【高中物理课件】力学中的牛顿定律问题课件

牛顿定律问题专题课件本课件将深入探讨高中力学中最重要的核心内容牛顿三大定律——我们将从基础概念入手，通过大量经典例题和实际应用案例，帮助同学们彻底掌握力学基本规律力与运动基础回顾运动状态分析受力分析方法物体的运动状态包括静止、受力分析是解决力学问题匀速直线运动和变速运动的关键步骤需要明确研三种基本形式判断运动究对象，找出所有作用在状态需要选择合适的参考物体上的力，包括重力、系，通常以地面为参考系弹力、摩擦力等各种性质进行分析的力运动状态判定物体受力示意图确定研究对象明确要分析的物体，将其从周围环境中分离出来，作为独立的研究对象进行受力分析寻找接触物体找出与研究对象直接接触的所有物体，这些接触物体可能对研究对象产生弹力或摩擦力等接触力分析各种性质力依次分析重力、弹力、摩擦力等各种性质的力，确定力的大小、方向和作用点绘制受力图用有向线段表示各个力，线段长度表示力的大小，箭头方向表示力的方向，形成完整的受力示意图牛顿第一定律惯性定律引入——伽利略斜面实验伽利略通过精心设计的斜面实验，发现物体在光滑表面上运动时，阻力越小，运动距离越远，为牛顿第一定律奠定了实验基础牛顿总结规律牛顿在前人研究基础上，总结出了惯性定律，揭示了物体运动的本质规律，推翻了亚里士多德关于力是维持运动原因的错误观点现代应用实例汽车急刹车时乘客向前倾倒、火车启动时乘客向后倾倒等现象，都是惯性在日常生活中的典型体现，充分验证了牛顿第一定律的正确性牛顿第一定律内容与表达定律内容表述受力与运动关系一切物体总保持匀速直线运牛顿第一定律明确了力与运动状态或静止状态，直到有动的关系力不是维持物体外力迫使它改变这种状态为运动的原因，而是改变物体止这个定律揭示了物体具运动状态的原因没有外力有保持原有运动状态的性质，作用时，物体将保持原有的称为惯性运动状态不变适用条件说明牛顿第一定律适用于惯性参考系，通常以地面为参考系在非惯性参考系中，该定律可能不成立，需要引入惯性力进行修正惯性大小与质量关系质量与惯性电梯失重问题质量是物体惯性大小的量度质量越大的物体，惯性越大，电梯加速下降或减速上升时，人会感到失重，但实际上改变其运动状态所需的力也越大这是质量的重要物理意人的质量和惯性并没有改变，只是所受支持力发生了变化义之一在相同外力作用下，质量大的物体加速度小，质量小的物这个现象说明惯性是物体的固有属性，不会因为所处环境体加速度大，充分体现了质量对物体运动状态改变的阻碍的改变而改变，只与物体自身的质量有关作用关于惯性的典型误区惯性不是力惯性是物体的属性，不是力不能说由于惯性的作用或受到惯性力，应该说由于物体具有惯性惯性只有大小，没有方向，不能用力的单位来衡量运动不需要力维持物体的匀速直线运动不需要力来维持，这是牛顿第一定律的核心观点力是改变物体运动状态的原因，而不是维持运动的原因停止推力后物体继续运动是惯性的体现惯性与速度无关物体的惯性大小只与质量有关，与速度大小无关高速运动的物体和静止的物体，如果质量相同，惯性就相同不能说速度大惯性大牛顿第一定律例题解析例题一汽车刹车问题汽车在水平路面上以的速度匀速行驶，司机发现前方有障碍物20m/s后立即刹车分析汽车刹车后的运动状态变化，并解释其物理原理根据牛顿第一定律，汽车原本保持匀速直线运动状态受力分析过程刹车前汽车受到牵引力、阻力、重力和支持力作用，合外力为零刹车后牵引力消失，摩擦阻力成为合外力，迫使汽车改变运动状态，速度逐渐减小直至停止物理规律应用这个过程完美体现了牛顿第一定律的核心思想物体总是保持原有运动状态，直到外力迫使其改变刹车力就是改变汽车运动状态的外力，验证了力是改变运动状态的原因牛顿第二定律简介基本方程式定量关系，其中表示合外力，表示物建立了受力、质量、加速度之间的精确F=ma Fm体质量，表示加速度数学关系a计算应用矢量性质可以通过已知量计算未知的力、质量或力和加速度都是矢量，方向相同，大小加速度成正比牛顿第二定律的适用条件质量恒定条件惯性参考系要求牛顿第二定律适用于质量定律只在惯性参考系中成不变的物体对于质量随立地面通常可视为惯性时间变化的系统，如火箭参考系，而加速运动的电发射过程中燃料消耗导致梯、转弯的汽车等都是非质量减少，需要使用动量惯性参考系，在其中使用定理进行分析该定律需要引入惯性力修正宏观低速范围适用于宏观物体的低速运动对于高速运动（接近光速）需要用相对论力学，对于微观粒子需要用量子力学在中学物理范围内，这些修正通常可以忽略牛顿第二定律的推导与物理意义物理本质揭示力与运动变化的因果关系量纲统一力的单位牛顿定义为kg·m/s²比例关系加速度与合外力成正比，与质量成反比数学表达建立了力学问题的基本方程受力分析的核心步骤明确研究对象从复杂系统中分离出要研究的物体绘制受力图画出所有作用在物体上的力建立坐标系选择合适的坐标系分解各力列动力学方程根据牛顿第二定律列出方程组牛顿第二定律的典型应用1问题描述解题过程质量为的小球放在倾角为的光滑斜面上，求小球沿小球受到重力和斜面支持力建立沿斜面向下为轴2kg30°mg Nx斜面下滑的加速度这是牛顿第二定律在倾斜平面上的典正方向的坐标系，重力沿斜面分量为，垂直斜面分mgsinθ型应用量为mgcosθ解题关键是正确进行受力分析，建立适当的坐标系，将重由牛顿第二定律，解得mgsinθ=ma a=gsinθ=力分解为沿斜面和垂直斜面的两个分量支持力10×sin30°=5m/s²N=mgcosθ牛顿第二定律的典型应用2系统分析受力分析滑块通过轻绳与砝码相连，砝码下分别对滑块和砝码进行受力分析，垂分析整个系统的运动特点，确画出各自的受力图定约束条件方程求解约束关系4建立动力学方程组，联立求解系统由于绳子不可伸长，滑块和砝码的的加速度和绳中张力加速度大小相等动力学三类模型案例归纳12单物体模型连接体模型一个物体受多个力作用的问题分两个或多个物体通过绳、杆等连析接的系统3相互作用模型物体间通过接触或场力相互作用的问题阻力、摩擦力分析摩擦力类型产生条件大小计算方向特点静摩擦力有接触、有与相对运动0≤f≤μNₛ挤压、有相趋势方向相对运动趋势反滑动摩擦力有接触、有与相对运动f=μNₖ挤压、有相方向相反对运动滚动摩擦力物体在表面与滚动方向f=μᵣN上滚动相反摩擦力问题典型题问题设置汽车启动时后轮是否打滑的判定受力分析分析轮胎与地面间的摩擦力临界判断比较所需摩擦力与最大静摩擦力结果判定确定轮胎是静摩擦还是滑动摩擦变力分析与动态受力图弹簧弹力变化弹簧的弹力随压缩或拉伸长度变化，遵循胡克定律F=在振子运动过程中，弹力大小和方向都在不断变化，kx需要进行动态分析位移与力的关系当振子偏离平衡位置时，弹力总是指向平衡位置，力的大小与位移成正比这种回复力是简谐运动的根本原因，体现了变力的重要特征动态过程分析通过绘制不同时刻的受力图，可以清楚地看到力的变化规律这种动态分析方法对于理解复杂的变力问题具有重要意义牛顿第二定律经典误区学生在应用牛顿第二定律时常出现的误区主要包括认为加速度为零时物体一定静止，实际上匀速直线运动时加速度也为零；误认为多个物体必须具有相同的加速度，忽略了约束条件的分析另一个常见错误是混淆力与运动的关系，认为有力就有运动，或者运动方向与合外力方向一致正确理解是合外力决定加速度方向，而速度方向可能与加速度方向不同牛顿第三定律介绍相互作用大小相等方向相反两个物体之间的作用作用力与反作用力的作用力与反作用力的是相互的，当物体大小始终相等，无论方向总是相反的，它A对物体施加力时，物体的大小、质量如们沿着同一直线但指B物体同时对物体施何不同例如，人推向相反这个特性使B A加大小相等、方向相墙的力和墙对人的反得作用力与反作用力反的力这种相互作作用力大小相等，尽永远不会相互抵消，用是同时发生的，不管墙的质量远大于人因为它们作用在不同分先后的质量的物体上作用力与反作用力判定法则同时性特征同性质特征作用力与反作用力同时产生，作用力与反作用力具有相同同时变化，同时消失它们的性质如果作用力是弹力，是同一相互作用的两个方面，反作用力也是弹力；如果作不存在时间上的先后关系用力是摩擦力，反作用力也当相互作用发生改变时，两是摩擦力它们都属于同一个力会同步发生变化种类型的相互作用作用对象不同作用力与反作用力分别作用在相互作用的两个物体上，永远不会作用在同一个物体上正因为如此，它们不会相互抵消，不能用于平衡条件的分析相互作用典型案例手推墙壁实例当人用力推墙时，墙对人也施加了大小相等、方向相反的力人感到手掌受到压力，就是墙对手的反作用力如果墙足够牢固，人可能会被这个反作用力推得后退气球反冲现象充气气球放开口后向前飞行，是因为气球对喷出气体施加向后的力，根据牛顿第三定律，气体对气球施加向前的反作用力，推动气球前进火箭升空原理火箭发动机喷射高速气体，火箭对气体施加向下的巨大推力，气体对火箭施加向上的反作用力，这个反作用力克服重力使火箭升空，体现了牛顿第三定律在航天技术中的应用作用力与反作用力易混案例平衡力特征作用反作用力特征平衡力是作用在同一个物体上的两个力，大小相等、方向作用力与反作用力分别作用在相互作用的两个不同物体上，相反、作用在同一直线上它们可以相互抵消，使物体处它们不能相互抵消，不影响各自物体的运动状态分析于平衡状态例如，桌面上的书受到的重力和支持力就是一对平衡力，例如，书对桌面的压力和桌面对书的支持力是一对作用力它们都作用在书这个物体上，使书保持静止状态与反作用力，分别作用在桌面和书上，不能用于分析书的平衡受力分析与自由体图剥离对象将研究对象从周围环境中分离出来静化问题在某一瞬间分析物体的受力状态画力箭头用有向线段表示所有作用力检查完整确保所有力都已标出且符合物理规律牛顿第三定律例题讲解问题描述两本书A、B叠放在桌面上，A在上，B在下分析各个物体间的作用力与反作用力关系，并说明每个力的作用对象受力分析书A受到重力、书B对A的支持力；书B受到重力、书A对B的压力、桌面对B的支持力；桌面受到书B对桌面的压力作用反作用关系书A对B的压力与书B对A的支持力是一对作用力与反作用力；书B对桌面的压力与桌面对B的支持力也是一对作用力与反作用力验证规律每对作用力与反作用力都满足大小相等、方向相反、作用在不同物体上的特点，完美验证了牛顿第三定律的正确性力学综合题三步法对象分割受力归集明确研究对象，必要时进行系统分分析所有作用力，绘制完整受力图割数学求解牛顿建模3联立方程组，求解物理量根据牛顿定律建立动力学方程多物体系统动力学建模整体法分析将整个系统作为一个整体进行受力分析，忽略内力，只考虑外力对系统的作用适用于求解系统的整体加速度隔离法分析将系统中的各个物体逐一隔离，分别进行受力分析可以求解系统内部的相互作用力，如绳中张力、接触面间的正压力等组合应用对于复杂系统，通常需要整体法和隔离法相结合先用整体法求解系统的运动规律，再用隔离法分析内部相互作用连接体系统经典例题系统描述滑块通过轻绳与小车连接的复合系统分析对象隔离2分别对滑块和小车进行受力分析约束关系建立几何约束和运动学约束条件方程联立根据牛顿第二定律列出方程组求解难点突破变加速度运动电梯启停分析火车启动过程电梯启动时向上加速，乘火车启动时牵引力逐渐增客受到的支持力大于重力，大，但阻力基本不变，导产生超重感觉停止时向致合外力变化，加速度也上减速，支持力小于重力，随之变化需要考虑力随产生失重感觉加速度方时间或速度的变化规律，向决定了超重或失重现象应用微分形式的牛顿第二定律解决策略对于变力问题，可以分段处理，在每个小时间段内近似认为力恒定也可以建立力与时间或位置的函数关系，利用微积分方法求解运动规律力学实验一验证牛顿第二定律实验装置数据处理误差分析使用气垫导轨、小车、记录不同拉力下的加主要误差来源包括摩砝码、光电门等器材，速度，绘制图像，擦力、空气阻力、绳a-F通过改变拉力和小车验证正比关系记录重、滑轮摩擦等可质量来验证关不同质量下的加速度，通过平衡摩擦力、选F=ma系气垫导轨可以有绘制图像，验用轻质绳、使用优质a-1/m效减小摩擦力的影响，证反比关系通过线滑轮等方法减小误差，提高实验精度性拟合验证理论关系提高实验准确性力学实验二摩擦力测定静摩擦系数测定弹簧秤拉动法使用倾斜法，逐渐增大斜面倾角直用弹簧秤水平拉动物体，读取刚要到物体刚好开始滑动，此时tanθ=拉动时的示数，即为最大静摩擦力μₛ数据分析滑动摩擦系数多次测量求平均值，分析误差来源，物体匀速滑动时，拉力等于滑动摩比较不同材料的摩擦特性擦力，μ=f/Nₖ力学实验三作用力与反作用力演示双弹簧秤实验用两个相同的弹簧测力计相互拉伸，观察两个测力计的示数实验表明，无论怎样用力，两个测力计的示数始终相等，验证了作用力与反作用力大小相等的规律数据记录分析改变拉力大小，记录各种情况下两个测力计的示数制作数据表格，计算误差，分析产生误差的原因通过多组数据验证牛顿第三定律的普遍性实验改进可以将一个测力计固定在墙上，用另一个测力计拉它，观察两者示数关系也可以使用压力传感器代替弹簧秤，提高测量精度和数据可靠性实际应用案例交通安全1安全带与惯性防抱死系统ABS汽车急刹车时，车身迅速减速，但乘客由于惯性仍要保持系统通过控制刹车力的大小，防止车轮完全抱死保ABS原来的运动状态继续向前运动安全带提供向后的约束力，持车轮在滑动摩擦和静摩擦之间的临界状态，最大化制动迫使乘客与车身一起减速摩擦力安全带的设计考虑了人体的承受能力，通过适当的弹性和当检测到车轮即将抱死时，系统会快速减小制动力，让车缓冲装置，在提供必要约束力的同时减少对人体的伤害轮重新转动，然后再次施加制动力这种快速循环确保了最大的制动效果和方向控制能力实际应用案例航天与牛顿第三定律2火箭推进原理水火箭实验喷水枪反冲火箭发动机燃烧燃料产生高温高压气体，水火箭通过压缩空气将水向下喷射，水对使用高压水枪时，水向前高速喷出，水枪气体以极高速度从喷口向下喷出根据牛火箭产生向上的反作用力推动火箭上升会产生向后的反冲力消防员使用水枪时顿第三定律，火箭对气体施加向下的推这个简单实验完美演示了反冲原理，是牛需要用力握紧，就是为了克服这个反冲力，气体对火箭施加向上的反作用力顿第三定律的经典应用力，体现了牛顿第三定律在日常生活中的应用高频考点归纳受力与加速度方向关系1加速度方向判定曲线运动分析制动减速问题物体的加速度方向始终与其所当合外力方向与速度方向不在汽车刹车时，摩擦力向后，加受合外力方向相同，这是牛顿同一直线上时，物体做曲线运速度向后，但速度仍向前这第二定律的直接体现加速度动此时可将加速度分解为切说明加速度与速度方向相反时，与速度方向可能相同、相反或向分量和法向分量，分别改变物体做减速运动，速度大小逐成任意角度，关键在于合外力速度的大小和方向渐减小直至为零的方向高频考点归纳受力平衡与临界2条件即将滑动状态物体即将滑动时，静摩擦力达到最大值，此时静摩擦力等于最大静摩擦力这是静摩擦和滑动摩擦的临界状态，是解决摩擦力问题的关键判据刚好静止条件物体刚好保持静止时，所受合外力为零，各力相互平衡这种状态下的受力分析要考虑所有可能的力，特别注意静摩擦力的方向和大小极限加速度在给定条件下，物体能够达到的最大加速度通常由某个力的极限值决定例如，汽车最大加速度受轮胎与地面间最大摩擦力限制高频考点归纳牛顿第三定律与受力平衡3显著易错点归纳惯性概念误区受力分析遗漏错误认为惯性是一种力，或常见错误包括忘记分析重力、者认为物体静止时没有惯性混淆接触力和非接触力、重正确理解是惯性是物体的固复计算同一个力正确方法有属性，与运动状态无关，是按照力的性质逐一分析，只与质量有关高速运动和确保每个力都有明确的施力静止的物体惯性大小只取决物体和受力物体于质量平衡条件误用将非平衡状态误认为平衡状态，或者在平衡分析中遗漏某些力要注意区分静止、匀速直线运动（平衡态）和变速运动（非平衡态）的不同受力特点压轴题突破方法一问题核心识别找出题目的关键物理过程和约束条件系统分解将复杂系统分解为若干简单的子系统关系建立找出各子系统间的相互作用和约束关系逐步求解从简单到复杂，逐步求解各物理量压轴题突破方法二建立作用链识别系统中各物体间的相互作用关系检查闭合性确保所有作用力都有对应的反作用力验证一致性检查受力分析的逻辑一致性和物理合理性近三年高考真题回放20222023北京卷广东卷连接体系统动力学问题，考查整变力作用下的运动分析，结合图体法和隔离法的综合应用像信息求解加速度变化2024江苏卷摩擦力临界问题，考查静摩擦力和滑动摩擦力的转换条件素养提升解题策略与思维训练图像信息提取文字信息转化学会从图、图、图中提取关F-t v-t a-t将题目文字描述转化为物理模型，键信息，理解图像斜率、面积的物识别关键词汇的物理含义理意义数学公式应用图形模型建立4熟练运用牛顿定律公式，建立准确绘制受力图、运动示意图，将抽象的数学模型进行求解问题具体化、可视化探究实验专项讲解提出科学假设基于观察到的现象，运用已有知识提出合理的科学假设假设应该具有可检验性，能够通过实验验证或推翻设计对照实验确定实验中的自变量、因变量和控制变量通过控制变量法，确保实验结果的可靠性和科学性，避免其他因素的干扰数据收集分析制定详细的数据收集方案，包括测量工具选择、测量次数确定、数据记录方法等运用统计方法分析数据，得出科学结论结论评估改进评估实验结果的可靠性，分析误差来源，提出改进方案将实验结论与理论预期进行比较，验证或修正原有假设牛顿定律与能量守恒动力学过程分析能量观点应用牛顿第二定律描述了力与加速度的瞬时关系，适用于分析动能定理将力对物体做功与动能变化联系起来，为解决复物体在任意时刻的运动状态通过积分可以得到速度和位杂运动问题提供了新的途径特别适用于分析整个运动过移随时间的变化规律程的能量转换在变力作用下，需要建立或的函数关系，利用微积机械能守恒定律在只有重力或弹力做功的情况下成立，可Ft Fx分方法求解运动方程，得到完整的运动描述以快速求解问题而无需分析具体的运动细节能量方法与牛顿定律相辅相成。