本课程将系统提升解题技能，培养学生运用牛顿定律分析复杂物理现象的能力通过理论学习与实例分析相结合，帮助学生建立完整的动力学知识框架，为后续物理学习奠定坚实基础课程目标与结构1掌握三大牛顿定律2学会物体受力分析深入理解惯性定律、加速度定熟练掌握受力分析的基本方律和作用反作用定律的物理内法，能够正确识别各种力的性涵，能够准确表述定律内容并质，准确画出物体的受力示意理解其适用条件图3灵活运用定律解题培养运用牛顿定律解决实际动力学问题的能力，掌握多物体系统、变力作用等复杂情况的分析方法生活中的动力学实例列车加速现象购物车阻力跑步运动地铁启动时乘客身体向超市购物车遇到障碍物运动员起跑时需要克服后倾斜，这是惯性的典时突然减速，车内物品静摩擦力获得加速度，型表现列车获得向前由于惯性继续向前运冲刺后逐渐减速停止需加速度，而人体由于惯动这说明力是改变物要依靠摩擦阻力展现性保持原来的静止状体运动状态的原因了力与运动的关系态牛顿第一定律简介定律表述物理意义一切物体在没有受到外力作用揭示了力与运动的关系力不是时，总保持匀速直线运动状态或维持物体运动的原因，而是改变静止状态，直到有外力迫使它改物体运动状态的原因物体具有变这种状态为止这个定律也称保持原有运动状态的性质称为惯为惯性定律性适用条件该定律只在惯性参考系中成立惯性参考系是相对于地面静止或匀速直线运动的参考系，在高中阶段通常以地面为惯性参考系惯性的概念与表现惯性的本质生活中的惯性现象惯性是物体的固有属性，只与物体的质量有关，质量越大惯性越汽车急刹车时乘客身体前倾•大惯性不是力，不能说受到惯性作用或惯性力锤头松动用锤柄撞击地面加固•拍打衣服除尘土在任何情况下物体都具有惯性，无论静止还是运动，无论受力还•是不受力惯性的大小用质量来量度，质量是惯性大小的唯一量高速行驶的汽车难以快速转弯•度运动员跳远时助跑获得初速度•认识力和受力图1力的概念力是物体对物体的作用，具有物质性、相互性、矢量性力的三要素包括大小、方向和作用点，缺一不可2常见力类型重力、弹力、摩擦力是最基本的三种力重力竖直向下，弹力垂直于接触面，摩擦力平行于接触面且与相对运动趋势相反3受力图绘制选择研究对象，分析受力情况，用箭头表示力的大小和方向受力图是解决动力学问题的基础工具牛顿第二定律引入实验观察用不同大小的力推动相同质量的小车，发现力越大，小车的加速度越大用相同的力推动不同质量的物体，质量越大加速度越小规律发现通过大量实验数据分析，发现加速度与作用力成正比，与物体质量成反比这个关系可以用数学公式来表示F=ma定律建立物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同这就是牛顿第二定律公式的物理意义F=ma正比关系反比关系在质量一定时，加速度与合外力成正比力在合外力一定时，加速度与质量成反比质增大几倍，加速度就增大几倍，体现了力的量越大越难改变运动状态，体现了惯性的作作用效果用瞬时对应方向一致反映的是力与加速度的瞬时对应关加速度方向总是与合外力方向相同，这是矢F=ma系某一时刻的合外力决定该时刻的加速量性的体现合力改变方向，加速度方向也度，具有同时性随之改变力的单位与国际单位制1N

9.8N1000力的基本单位重力换算单位换算牛顿是力的国际标准单位，符号为牛千克物体的重力约为牛顿日常生活掌握常用单位换算千牛牛，牛N

119.81=10001顿等于使千克质量的物体产生米每二次中，一个苹果的重力大约是牛顿，一本达因解题时注意单位的统一112=100000方秒加速度的力教科书重力约为牛顿性，避免计算错误3牛顿第二定律的定性理解恒力作用效果当物体受到恒定合外力时，产生恒定加速度物体做匀变速直线运动，速度随时间线性变化，位移随时间二次方变化变力作用效果当合外力随时间变化时，加速度也随时间变化物体的运动轨迹变得复杂，需要用微积分方法分析瞬时运动状态质量影响分析质量大的物体惯性大，在相同合外力作用下获得的加速度小，运动状态改变缓慢这解释了为什么重型卡车启动和制动都较困难判定类小练习定律理解概念判断题情景分析题分析物体在平衡力作用下加通过电梯运动、汽车转弯等实速度为零、力是维持物体际情景，判断物体受力和运动运动的原因等典型错误观状态的关系，提高应用能力点，强化正确理解易错点辨析区分惯性与惯性力、合外力与平衡力、瞬时速度与平均速度等容易混淆的概念，避免常见错误合力的概念与分解合力求解多个力共同作用的效果正交分解沿、轴方向分解各力x y斜面分解沿斜面和垂直斜面分解矢量运算平行四边形法则和三角形法则力的合成与分解是解决复杂受力问题的基本方法选择合适的坐标系，将各个力分解到坐标轴上，然后分别求出各轴方向的合力，最后合成得到总的合外力重力、支持力、弹力重力特点支持力与弹力重力是地球对物体的引力，方向总是竖直向下指向地心重力大支持力是接触面对物体的弹力，方向垂直于接触面向外弹力产小，其中是重力加速度重力的作用点称为生的条件是物体发生形变，大小由物体形变程度和弹性系数决G=mg g=

9.8m/s²重心，对于质量分布均匀的规则物体，重心在几何中心定胡克定律描述了弹簧弹力与形变的关系F=kx方向始终竖直向下垂直于接触面向外••大小与质量成正比大小由形变程度决定••作用点在物体重心存在需要接触和形变••摩擦力简介静摩擦力相对静止时的摩擦力，大小可变滑动摩擦力相对滑动时的摩擦力，f=μN方向判断总是与相对运动趋势相反摩擦力是接触面之间阻碍相对运动的力静摩擦力在到最大静摩擦力之间变化，滑动摩擦力恒定等于动摩擦因数与正压力的乘积正0确判断摩擦力方向是解题关键简单动力学例题一分析受力情况确定研究对象箱子受到重力、支持力、推力和mg NF选择箱子作为研究对象，明确质量为摩擦力四个力的作用，画出受力示意图f，分析其运动状态和受力情况m建立运动方程求解运动参量根据牛顿第二定律，水平方向F-利用运动学公式，结合初始条件求出速，竖直方向，求解加速f=ma N-mg=0度、位移等物理量的变化规律度力的合成与分解实例牵引力斜向分解悬挂系统受力风力分解应用工人用绳索斜向上拉重物时，拉力可分解起重机通过钢丝绳吊装重物时，钢丝绳承帆船利用风力前进时，风力可分解为推进为水平分力和竖直分力水平分力提供前受的拉力等于重物重力如果使用滑轮船只前进的分力和使船只倾斜的分力通进动力，竖直分力减小物体对地面压力，组，可以改变力的方向并减小所需拉力大过调整帆的角度，可以优化推进效果从而减小摩擦阻力小变力与非恒力分析电梯启动向上加速时体重计示数增大匀速运行匀速时体重计示数等于体重减速停止向上减速时体重计示数减小动态分析随变化，运动状态实时改变a F变力作用下物体的加速度也在变化，需要分析每个瞬间的受力情况电梯运动是典型的变力问题，体重计示数反映了支持力的变化，体现了牛顿第二定律的瞬时性特点牛顿第三定律引入相互作用发现实验验证观察日常现象发现，力总是成用弹簧测力计验证作用力与反对出现的人推墙时，墙也对作用力大小相等两个测力计人施加推力；马拉车时，车也相互拉伸，读数始终相等，证对马施加拉力明力的相互性定律表述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、作用在同一条直线上，分别作用在两个物体上反作用力具体案例划船时桨推水，水对桨产生反作用力推动船前进人走路时脚向后蹬地，地面给脚向前的摩擦力火箭喷射燃气获得向上反推力这些都是牛顿第三定律的典型应用，体现了力的相互性和反作用力的推进作用作用力反作用力的判断判断依据作用力反作用力平衡力作用对象分别作用在两个物体上作用在同一个物体上力的性质性质相同（都是弹力或摩擦力）性质可以不同存在性同时产生、同时消失可以单独存在或消失大小关系大小总是相等大小相等（平衡时）方向关系方向总是相反方向相反三定律总结牛顿第一定律牛顿第二定律惯性定律，描述物体在无外力作，定量描述了力、质量与F=ma用时保持原有运动状态的性质加速度的关系是动力学的核心引入了惯性概念，确立了力与运定律，为解决各种动力学问题提动的关系力是改变运动状态的供了数学工具原因牛顿第三定律作用力与反作用力定律，揭示了力的相互性说明力不能单独存在，为分析多物体系统提供了理论基础合外力决定加速度合力唯一性瞬时对应性矢量性物体的加速度完全加速度与合外力具加速度是矢量，其由当前时刻的合外有瞬时对应关系方向始终与合外力力决定，与物体的某一时刻合外力为方向相同合外力运动历史无关改零，该时刻加速度改变方向，加速度变合外力，加速度就为零，但速度不方向也随之改变，立即改变一定为零体现了矢量运算规律独立性原理在相互垂直的方向上，运动和受力相互独立可以分别分析、方向的运x y动，然后合成得到总的运动效果物体间系统受力分析1确定系统选择合适的研究对象，可以是单个物体，也可以是多个物体组成的系统系统选择影响受力分析的复杂程度2分析外力系统受到的外力包括重力、支持力、摩擦力等内力（如绳的张力）在系统内部成对出现，对系统整体运动不产生影响3列运动方程根据牛顿第二定律，对系统或系统中的每个物体列出运动方程方程数应等于未知数个数，确保方程组有解4求解验证解方程组得到各物理量，检验结果的合理性注意单位统一，数值大小和方向是否符合物理实际动力学经典模型一人的受力分析人受到重力、地面支持力、地面摩擦力和绳子拉力地面对人的摩擦力提供人前进的动力，方向向前绳子张力传递理想绳子质量不计，张力处处相等绳子对人的拉力与对箱子的拉力大小相等、方向相反，体现牛顿第三定律箱子运动分析箱子受重力、支持力、绳子拉力和地面摩擦力当拉力大于最大静摩擦力时，箱子开始运动并获得加速度系统整体分析将人和箱子看作整体，外力只有地面对人的摩擦力和地面对箱子的摩擦力，内力相互抵消不影响整体运动动力学经典模型二建立坐标系沿斜面和垂直斜面建立坐标系重力分解2，G₁=mgsinθG₂=mgcosθ支持力分析，垂直斜面向上N=mgcosθ摩擦力计算，沿斜面向上f=μN=μmgcosθ加速度求解5，沿斜面向下a=gsinθ-μcosθ受力分析方法规范明确研究对象从复杂的物理情景中选择合适的研究对象，可以是单个物体、多个物体或物体的一部分选择不同的研究对象会导致不同的解题思路和难度隔离物体画图将研究对象从周围环境中隔离出来，画出物体的示意图在图上标出各个力的作用点、大小和方向，用不同颜色或线型区分不同性质的力列运动方程选择合适的坐标系，将各力分解到坐标轴上根据牛顿第二定律在各个方向上列出方程，注意力和加速度的正负号规定要保持一致典型题型单一物体受恒定力1受力分析求加速度确定物体受到的所有力，画出受力示意根据求出物体的加速度，注意合F=ma图，标明力的大小和方向2外力的计算和方向判断求位移求速度4利用或求出位利用求出任意时刻的速度，注s=v₀t+½at²v²-v₀²=2as v=v₀+at3移，选择合适的公式简化计算意初速度和加速度的方向典型题型多物体共加速度2整体法分析隔离法分析将多个物体看作一个整体，只考虑系统受到的外力，忽略物体间将系统中的每个物体单独隔离出来，分析每个物体的受力情况和的内力作用这种方法适用于求解系统的共同加速度，计算简单运动状态这种方法可以求出物体间的相互作用力，适用于复杂快捷的多物体问题整体法的优势在于避免了复杂的内力分析，直接从整体的角度把隔离法虽然计算较复杂，但能够全面反映系统内部的相互作用关握问题的本质当系统中各物体加速度相同时，整体法是首选方系当需要求解内力或验证结果时，隔离法是必要的补充手段法典型题型摩擦力动态变化3启动阶段静摩擦力随驱动力增大而增大，最大不超过μₛN滑动阶段滑动摩擦力恒定为，小于最大静摩擦力μₖN匀速阶段摩擦力等于驱动力，物体做匀速直线运动制动阶段摩擦力方向与运动方向相反，产生减速效果摩擦力的大小和方向随运动状态变化，需要分阶段分析启动时摩擦力提供动力，制动时摩擦力产生阻力，体现了摩擦力与相对运动趋势的关系典型题型斜面与分解4建立坐标系选择沿斜面和垂直斜面的坐标系，简化力的分解过程重力分解2重力分解为沿斜面分力和垂直斜面分力mgsinθmgcosθ垂直方向平衡3垂直斜面方向受力平衡，支持力N=mgcosθ沿斜面运动沿斜面方向合力决定加速度，考虑摩擦力影响典型题型力的变化与变化5a∝∝∝F tF xF v线性变力位置变力速度变力力随时间线性变化时，加速度也线性变力与位移成正比时，如弹簧恢复力，物体阻力与速度成正比时，物体先加速后匀化，物体做变加速运动做简谐运动速，最终达到平衡态限制条件下的动力学题绳约束杆约束滑轮约束不可伸长的轻绳连接的物刚性杆既能承受拉力也能定滑轮改变力的方向但不体具有相同的速度和加速承受压力，杆连接的物体改变大小，动滑轮既改变度大小，但方向可能不在杆的方向上加速度相方向又改变大小滑轮系同绳的张力处处相等，同杆可以改变力的方向统中绳子各段张力相等传递力的作用和大小轨道约束物体在轨道上运动时受到轨道的法向约束力，只能沿轨道方向运动圆形轨道提供向心力，直线轨道限制运动方向联立方程题型方法识别物理量建立方程组明确所有未知物理量，包括各对每个物体或系统应用牛顿第物体的加速度、相互作用力、二定律，建立独立的运动方约束力等，确保未知数个数与程同时考虑约束条件，如绳方程个数相等长不变、接触不分离等求解验证解联立方程组，得到各物理量的数值检验结果的物理意义，如力的方向、加速度大小等是否合理规范列式与快速检验列式规范单位检查建立坐标系并标明正方向，力和计算过程中保持单位统一，最终加速度的正负号要与坐标系一结果的单位要正确利用量纲分致方程左边写合外力，右边写析检查公式的正确性，避免低级，保持格式统一清晰计算错误ma极限检查将特殊值代入检验结果合理性如摩擦系数为零时、质量趋于无穷大时、角度为特殊值时的结果是否符合物理直觉典型变式训练通过对基本模型的变式训练，培养学生的应变能力和知识迁移能力从简单的水平面问题扩展到斜面、曲面、变力等复杂情况每种变式都体现了牛顿定律的普适性，帮助学生建立完整的知识网络体系板块总结与小测动力学问题与实验探究小车与砝码利用小车、砝码和滑轮组成基本装置，通过改变拉力和小车质量来验证关系F=ma计时装置使用打点计时器或光电门测量小车运动的时间和位移，计算加速度数值，提高测量精度力的测量用弹簧测力计或通过重物重力间接测量作用力大小，确保力的测量准确可靠数据处理绘制图像和图像，通过图像斜率验证牛顿第二定律的正确a-F a-1/m性动力学实验误差分析摩擦力影响轨道与小车间的摩擦力难以完全消除，会影响净作用力的大小可通过轻微倾斜轨道或选用气垫导轨减小摩擦影响质量系统误差细线质量、滑轮质量通常被忽略，造成系统误差应选择质量可忽略的轻质材料，或在计算中考虑这些质量的影响测量随机误差时间、距离测量存在读数误差和操作误差多次测量取平均值，使用精度更高的测量仪器可以减小随机误差计算误差处理在数据处理过程中注意有效数字的保留，合理估算误差范围通过图像法处理数据可以减小单次测量误差的影响生活中的牛顿定律应用汽车制动设计摩天轮安全原理防抱死制动系统基于牛顿定律原理设计当车轮即将抱死摩天轮设计必须考虑乘客在各个位置的受力情况在最高点时，ABS时，系统自动减小制动力，保持车轮与地面间的滑动摩擦，避免重力和座椅支持力都向下，提供向心力；在最低点时，支持力向失控最大制动力受轮胎与地面间的最大静摩擦力限制上，重力向下，合力向上提供向心力现代汽车还配备电子稳定程序，通过单独控制各车轮制动设计师需要确保在任何位置，座椅对乘客的支持力都不小于零，ESP力，产生回正力矩，帮助驾驶员保持车辆稳定这些系统都是牛避免乘客失重脱离座椅同时要保证结构强度能承受最大载顿定律在现代科技中的典型应用荷，体现了安全设计中的力学原理牛顿定律与体育运动跳远运动分析运动员助跑获得水平初速度，起跳时地面给脚向上和向前的作用力腾空过程中只受重力作用，做抛物线运动落地时需要前伸双腿，增大着陆距离篮球投射分析篮球离手后做斜抛运动，只受重力作用最佳投篮角度约为45°稍大，考虑了篮筐高度和球的入筐角度空气阻力会略微改变轨迹形状游泳推进原理游泳时手掌向后推水，水对手掌产生向前的反作用力推动身体前进腿部打水提供额外推进力和保持身体平衡，体现了牛顿第三定律交通安全与动力学车身吸能设计气囊工作原理现代汽车车身采用溃缩吸能设计，碰撞时前安全带保护机制碰撞发生时气囊瞬间充气，为乘客提供缓后车身变形吸收冲击能量，保护乘员舱完车辆急刹车时，安全带对人体施加向后的拉冲气囊增大了接触面积，延长了碰撞时整这种设计基于能量转换原理，将动能转力，减小人体向前的加速度安全带将撞击间，显著减小了人体受到的平均撞击力气化为车身塑性变形能，减小对人体的伤害力分散到较大面积，延长作用时间，根据动囊表面的小孔设计使其在撞击后缓慢放气，量定理减小平均冲击力，保护乘客安全避免反弹伤害工程机械中的牛顿定律输送带动力挖掘机工作输送带运输物体时，摩擦力提供挖掘机工作时，液压缸提供动物体加速的动力带速恒定时物力，铲斗对土壤施加作用力同体与带同速运动，摩擦力为零时土壤对铲斗产生反作用力，需设计时需考虑最大载重和启动过要履带提供足够的支撑和稳定起重机平衡桥梁承载程性塔式起重机利用配重保持整体平桥梁设计必须考虑静载和动载的衡，起重臂、配重臂形成力矩平作用车辆通过时产生的动态载衡起吊重物时需要考虑动态平荷比静态重量更大，设计时需要衡，防止整机倾覆足够的安全系数确保结构稳定力学建模思维提升抽象化能力将复杂现实问题简化为理想模型模型建立选择合适的物理模型和数学工具假设验证3通过实验或计算验证模型准确性实际应用将理论结果应用于解决实际问题力学建模是物理思维的重要体现，需要具备抽象思维、逻辑推理和数学应用能力从简单的质点模型到复杂的多体系统，建模思维帮助我们理解自然现象的本质规律。