[体系构建]
[核心速填]
1.第一定律
(1)内容:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态.
(2)意义:力是改变物体运动状态的原因.
(3)惯性:质量是物体惯性大小的量度.
2.第二定律
(1)内容:物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比,跟它的质量成反比,加速度的方向跟作用力的方向相同.
(2)公式:F=ma.
3.第三定律
(1)内容: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.
(2)表达式:F=-F′.
4.共点力作用下物体的平衡
条件:F合=0.
5.超重和失重
(1)超重:a的方向向上.
(2)失重:a的方向向下.
1.分解法或合成法:对于三力平衡问题,可以将其中任意一个力沿其他两个力的反方向分解,这样把三力平衡问题转化为两个方向上的二力平衡问题,则每个方向上的一对力大小相等、方向相反;也可以将三个力中的任意两个力合成为一个力,则其合力与第三个力平衡,把三力平衡转化为二力平衡问题.
2.正交分解法:物体受到三个或三个以上力的作用处于平衡状态时,常用正交分解法,列平衡方程求解:Fx合=0,Fy合=0.为方便计算,建立坐标系时以使尽可能多的力落在坐标轴上为原则.
3.三力汇交原理:物体受三个共面且非平行力作用而平衡时,这三个力必为共点力.
4.正弦定理法:三力平衡时,三力合力为零,表示三个力的有向线段可构成一个封闭三角形,如图所示,则有:==.
5.相似三角形法:物体受到三个共点力的作用而处于平衡状态,画出其中任意两个力的合力与第三个力等值反向的平行四边形中,可能有力三角形与题设图中的几何三角形相似,进而得到力的三角形与几何三角形对应边成比例,根据比值便可计算出未知力的大小与方向.
6.图解法
(1)图解法:对研究对象进行受力分析,再根据平行四边形定则或三角形定则画出不同状态下力的矢量图(画在同一个图中),然后根据有向线段(表示力)的长度变化情况判断各个力的变化情况.
(2)图解法主要用来解决三力作用下的动态平衡问题.
所谓动态平衡问题就是通过控制某一物理量,使物体的状态发生缓慢变化,从宏观上看,物体是运动的,但从微观上理解,物体是平衡的,即任一时刻物体均处于平衡状态.
(3)利用图解法解题的条件
①物体受三个力的作用而处于平衡状态.
②一个力不变,另一个力的方向不变或大小不变,第三个力的大小、方向均变化.
【例1】 如图所示,一小球在斜面上处于静止状态,不考虑一切摩擦,如果把竖直挡板由竖直位置缓慢绕O点转至水平位置,则此过程中球对挡板的压力F1和球对斜面的压力F2的变化情况是( )
A.F1先增大后减小,F2一直减小
B.F1先减小后增大,F2一直减小
C.F1和F2都一直减小
D.F1和F2都一直增大
B [小球受力如图甲所示,因挡板是缓慢转动,所以小球处于动态平衡状态,在转动过程中,此三力(重力、斜面支持力、挡板弹力)组成矢量三角形的变化情况如图乙所示(重力大小方向均不变,斜面对其支持力方向始终不变),由图可知此过程中斜面对小球的支持力不断减小,挡板对小球弹力先减小后增大,再由牛顿第三定律知B对.
]
[一语通关]
解决动态平衡类问题常用图解法,图解法就是在对物体进行受力分析?一般受三个力?的基础上,若满足有一个力大小、方向均不变.另有一个力方向不变时,可画出这三个力的封闭矢量三角形来分析力的变化情况的方法,图解法也常用于求极值问题.
1.如图所示,不计重力的轻杆OP能以O点为圆心在竖直平面内自由转动,P端用轻绳PB挂一重物,而另一根轻绳通过滑轮系住P端.在力F的作用下,当杆OP和竖直方向的夹角α(0<α<π)缓慢增大时,力F的大小应( )
A.恒定不变 B.逐渐增大
C.逐渐减小 D.先增大后减小
B [由三角形相似得:=,F=mg,α逐渐增大,即PQ增大,由上式知F逐渐增大,B正确.]
牛顿运动定律在临界和极值问题中的应用
在某些物理情景中,物体运动状态变化的过程中,由于条件的变化,会出现两种状态的衔接,两种现象的分界,同时使某个物理量在特定状态时,具有最大值或最小值.这类问题称为临界、极值问题.
临界、极值问题是动力学中的常见问题,常用的解决方法有:
(1)极限法:在题目中如出现“最大”“最小”“刚好”等词语时,一般隐含着临界问题,处理这类问题时,可把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)显现出来,达到快速求解的目的.
(2)假设法:有些物理过程中没有明显出现临界状态的线索,但在变化过程中有可能出现临界状态,也可能不出现临界状态.解答这类问题,一般用假设法.
(3)数学方法:将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式求解得出临界条件.
【例2】 一个质量为m的小球B,用两根等长的细绳1、2分别固定在车厢的A、C两点,如图所示,已知两绳拉直时,两绳与车厢前壁的夹角均为45°.试求:
(1)当车以加速度a1=g向左做匀加速直线运动时1、2两绳的拉力的大小;
(2)当车以加速度a2=2g向左做匀加速直线运动时,1、2两绳的拉力的大小.
思路点拨:①细绳1一定处于张紧状态,细绳2是否张紧,与车的加速度大小有关.
②当细绳2处于张紧状态时,细绳1、2与竖直方向的夹角均为45°,不随加速度的增大而改变.
[解析] 设当细绳2刚好拉直而无张力时,车的加速度为向左的a0,由牛顿第二定律得,F1cos 45°=mg,
F1sin 45°=ma0,可得:a0=g.
(1)因a1=g
(2)因a2=2g>a0,故细绳1、2均张紧,设拉力分别为F12、F22,
由牛顿第二定律得
解得F12=mg,F22=mg.
[答案] (1)mg 0 (2)mg mg
[一语通关]
求解此类问题时,一定要找准临界点,从临界点入手分析物体的受力情况和运动情况,看哪些量达到了极值,然后对临界状态应用牛顿第二定律结合整体法、隔离法求解即可.
2.如图所示,一质量m=0.4 kg的小物块,以v0=2 m/s的初速度,在与斜面成某一夹角的拉力F作用下,沿斜面向上做匀加速运动,经t=2 s的时间物块由A点运动到B点,A、B之间的距离L=10 m.已知斜面倾角θ=30°,物块与斜面之间的动摩擦因数μ=.重力加速度g取10 m/s2.
(1)求物块加速度的大小及到达B点时速度的大小;
(2)拉力F与斜面夹角多大时,拉力F最小?拉力F的最小值是多少?
[解析] (1)由运动学方程得:L=v0t+at2①
2aL=v-v ②
代入数值解得:
a=3 m/s2,vB=8 m/s. ③
(2)对物块受力分析如图所示,
设拉力F与斜面成α角,在垂直斜面方向,根据平衡条件可得:
Fsin α+FN=mgcos 30° ④
沿斜面方向,由牛顿第二定律可得
Fcos α-mgsin 30°-Ff=ma ⑤
又,Ff=μFN ⑥
联立④⑤⑥三式,代入数值解得:Fcos α+Fsin α=5.2
则F==
=
当α=30°时,拉力F有最小值,且Fmin= N.
[答案] (1)3 m/s2 8 m/s (2)30° N
课件33张PPT。第四章 牛顿运动定律章末复习课质量匀速直线运动静止物体运动状态F=-F′正比反比作用力F=ma方向相反同一条直线上大小相等 向下F合=0向上求解共点力平衡问题的常用方法牛顿运动定律在临界和极值问题中的应用Thank you for watching !章末综合测评(四)
(时间:90分钟 分值:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题4分,共40分.在每小题给出的四个选项中,第1~6题只有一项符合题目要求,第7~10题有多项符合题目要求.全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
1.下面说法正确的是( )
A.物体所受合外力越大,加速度越大
B.物体所受合外力越大,速度越大
C.物体在外力作用下做匀加速直线运动,当合外力逐渐减小时,物体的速度逐渐减小
D.物体的加速度大小不变一定受恒力作用
A [根据牛顿第二定律,物体受的合外力决定了物体的加速度,而加速度大小和速度大小无关,A正确,B错误;物体做匀加速运动说明加速度方向与速度方向一致,当合外力减小但方向不变时,加速度减小但方向也不变,所以物体仍然做加速运动,速度增加,C错误;加速度是矢量,其方向与合外力方向一致,加速度大小不变,若方向发生变化,合外力方向必然变化,D错误.]
2.运动员原地纵跳可分为快速下蹲和蹬伸向上两个过程,若运动员的重力为G,对地面的压力为F,下列叙述正确的是( )
A.下蹲过程的加速阶段,F<G
B.下蹲过程的减速阶段,F<G
C.蹬伸过程的加速阶段,F<G
D.蹬伸过程的减速阶段,F=G
A [下蹲加速阶段,加速度方向向下,根据牛顿第二定律得,mg-N=ma,则N=mg-ma<mg,所以压力F<G,故A正确;下蹲过程减速阶段,加速度方向向上,根据牛顿第二定律得,N-mg=ma,则N=mg+ma>mg,所以压力F>G,故B错误;蹬伸加速阶段,加速度方向向上,根据牛顿第二定律得,N-mg=ma,则N=mg+ma>mg,所以压力F>G,故C错误;蹬伸减速阶段,加速度方向向下,根据牛顿第二定律得,mg-N=ma,则N=mg-ma<mg,所以压力F<G,故D错误.]
3.如图所示,质量分别为m、2m的物体A、B由轻质弹簧相连后放置在匀速上升的电梯内,当电梯钢索断裂的瞬间,物体B的受力个数( )
A.2个 B.3个
C.4个 D.1个
B [因电梯匀速上升,则A受力平衡,则弹簧处于压缩状态,故弹簧对B有向下的弹力;当钢索断开时,弹簧的形变量不变,故B受向下的重力及弹力的作用,加速度大于电梯的加速度,B与电梯之间一定有弹力作用,故B应受到3个力作用,故选B.]
4.如图所示,一辆汽车在平直公路上向左行驶,一个质量为m、半径为R的球,用一轻绳悬挂在车厢竖直的光滑的后壁上.汽车以加速度a加速前进.绳子对球的拉力设为T,车厢后壁对球的水平弹力为N.则当汽车的加速度a增大时( )
A.T不变,N增大 B.T增大,N增大
C.T减小,N减小 D.T减小,N变大
A [设轻绳与竖直方向间夹角为θ,由牛顿第一定律可得,Tcos θ=mg,N-Tsin θ=ma,由以上两个关系式可知,当a增大时,T不变,N增大,故选项A正确.]
5.如图所示,质量为m2的物块B放置在光滑水平桌面上,其上放置质量m1的物块A,A通过跨过光滑定滑轮的细线与质量为M的物块C连接.释放C,A和B一起以加速度a从静止开始运动,已知A、B间动摩擦因数为μ,则细线中的拉力大小一定为( )
A.Mg B.Mg+Ma
C.(m1+m2)a D.m1a+μ1m1g
C [设细线中的拉力大小为T,由牛顿第二定律可得:Mg-T=Ma,T=(m1+m2)a,故细线中的拉力T=Mg-Ma=(m1+m2)a,C正确,A、B均错误;若A和B之间的摩擦力刚好达到最大静摩力,则有T-μm1g=m1a,此时有T=m1a+μm1g,但仅为一种可能情况,但拉力一定为T=(m1+m2)a.]
6.如图所示,用与水平成θ角的推力F作用在物块上,随着θ逐渐减小直到水平的过程中,物块始终沿水平面做匀速直线运动.关于物块受到的外力,下列判断正确的是( )
A.推力F先增大后减小
B.推力F一直减小
C.物块受到的摩擦力先减小后增大
D.物块受到的摩擦力一直不变
B [对物体受力分析,建立如图所示的坐标系.
由平衡条件得
Fcos θ-Ff=0
FN-(mg+Fsin θ)=0
又Ff=μFN
联立可得F=
可见,当θ减小时,F一直减小,故选项B正确.]
7.北京欢乐谷游乐场天地双雄是双塔太空梭.它是能体验强烈失重、超重感觉的娱乐设施,先把乘有十多人的座舱,送到76 m高的地方,让座舱自由落下,当落到离地面28 m时制动系统开始启动,座舱匀减速运动到地面时刚好停止.若某游客手中托着质量为1 kg的饮料瓶进行这个游戏,g取9.8 m/s2,则( )
A.当座舱落到离地面高度为40 m的位置时,饮料瓶对手的作用力大于9.8 N
B.当座舱落到离地面高度为40 m的位置时,饮料瓶对手的作用力为零
C.当座舱落到离地面高度为15 m的位置时,饮料瓶对手的作用力小于9.8 N
D.当座舱落到离地面高度为15 m的位置时,手要用26.6 N的力才能托住饮料瓶
BD [当座舱落到离地面高度为40 m的位置时,处于完全失重状态,故饮料瓶对手的压力为零,选项B正确,A错误.座舱自由落体过程,有:v2=2g(H-h),座舱匀减速运动到地面过程,根据速度位移公式,有v2=2ah,由以上两式解得:a=16.8 m/s2,当座舱落到离地面高度为15 m的位置时,饮料瓶处于超重状态,有:F-mg=ma,解得F=26.6 N,即当座舱落到离地面高度为15 m时,手要用26.6 N的力才能托住饮料瓶,选项C错误,D正确.]
8.如图所示,在水平天花板的A点处固定一根轻杆a,杆与天花板保持垂直.杆的下端有一个轻滑轮O.另一根细线上端固定在该天花板的B点处,细线跨过滑轮O,下端系一个重为G的物体,BO段细线与天花板的夹角为θ=30°.系统保持静止,不计一切摩擦.下列说法中正确的是( )
A.细线BO对天花板的拉力大小是G
B.a杆对滑轮的作用力大小是
C.a杆和细线对滑轮的合力大小是G
D.a杆对滑轮的作用力大小是G
AD [对重物受力分析,受到重力和拉力T,根据平衡条件,有T=G,同一根绳子拉力处处相等,故绳子对天花板的拉力也等于G,故A正确;对滑轮受力分析,受到绳子的压力(等于两边绳子拉力的合力)以及杆的弹力(向右上方的支持力),如图,
根据平衡条件,结合几何关系,有:F=T=G,故B错误,D正确;由于滑轮处于平衡状态,故a杆和细绳对滑轮的合力大小是零,故C错误.]
9.如图所示,轻质不可伸长的晾衣绳两端分别固定在竖直杆M、N上的a、b两点,悬挂衣服的衣架挂钩是光滑的,挂于绳上处于静止状态.如果只人为改变一个条件,当衣架静止时,下列说法正确的是( )
A.绳的右端上移到b′,绳子拉力不变
B.将杆N向右移一些,绳子拉力变大
C.绳的两端高度差越小,绳子拉力越小
D.若换挂质量更大的衣服,则衣架悬挂点右移
AB [设两段绳子间的夹角为2α,由平衡条件可知,2Fcos α=mg,所以F=,设绳子总长为L,两杆间距离为s,由几何关系L1sin α+L2sin α=s,得sin α==,绳子右端上移,L、s都不变,α不变,绳子张力F也不变,A正确;杆N向右移动一些,s变大,α变大,cos α变小,F变大,B正确;绳子两端高度差变化,不影响s和L,所以F不变,C错误;衣服质量增加,绳子上的拉力增加,由于α不会变化,悬挂点不会右移,D错误.]
10.如图所示,在光滑水平面上有一静止小车M,小车上静止地放置着木块m,木块和小车间的动摩擦因数为μ=0.3,用水平恒力F拉动小车,下列关于木块的加速度a1和小车的加速度a2,可能正确的有( )
A.a1=2 m/s2,a2=2 m/s2
B.a1=2 m/s2,a2=3 m/s2
C.a1=3 m/s2,a2=4 m/s2
D.a1=3 m/s2,a2=2 m/s2
AC [对上面的木块m受力分析,在水平方向只可能有摩擦力,且Ff≤mg×0.3,因此木块m的最大加速度为g×0.3=3 m/s2,若小车与木块一起运动,二者加速度相等,选项A中的加速度都小于3 m/s2,所以是可能的,A正确;若木块与小车发生相对滑动,则木块的加速度一定是3 m/s2,故选项B错误;发生相对滑动时,由于拉力作用在小车上,故小车的加速度要大于木块的加速度,所以选项C正确,D错误.]
二、非选择题(本题共6小题,共60分)
11.(6分)在用DIS实验研究小车加速度与外力的关系时,某实验小组用如图甲所示的实验装置,重物通过滑轮用细线拉小车,位移传感器(发射器)随小车一起沿倾斜轨道运动,位移传感器(接收器)固定在轨道一端.实验中把重物的重力作为拉力F,改变重物重力重复实验四次,列表记录四组数据.
甲 乙
丙
a/m·s-2
2.01
2.98
4.02
6.00
F/N
1.00
2.00
3.00
5.00
(1)在图丙中作出小车加速度a和拉力F的关系图线.
(2)从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处是
_____________________________________________________.
(3)如果实验时,在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器来测量绳子的拉力大小,如图乙所示.是否仍要满足小车质量M远大于重物的质量m________(选填“需要”或“不需要”).
[解析] (1)根据所给数据,画出小车加速度a和拉力F的关系图线如图所示:
(2)由图象可知,当小车拉力为零时,已经产生了加速度,故在操作过程中轨道倾角过大,平衡摩擦力过度.
(3)如果实验时,在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器来测量绳子的拉力大小,传感器的示数即为绳子拉力,则不需要满足小车质量M远大于重物的质量m.
[答案] (1)见解析图
(2)平衡摩擦力过度
(3)不需要
12.(8分)根据“探究加速度与力、质量的关系”的实验完成下面的题目.
(1)有关实验以及数据处理,下列说法正确的是_______.
A.应使沙和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量,以减小实验误差
B.可以用天平测出小桶和沙的总质量m及小车和砝码的总质量M;根据公式a=,求出小车的加速度
C.处理实验数据时采用描点法画图象,是为了减小误差
D.处理实验数据时采用a-图象,是为了便于根据图线直观地作出判断
(2)某学生在平衡摩擦力时,把长木板的一端垫得过高,使得倾角偏大.他所得到的a-F关系可用图甲中的哪个表示?________(图中a是小车的加速度,F是细线作用于小车的拉力).
甲
乙
丙
(3)某学生将实验装置按如图乙所示安装好,准备接通电源后开始做实验.他的装置图中,明显的错误是
___________________________________________ (写出两条).
(4)图丙是实验中得到的一条纸带,A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有四个点未画出,量出相邻的计数点之间的距离分别为xAB=4.22 cm,xBC=4.65 cm,xCD=5.08 cm,xDE=5.49 cm,xEF=5.91 cm,xFG=6.34 cm,已知打点计时器的工作频率为50 Hz,则小车的加速度a=________m/s2.(结果保留2位有效数字)
[解析] (1)为保证绳拉小车的力等于沙和小桶的总重力大小,应使沙和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量,以减小实验误差,选项A正确;小车的加速度应通过打点计时器打出的纸带求出,选项B错误;采用描点法画图象来处理实验数据,不仅可以减小误差,还可以形象直观地反映出物理量之间的关系,选项C正确;为了将图象画成我们熟悉的直线,更直观反映两个变量的关系,由于a与M成反比,故应作a-图象,选项D正确.
(2)在平衡摩擦力时,把长木板的一侧垫得过高,使得倾角偏大,小车重力沿木板向下的分力大于小车受到的摩擦力,小车受到的合力大于沙桶的拉力,在沙桶对小车施加拉力前,小车已经有加速度,在探究物体的加速度与力的关系时,作出的a-F图线在a轴上有截距,选项C正确.
(3)由实验原理图可知,打点计时器用的必须是交流电源,图中用的是直流电源,小车释放的位置应该靠近计时器,以便测量更多的数据来减小误差;同时木板水平,没有平衡摩擦力.
(4)由题意知,计数点间的时间间隔T=0.1 s,根据逐差法可得
a=
= m/s2
=0.42 m/s2.
[答案] (1)ACD (2)C (3)打点计时器使用直流电源;小车与打点计时器间的距离太长;木板水平,没有平衡摩擦力 (4)0.42
13.(10分)气球下端悬挂一重物,以v0=10 m/s匀速上升,当到达离地面h=175 m处时悬挂重物的绳子突然断裂,那么之后:
(1)重物做竖直上抛运动还是自由落体运动?
(2)重物经多少时间落到地面?
(3)落地的速度大小?(空气阻力不计,g取10 m/s2.)
[解析] (1)物体做竖直上抛运动.
(2)根据位移公式h=v0t-gt 2
有-175=10t-×10t 2
得t=7 s.
(3)v=v0-gt
得v=-60 m/s
大小为60 m/s.
[答案] (1)竖直上抛运动 (2)7 s (3)60 m/s
14.(10分)某运动员做跳伞训练,他从悬停在空中的飞机上由静止跳下,距离飞机一段时间后打开降落伞做减速下落运动.他打开降落伞后的速度图象如图所示.已知运动员和降落伞的总质量m=60 kg,g取10 m/s2.
(1)不计运动员所受的阻力,求打开降落伞前运动员下落的高度?
(2)打开伞后伞所受阻力Ff与速度v成正比,即Ff=kv,求打开伞瞬间运动员的加速度a的大小和方向?
[解析] (1)由图可知,打开降落伞时运动员的速度为v0=30 m/s
由h=可得运动员自由下落的高度h=45 m.
(2)刚打开降落伞时mg-30k=ma
最终匀速下落时mg=6k
由以上两式可解得a=-40 m/s2
“-”表示加速度的方向竖直向上.
[答案] (1)45 m (2)40 m/s2 方向竖直向上
15.(12分)如图所示,A、B为水平传送带的两端,质量为m=4 kg的物体,静止放在传送带的A端,并在与水平方向成37°角的力F=20 N的力作用下,沿传送带向B端运动,物体与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,g取10 m/s2,则
(1)当传送带静止时,物体从A到B的运动时间8 s,求A、B两端间的距离;
(2)当传送带以7.5 m/s的速度顺时针转动时,求物体从A到B运动的时间.
[解析] (1)分析物体受力,由牛顿第二定律可得:
Fcos 37°-Ff=ma1
Fsin 37°+FN=mg
又Ff=μFN
由以上三式可解得物体的加速度a1=0.5 m/s2
所以A、B间的距离x=a1t2=16 m.
(2)当物体的速度v<7.5 m/s时
Fcos 37°+Ff=ma2
Fsin 37°+FN=mg
又Ff=μFN
由以上三式可解得:a2=7.5 m/s2.
由v=a2t2可知,物体经过t2=1 s速度达到7.5 m/s,此过程运动的位移x1=a2t=3.75 m.
之后的加速度仍为a1,由x2=x-x1=vt3+a1t
可得:t3=(-15) s=1.55 s
物体从A运动到B的总时间t点=t2+t3=2.55 s.
[答案] (1)16 m (2)2.55 s
16.(14分)如图所示,长L=1.4 m,质量M=10 kg的长方体木箱,在水平面上向右做直线运动,木箱上表面光滑,下表面与地面的动摩擦因数μ=0.2.当木箱的速度v0=3.8 m/s时,立即对木箱施加一个F=50 N水平向左的恒力,并同时将一个质量m=3 kg的小物块轻放在距木箱右端0.25 m处的P点(小物块可视为质点,放在P点时相对于地面的速度为零),经过一段时间,小物块脱离木箱落到地面.g取10 m/s2,求:
(1)从小物块放在P点开始,木箱向右运动的最大距离;
(2)小物块离开木箱时木箱的速度大小.
[解析] (1)小物块放到木箱上后相对地面静止
对木箱有F+μ(M+m)g=Ma1
a1==7.6 m/s2
木箱向右运动的最大距离
x1==0.95 m.
(2)木箱向左运动时
对木箱有F-μ(M+m)g=Ma2
a2==2.4 m/s2
木箱左移x2=(0.25+0.95) m=1.2 m时
v=2a2x2
小物块离开木箱时木箱的速度大小
v1==2.4 m/s.
[答案] (1)0.95 m (2)2.4 m/s