【高中物理课件】力学中的牛顿运动定律课件

高中物理课件力学中的牛顿运动定律本课件共张幻灯片，专为高中物理必修课程设计内容全面涵盖牛顿三大50运动定律的基本概念、物理意义以及实际应用课程目标1理解牛顿三大运动定律2掌握数学表达式应用深入掌握牛顿第

一、第

二、第三运动定律的核心内容和深熟练运用牛顿第二定律的数学表达式，理解各物理F=ma层物理意义，建立正确的力学概念框架量的单位制换算关系和计算方法3解决实际物理问题掌握国际单位制能够运用牛顿运动定律分析和解决日常生活中的实际力学问题，培养科学思维能力力学研究的基本问题力学的定义研究对象力学是物理学的重要分支，专门力学研究的核心对象是物体的机研究物体机械运动规律及其与力械运动，包括平动、转动以及复的关系的科学它为理解自然界合运动形式，涵盖从宏观到微观运动现象提供理论基础的各种运动现象核心问题力学研究主要解决两大核心问题如何准确描述物体的运动状态和运动过程，以及如何科学解释运动产生的根本原因第一章牛顿第一运动定律惯性定律的地位理论意义牛顿第一运动定律又称惯性定律，是整个牛顿力学体系的理论惯性定律确立了惯性参考系的概念，为整个经典力学提供了基本基石它不仅揭示了物体运动的基本性质，更为理解其他运动定的时空框架在惯性参考系中，所有的物理定律都具有相同的形律提供了重要的概念基础式这个定律的建立标志着人类对运动本质认识的重大飞跃，彻底推它揭示了力不是维持运动的原因，而是改变运动状态的原因，这翻了古代有力才有运动的错误观念一认识具有深远的科学意义和哲学价值牛顿第一运动定律的内容静止状态保持当物体处于静止状态且没有受到外力作用时，物体将永远保持静止状态，不会自发地开始运动匀速直线运动保持当物体以某一速度做匀速直线运动且没有受到外力作用时，物体将永远保持这种匀速直线运动状态外力改变运动状态只有在外力作用下，物体的运动状态才会发生改变，包括速度大小的改变和运动方向的改变惯性的定义物体保持原有运动状态的性质称为惯性，所有物体都具有这种基本属性，惯性是物质的固有属性惯性的实例急刹车现象抽纸实验跳水运动员当汽车突然刹车时，乘客的身体由于惯性魔术师将纸张快速从硬币下方抽出，硬币跳水运动员离开跳板后，在空中基本保持继续保持原来的运动状态，因此会向前倾由于惯性保持静止状态这个实验生动地离开跳板时的姿态和旋转状态这是因为斜这是惯性在日常生活中最常见的表说明了物体具有保持原有运动状态的性在忽略空气阻力的情况下，运动员在空中现安全带的作用就是提供外力来改变乘质，只有足够大的外力才能显著改变物体没有受到显著的外力作用，因此保持原有客的运动状态的运动状态的运动状态惯性参考系惯性参考系定义地球近似惯性系在惯性参考系中，牛顿第一运动定律严对于地面上的大多数力学问题，地球可格成立相对于遥远恒星静止或匀速直以近似看作惯性参考系虽然地球存在线运动的参考系可视为惯性参考系自转和公转，但其影响通常很小参考系选择原则非惯性参考系选择合适的参考系可以大大简化问题的在加速运动的参考系中，需要引入惯性分析通常选择使问题描述最简单的参力才能使牛顿定律形式上成立如在加考系作为研究的基准速的电梯中分析物体运动力和运动的关系探究加速度与外力关系通过控制变量实验发现，在质量一定的条件下，物体的加速度与所受的合外力成正比外力越大，加速度越大，且比例关系严格成立加速度与质量关系在合外力一定的条件下，物体的加速度与其质量成反比质量越大的物体，在相同外力作用下获得的加速度越小，表现出更强的惯性实验到定律的推导通过大量精确的实验数据分析，科学家们建立了力、质量和加速度之间的定量关系，最终形成了牛顿第二运动定律的数学表达式牛顿第一定律的历史发展亚里士多德观点古希腊哲学家亚里士多德认为有力才有运动，这个错误观点统治了人类思想近两千年，严重阻碍了力学的发展伽利略的贡献意大利科学家伽利略通过斜面实验和思想实验，首次提出了惯性的概念，为牛顿第一定律的建立奠定了重要基础牛顿的总结牛顿在总结前人工作的基础上，精确表述了第一运动定律，并将其作为整个力学体系的基础，实现了物理学的重大突破第二章牛顿第二运动定律核心定律地位牛顿第二运动定律是整个牛顿力学的核心和精髓定量关系建立了力、质量、加速度之间的精确数学关系应用基础为解决各种力学问题提供了基本的理论工具牛顿第二运动定律也被称为加速度定律，它不仅揭示了力与运动的定量关系，更是解决复杂力学问题的重要工具这个定律的建立标志着物理学从定性描述向定量分析的重大转变，为现代科学技术的发展提供了坚实的理论基础牛顿第二运动定律的内容正比关系反比关系物体加速度的大小与所受合外物体的加速度与其质量成反力的大小成正比当合外力增比质量越大的物体，在相同大时，物体获得的加速度也相外力作用下获得的加速度越应增大，两者之间存在严格的小，体现了质量对运动状态改线性关系变的阻碍作用方向一致性加速度的方向与合外力的方向始终保持一致无论力如何变化，加速度总是沿着合外力的方向产生，这体现了力作为矢量的方向性特征牛顿第二定律的数学表达式比例式表达最初的比例式为，其中为比例系数这个系数的大小取决于F=kma k所选择的单位制，体现了物理量之间的本质关系国际单位制形式在国际单位制中，通过合理定义力的单位，使得比例系数，因此k=1得到简洁的表达式F=ma物理量含义表示物体所受的合外力，表示物体的质量，表示物体的加速度F m a三个量都是矢量或标量，具有明确的物理意义适用条件该公式适用于质量不变的物体在惯性参考系中的运动，是解决经典力学问题的基本工具力的单位国际单位制牛顿的定义单位换算关系在国际单位制中，力的单牛顿定义为使质量为根据的关系，可得11F=ma位是牛顿，符号为这千克的物体产生米每二次这个换N11N=1kg·m/s²是为了纪念伟大的物理学方秒的加速度所需要的力算关系在解决实际问题时家牛顿而命名的单位，体这个定义建立了力、质量、非常重要，确保了计算结现了他对力学发展的杰出加速度之间的量化关系果的准确性贡献实际应用在日常生活中，一个苹果的重力约为，这为我们1N理解牛顿这个单位的大小提供了直观的感受实验验证牛顿第二定律实验器材实验步骤实验需要准备力传感器、运动传感器、计时器、光滑滑轨、小首先保持小车质量不变，改变拉力大小，测量对应的加速度；然车、砝码等精密仪器现代实验室通常使用数字化传感器，能够后保持拉力不变，改变小车质量，再次测量加速度实时测量和记录数据调节滑轨水平

1.•力传感器测量拉力大小连接传感器系统

2.•运动传感器测量加速度分组测量数据

3.•计算机系统处理数据绘制关系图像

4.力学中的国际单位制物理量基本单位符号定义质量千克国际千克原器kg质量长度米光在真空中传m播距离时间秒铯原子跃迁周s期力牛顿N kg·m/s²功焦耳J N·m功率瓦特W J/s牛顿第二定律的矢量特性力的矢量性加速度矢量性力是矢量，具有大小和方向两个要素加速度也是矢量，与合外力方向一致•力的大小用数值表示•加速度方向指向速度变化方向力的方向决定加速度方向•可以改变速度大小或方向•力的分解合力计算可将力分解为不同方向的分力多个力的合成遵循矢量加法法则正交分解法•平行四边形法则••斜面问题中的应用•三角形法则第三章牛顿第三运动定律作用力与反作用力力的相互性物理意义牛顿第三运动定律揭示了力的相互作力不是单独存在的，总是成对出现这个定律说明了力的产生机制，揭示用本质任何两个物体之间的相互作一个物体对另一个物体施加力的同了物体间相互作用的对称性，为理解用都表现为一对作用力和反作用力，时，必然受到对方等大反向的力，体复杂的力学系统提供了重要的理论基它们总是同时存在，不可分割现了力相互作用的基本规律础牛顿第三运动定律的内容大小相等作用力与反作用力的大小永远相等方向相反两力方向沿同一直线但指向相反作用对象不同分别作用在相互作用的两个物体上同时存在同时产生、同时变化、同时消失牛顿第三定律的实例火箭推进原理火箭向下喷射高速燃气，燃气对火箭产生向上的反作用力，推动火箭升空这是牛顿第三定律在航天技术中的典型应用，展现了作用力与反作用力的威力人行走的原理人行走时脚向后蹬地，地面给脚向前的反作用力推动人前进如果地面很滑，摩擦力不足，就无法获得足够的反作用力，人就会滑倒游泳推水原理游泳时手臂向后推水，水给手臂向前的反作用力推动人体前进游泳速度的快慢取决于推水的力度和频率，体现了反作用力的实际应用作用力与反作用力的特点2成对出现作用力和反作用力总是同时存在，不可能只有其中一个0合力为零虽然大小相等方向相反，但作用在不同物体上，不能抵消1性质相同同为弹力、摩擦力或万有引力等，具有相同的物理本质∞传播瞬时在经典力学中，作用力的变化会瞬时引起反作用力的变化常见的力学模型质点模型刚体模型理想绳模型当物体的形状和大小相对于当需要考虑物体的形状但可绳子质量忽略不计，不可伸所研究的问题可以忽略时，以忽略其形变时，将物体看长，柔软无刚性绳子各处将物体简化为一个有质量的作刚体刚体内任意两点间张力相等，只能产生拉力不几何点这是力学中最基本的距离保持不变，这简化了能产生压力，是连接体问题的理想化模型，广泛应用于复杂物体的运动分析中的重要模型各种运动分析中理想弹簧模型弹簧质量不计，弹性形变遵循胡克定律弹簧可以被压缩或拉伸，提供的弹力与形变量成正比，是研究振动问题的基础模型第四章用牛顿运动定律解决问题一确定研究对象选择参考系明确要分析哪个物体的运动，选择合适通常选择地面作为参考系，建立适当的的力学模型进行简化处理坐标系便于问题分析列方程求解受力分析4根据牛顿第二定律列出方程，代入已知分析物体受到的所有力，画出清晰的受条件求解未知量力图，不遗漏不多添解题基本步骤确定研究对象从复杂的物理情境中选择需要研究的物体，明确其运动特征和约束条件对于连接体问题，要根据需要选择单个物体或整体作为研究对象选择参考系和坐标系选择合适的惯性参考系，建立直角坐标系坐标轴的选择应该使问题描述最简单，通常选择沿运动方向或垂直运动方向受力分析画受力图仔细分析物体受到的所有力，包括重力、弹力、摩擦力等画出准确的受力图，标明力的方向和大小，这是解题的关键步骤建立方程求解根据牛顿第二定律在各个方向上列出方程，结合运动学方程和约束条件，建立完整的方程组，代入数据求解直线运动问题类型水平运动物体在水平面上的运动，需要考虑摩擦力的影响竖直运动物体在重力场中的上下运动，重力是主要作用力斜面运动物体沿斜面的运动，需要分解重力和考虑摩擦范例水平运动1问题描述受力分析解题过程质量为的物体静止在水平面上，受到•重力×，根据牛顿第二定律5kg G=mg=510=50N的水平拉力作用，物体与地面间的竖直向下20N水平方向F-f=ma动摩擦因数为，求物体的加速度

0.2•支持力，竖直向上N=G=50N这是一个典型的水平面运动问题，需要•拉力，水平向右20-10=5aF=20N综合考虑拉力、摩擦力和支持力的作•摩擦力×解得f=μN=

0.250=a=2m/s²用，水平向左10N因此物体的加速度为，方向向2m/s²右范例竖直运动21自由落体运动物体仅受重力作用，从静止开始下落加速度恒为，方向竖直g=

9.8m/s²向下运动方程为，h=½gt²v=gt2竖直上抛运动物体向上抛出后，在重力作用下先减速上升，然后加速下降整个过程加速度恒为，方向竖直向下g3竖直下抛运动物体具有向下的初速度，在重力作用下继续加速下落运动方程为₀h=v t，其中₀为初速度+½gt²v4解题要点竖直运动问题的关键是正确选择坐标方向，通常以向上为正方向，重力加速度，注意符号的正负g=-

9.8m/s²范例电梯问题3电梯静止或匀速运动当电梯静止或匀速运动时，人处于平衡状态，支持力等于重力，视重等于实际重力此时人感受到的重量与平时相同电梯加速上升电梯向上加速时，人需要向上的合力，支持力大于重力根据F=，有，所以，视重增加ma N-mg=ma N=mg+a电梯加速下降电梯向下加速时，合力向下，支持力小于重力有mg-N=，所以，视重减少当时，出现完全失ma N=mg-a a=g重现象第五章用牛顿运动定律解决问题二复杂问题处理多物体、多力、多约束的综合性问题连接体系统通过绳索、杆件等连接的物体组合约束条件连接关系决定的运动约束基础方法隔离法与整体法的综合应用连接体运动运动约束连接方式连接体具有相同的加速度或相关的加速物体通过绳索、轻杆、弹簧等方式连接度•绳索连接只能承受拉力•同一根绳上各点加速度相等•轻杆连接可承受拉力和压力•滑轮两侧绳长变化量相等求解方法内力外力整体法和隔离法的灵活运用区分系统内部力和外部作用力3•整体法求解共同加速度•内力连接物体间的相互作用力•隔离法求解内力大小•外力系统外部施加的力连接体解题步骤系统分析分析每个物体的受力情况，明确哪些是内力，哪些是外力画出各物体的受力图，标明力的方向和可能的大小关系运动约束分析根据连接方式确定各物体间的运动关系如绳子不可伸长，则连接的物体具有相同的速度和加速度大小建立方程组对每个物体或整个系统应用牛顿第二定律，结合约束条件建立方程组方程数应等于未知量数求解验证解方程组得到各物理量的值，检验结果的合理性加速度方向、力的大小等应符合物理实际范例两物体通过轻绳连接系统4问题描述受力分析解题过程质量分别为₁和₂的对₁水平向右受到绳的拉力对₁₁m=2kg m=3kg mT mT=m a两个物体，通过不可伸长的轻绳跨过定对₂竖直向下受重力₂，竖直向对₂₂₂m m g m m g-T=m a滑轮连接₁在水平面上，₂悬挂mm上受绳的拉力T在空中，求系统的加速度和绳中张力联立得₂₁₂m g=m+m a约束条件两物体加速度大小相等，设假设滑轮光滑，绳子质量忽略不计，水₂₁₂a=mg/m+m=为a平面光滑无摩擦×310/2+3=6m/s²₁×T=ma=26=12N范例斜面问题5光滑斜面运动粗糙斜面运动临界角度问题物体在光滑斜面上的运动是经典的力学问在粗糙斜面上，除了重力分解外，还要考当斜面倾角满足时，物体恰好θtanθ=μ题重力沿斜面向下的分力为，提虑摩擦力的影响摩擦力，能在斜面上保持静止这个角度称为摩擦mgsinθf=μmgcosθ供物体下滑的动力垂直斜面的分力方向沿斜面向上合力为角或休止角，是工程设计中的重要参数，mgsinθ-与斜面支持力平衡物体的加速，加速度为广泛应用于土木工程和机械设计中mgcosθμmgcosθa=gsinθ-度为a=gsinθμcosθ摩擦力的处理摩擦力类型产生条件大小计算方向特点静摩擦力物体静止或相与相对运动趋0≤f≤μNₛ对静止势方向相反最大静摩擦力刚好开始滑动沿接触面，阻fₐₓ=μNₘₛ碍运动滑动摩擦力物体相对滑动与相对运动方f=μNₖ向相反第六章力学中的特殊运动圆周运动简谐运动物体沿圆周运动时，需要向心力物体在平衡位置附近做往复运维持其做圆周运动向心力可以动，受到的回复力与位移成正比由重力、弹力、摩擦力等提供，且方向相反单摆、弹簧振子都是圆周运动分析的核心概念是简谐运动的典型例子运动特点这些特殊运动都有其独特的动力学特征和运动规律，需要运用牛顿运动定律进行深入分析，理解力与运动的内在联系圆周运动的力学分析向心力概念向心加速度向心力公式向心力是使物体做圆周运动圆周运动中物体具有向心加根据牛顿第二定律，向心力的合外力，总是指向圆心速度，大小为a=v²/R=F=ma=mv²/R=它不是一种特殊的力，而是，方向始终指向圆心这个公式是分析圆ω²R mω²R根据效果命名的力，可以由即使匀速圆周运动，速度方周运动问题的基础，适用于各种性质的力来提供向在变化，仍有加速度各种圆周运动情况力的来源向心力可以由重力、弹力、摩擦力、电磁力等提供在具体问题中，要分析哪些力或力的分量提供了所需的向心力范例单摆运动6单摆模型理想单摆由不可伸长的轻绳和质点组成受力分析摆球受重力和绳子拉力，合力提供向心力小角度近似小角度时，单摆做简谐运动sinθ≈θ周期公式，周期只与摆长和重力加速度有关T=2π√L/g范例匀速圆周运动7问题分析临界条件工程应用汽车在水平弯道上行驶时，需要向心力汽车能安全过弯的最大速度由向心力等公路设计中，弯道通常设计成外高内低使其做圆周运动这个向心力主要由轮于最大摩擦力决定的倾斜路面，这样重力的分力也能提供胎与地面之间的摩擦力提供部分向心力，提高安全行驶速度高速mv²/R=μmg公路的弯道半径都有严格的设计标准当车速过快时，所需向心力超过最大静解得v=√μgR摩擦力，汽车就会发生侧滑，这就是为什么弯道要限速的物理原因可见安全速度与摩擦系数、重力加速度和弯道半径有关第七章牛顿运动定律的应用实例日常生活应用从走路、开车到使用各种工具，牛顿运动定律在日常生活中无处不在，指导着我们理解和改善生活中的各种运动现象工程技术应用在建筑、交通、机械等工程领域，牛顿运动定律是设计和分析的基础理论，确保工程结构的安全性和功能性航天科技应用火箭发射、卫星轨道、太空探索等高科技领域都建立在牛顿运动定律的基础上，推动人类探索宇宙的步伐生活中的应用实例安全带的作用原理汽车急刹车时，车身迅速减速，但乘客由于惯性继续保持原有运动状态安全带提供向后的拉力，使乘客与车身一起减速，避免撞击前方物体这是牛顿第一定律在安全防护中的重要应用离心甩干机原理洗衣机甩干时高速旋转，衣物和水珠都需要向心力维持圆周运动但水珠质量小，与衣物间的作用力不足以提供所需向心力，因此水珠沿切线方向飞出，实现脱水甩干的效果过山车设计考量过山车轨道设计必须确保在任何位置，乘客受到的合力都能提供所需的向心力在轨道最高点，重力和座椅压力的合力要足够大，在最低点要考虑乘客能承受的最大过载。