（2019）4 牛顿定律 —人教版 高中物理必修第一册讲义（机构）
文档属性
| 名称 | （2019）4 牛顿定律 —人教版 高中物理必修第一册讲义（机构） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 84.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-09-10 17:07:48 | ||
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文档简介
4
牛顿运动定律
主要内容
力和运动的关系，惯性与牛顿第一定律，牛顿第二运动定律，牛顿第三运动定律，失重和超重，国际单位制
教学重点
力与运动的关系，牛顿第二定律及其应用，失重与超重，国际单位制
教学内容
力与运动的关系
亚里士多德：从直觉和观察出发得出结论，力是维持物体运动的原因。
伽利略（正确观点）：通过构想理想实验，以实验事实为基础，把科学实验和逻辑推理和谐结合在一起，利用“科学实验
+
逻辑推理”的方法（现代科学范式），得出结论，力是物体运动的物体运动状态改变的原因。
笛卡尔：运动中的物体没有受到力的作用，将以同一速度沿同一直线运动。
惯性与牛顿第一定律
第一定律：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，除非外力迫使物体改变这种状态。
根据牛顿第一定律，一切物体具有保持静止或匀速直线运动状态不变这一性质，这一性质称为惯性，故牛顿第一定律也称为惯性定律。一切物体皆有惯性，惯性有大小，质量是一个物体惯性大小的唯一量度（因而质量也称为惯性质量）。
牛顿第一定律明确指出力是物体运动状态改变的原因。第一定律也可以表述为：物体在不受外力作用时将保持运动状态不变：初始静止则一直静止不动，初始运动，则将以恒定速度做匀速直线运动。
相对地球静止或做匀速直线运动的参考系称为惯性参考系，简称为惯性系。相对于地球做加速运动（加速度非零）的参考系称为非惯性系。
牛顿第二定律与力
第二定律：物体的加速度与物体受到的合外力成正比，与物体的质量成反比：
，或.
上式中的物理量都取国际单位制单位则比例系数，从而有
.
第二定律数学表达式中的加速度和力都是矢量，加速度的方向由合外力的方向决定。
力作用的独立性：多个力作用在一个物体上，外力的矢量和即物体的合外力在物体上产生的加速度等价于每一个力单独存在时产生的加速度的矢量和。
力作用效果的瞬时性：力作用在物体上和物体产生加速度是同时的，力的作用消失则产
生的加速度也归零。
牛顿第二运动定律定量地描述了物体运动状态的变化（即加速度）和动力学因素（力和惯性质量）之间的定量关系，是经典力学（牛顿力学）乃至整个经典物理学最重要的物理规律之一。
牛顿第三定律
第三定律：两个物体之间的相互作用（作用力与反作用力）总是大小相同、方向相反、作用在同一直线上。
力的作用总是相互的：一个物体对另一个物体施加一个力的作用，另一物体一定同时对该物体施加一个力。这样成对出现的相互作用力称为作用力与反作用力。
第三定律是说作用力和反作用力总是等大、反向、作用在不同物体上且方向在同一直线上，故有时也称第三定律为作用力反作用力定律。
物理定律与物理定理
物理定律和物理定理都是物理现象所遵循的重要规律，但二者在物理理论中的地位不同。
物理定律是从大量实验事实中归纳出来的普遍规律，是物理理论的基础和出发点，无法
从理论上证明，只能从实验上检验。一个物理理论的定律通常只有有限几个，其地位相当于数学理论中的公理。
物理定理是从物理定律出发，利用逻辑推理和数学推导得出的结论，其正确性取决于物
理定律和推导过程的的正确性；物理定理是否正确最终要用实验来检验。一个物理理论的定理可以有很多个。
牛顿运动定律是力学理论的“公理”和出发点，不需要也无法在力学体系内部进行证明，其正确性由其本身及其推论（物理定理）和实验事实相符合来保证。现代物理理论都有自己的公理化体系。
例1
分析静止在固定斜面上的物块的受力情况，讨论动摩擦因数μ与斜面倾角θ之间需要满足的条件。假定物块和斜面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力。
例2
物块和固定斜面间的动摩擦因数为μ，斜面倾角为θ。计算滑块沿斜面自由下滑和上滑时物块的加速度。若斜面光滑，则自由上滑和下滑时物块的加速度又为多少？
例题参考答案
1.
μ
>
tanθ；2.
自由下滑,
自由上滑方向沿斜面向下；斜面光滑时上滑和下滑加速度相同，均为方向沿斜面向下。
基本物理量与单位制
物理量的单位是物理量的重要组成部分，没有单位物理量的数值就没有意义。历史上曾
出现过多种单位制并存的时代，多种单位制共存为地区和地区之间的交流带来了很大不便，也阻碍了科学的传播和发展。为了促进科学的发展和传播，也为了沟通和交流的便利，人们建立了国际单位制。
为了描述机械运动，力学中引入了质量、长度和时间三个基本物理量。
物理学中总共有七个基本物理量：质量、长度、时间、电流强度、温度、光强和物质的量。基本物理量的单位称为基本单位，从基本单位可以导出其他物理量的单位（称为导出单位），基本单位和导出单位共同组成单位制，目前国际上通用的单位制称为国际单位制。
前述七个基本物理量的单位分别是：千克、米、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔。从基本单位出发可以导出所有其他物理量的单位。例如由加速度的单位和牛顿第二定律可知力的单位是，为了纪念牛顿对力学的伟大贡献，人们还特地把力的单位称为牛顿。
除了基本单位和导出单位之外，还有一个描述角度的辅助单位：弧度。
为了使用方便，国际单位制中通过引入词冠建立新的单位。例如使用词冠nano-(纳)的单位纳米（nano-meter，简写为nm）和纳秒（nano-second，简写为ns）。又如使用词冠kilo-(千)的单位千米（kilo-meter，简写为km）和千牛（kN）等。其他使用词冠的例子还有微米（μm，1μm
=
10-6
m）、微秒（μs，1μs
=
10-6
s）、兆瓦(MW,
1MW
=106
W，功率单位
)、皮法（pF,
1pF
=
10-6
F，电容单位）等。常用的词冠有kilo-（千，简写为k）、mega-
（兆，简写为M）、giga-（京，简写为G）、milli-
(毫，简写为m)、micro-
（微，简记为μ）、pico-
（皮，简写为p）、femto-
(飞，简写为f)等。
物理量与基本物理量的关系称为该物理量的量纲，两个量纲相同的物理量，其物理本质是相同的。对于复杂的容易记错的物理公式，可以比较公式两边的量纲是否相同：两边量纲不同，则公式一定不成立；反之则不一定（即量纲相同是等式成立的必要非充分条件）。
生活和生产中重要的常用非国际单位制单位有光年（ly,
长度单位，1光年
=
9.46万亿千米
=
9.461015
米）、小时（h,
时间单位，1h
=
3600
s）、吨（t,
质量单位，1t
=
1103
kg）、千米每小时（km/s,
速度单位，1
km/h
=
5/18
m/s）、度或千瓦时（kwh,
能量单位,
1kwh
=
3.6106
J）、匹或马力（horsepower,
简写为h.p.,
功率单位，1
h.p.
=
735.5
W）、电子伏特（eV,
能量单位,
1eV
=
1.610-19
J）、标准大气压（atm.,
压强单位,
1atm
=
1.01105
Pa）、厘米汞柱（cmHg，压强单位,
76
cmHg
=
1atm.）、摄氏度（℃,
温度单位,
0℃对应于273.15
K）。
重量与质量
生活中通常不区分物体的重量和质量。在物理中重量和质量是两个完全不同的物理量：
重量是物体所受的重力的大小，其量纲和力的量纲相同；质量的量纲就是质量。
物体的（惯性）质量反映物体的惯性大小，是物体所包含物质的多少，与物体所处的位置和状态（非相对论情形）无关；而重量则和重力加速度有关，赤道附件和南北极附近的重力加速度有差异，地球表面和月球表面的重力加速度也有差异，故同一物体在赤道附近和南北极附近其质量没有任何变化，但重量则有差别。
牛顿定律的应用
失重与超重
物体具有向上的加速度或加速度具有非零向上分量时，物体对于支持物的压力（或
对悬挂物的拉力）大于物体所受的重力的情况称为超重现象。
根据牛顿第二定律，对于超重的物体有
物体具有向下的加速度或加速度具有非零向下分量时，物体对于支持物的压力（或
对悬挂物的拉力）小于物体所受的重力的情况称为失重现象。
根据牛顿第二定律，对于失重的物体有
物体对支持物的压力为零的状态叫做完全失重状态。当物体的加速度等于重力加速度时，就会发生完全失重现象。
利用牛顿定律求解运动问题
已知物体的受力情况，可通过受力分析得到物体的合外力，再利用牛顿第二定律计算出物体的加速度，然后利用运动学公式确定物体的速度、位移和运动时间等。
已知物体的运动情况，则可以利用运动学规律求出物体的加速度，再利用牛顿定律计算出物体受到的合外力，然后对物体进行受力分析，得出受力情况。
(3)
牛顿运动定律的适用范围
牛顿运动定律适用于描述宏观物体的低速运动（相对于光速而言）。此外，这里所讲的牛顿运动定律仅在惯性系下成立。微观粒子或系统的规律是量子力学，在微观尺度（纳米即以下），牛顿定律不再适用；高速运动（速度和光速可比拟）的物体，具有明显的相对论效应，适用相对论力学。牛顿运动定律做适当修改（引入惯性力）后，可以用于非惯性系。
例1（多选）质量为m的物体放在质量为M、倾角为的斜面上，斜面置于粗糙的水平地面上，用平行于斜面的力F拉物体使其沿斜面向下匀速运动，M始终静止，则下列说法正确的是（
）
A．M相对地面有向右运动的趋势
B．地面对M的支持力为
C．地面对M的摩擦力大小为
D．地面对M的摩擦力大小为零
例2（多选）如图所示，当小车向右加速运动时，物块M相对车厢静止于竖直车厢壁上，当车的加速度增大时（ ）
A．M对车厢壁的压力增大
B．M受静摩擦力增大
C．M受静摩擦力减小
D．M仍相对于车厢静止
例3如图所示，质量为m1的木块和质量为m2的长木板叠放在水平地面上．现对木块施加一水平向右的拉力F，木块在长木板上滑行，长木板始终静止．已知木块与长木板间的动摩擦因数为μ1，长木板与地面间的动摩擦因数为μ2，且最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。则（ ）
A．μ1一定小于μ2
B．μ1一定不小于μ2
C．改变F的大小，F>μ2(m1＋m2)g时，长木板将开始运动
D．若F作用于长木板，F>(μ1＋μ2)(m1＋m2)g时，长木板与木块将开始相对滑动
例4如图所示，用一根细绳将一重物A吊在电梯内的天花板上，在下列四种情况下，重物处于超重状态的是（
）
A．电梯匀速上升
B．电梯匀速下降
C．电梯加速上升
D．电梯加速下降
例5如图所示，质量为M的斜面体静止在水平地面上，质量为m的滑块在沿着斜面向上的恒力F作用下向下做匀速运动，斜面体始终处于静止状态。已知重力加速度为g，在滑块下滑的过程中，下列说法正确的是（
）
A．滑块与斜面体之间的动摩擦因数μ大于tanθ
B．撤去恒力F后，地面对斜面体的支持力不变
C．地面对斜面体的支持力大于（M＋m）g
D．地面对斜面体的摩擦力方向水平向左
例6两个相互接触的物体放置在光滑无摩擦的水平桌面上；有一大小为
F
的外力水平作用在物体1上。计算物体
1
的加速度和两物体间的接触力。
例题参考答案
1.
BC；2.
AD；3.
D；4.
C；5.
.
牛顿运动定律
主要内容
力和运动的关系，惯性与牛顿第一定律，牛顿第二运动定律，牛顿第三运动定律，失重和超重，国际单位制
教学重点
力与运动的关系，牛顿第二定律及其应用，失重与超重，国际单位制
教学内容
力与运动的关系
亚里士多德：从直觉和观察出发得出结论，力是维持物体运动的原因。
伽利略（正确观点）：通过构想理想实验，以实验事实为基础，把科学实验和逻辑推理和谐结合在一起，利用“科学实验
+
逻辑推理”的方法（现代科学范式），得出结论，力是物体运动的物体运动状态改变的原因。
笛卡尔：运动中的物体没有受到力的作用，将以同一速度沿同一直线运动。
惯性与牛顿第一定律
第一定律：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，除非外力迫使物体改变这种状态。
根据牛顿第一定律，一切物体具有保持静止或匀速直线运动状态不变这一性质，这一性质称为惯性，故牛顿第一定律也称为惯性定律。一切物体皆有惯性，惯性有大小，质量是一个物体惯性大小的唯一量度（因而质量也称为惯性质量）。
牛顿第一定律明确指出力是物体运动状态改变的原因。第一定律也可以表述为：物体在不受外力作用时将保持运动状态不变：初始静止则一直静止不动，初始运动，则将以恒定速度做匀速直线运动。
相对地球静止或做匀速直线运动的参考系称为惯性参考系，简称为惯性系。相对于地球做加速运动（加速度非零）的参考系称为非惯性系。
牛顿第二定律与力
第二定律：物体的加速度与物体受到的合外力成正比，与物体的质量成反比：
，或.
上式中的物理量都取国际单位制单位则比例系数，从而有
.
第二定律数学表达式中的加速度和力都是矢量，加速度的方向由合外力的方向决定。
力作用的独立性：多个力作用在一个物体上，外力的矢量和即物体的合外力在物体上产生的加速度等价于每一个力单独存在时产生的加速度的矢量和。
力作用效果的瞬时性：力作用在物体上和物体产生加速度是同时的，力的作用消失则产
生的加速度也归零。
牛顿第二运动定律定量地描述了物体运动状态的变化（即加速度）和动力学因素（力和惯性质量）之间的定量关系，是经典力学（牛顿力学）乃至整个经典物理学最重要的物理规律之一。
牛顿第三定律
第三定律：两个物体之间的相互作用（作用力与反作用力）总是大小相同、方向相反、作用在同一直线上。
力的作用总是相互的：一个物体对另一个物体施加一个力的作用，另一物体一定同时对该物体施加一个力。这样成对出现的相互作用力称为作用力与反作用力。
第三定律是说作用力和反作用力总是等大、反向、作用在不同物体上且方向在同一直线上，故有时也称第三定律为作用力反作用力定律。
物理定律与物理定理
物理定律和物理定理都是物理现象所遵循的重要规律，但二者在物理理论中的地位不同。
物理定律是从大量实验事实中归纳出来的普遍规律，是物理理论的基础和出发点，无法
从理论上证明，只能从实验上检验。一个物理理论的定律通常只有有限几个，其地位相当于数学理论中的公理。
物理定理是从物理定律出发，利用逻辑推理和数学推导得出的结论，其正确性取决于物
理定律和推导过程的的正确性；物理定理是否正确最终要用实验来检验。一个物理理论的定理可以有很多个。
牛顿运动定律是力学理论的“公理”和出发点，不需要也无法在力学体系内部进行证明，其正确性由其本身及其推论（物理定理）和实验事实相符合来保证。现代物理理论都有自己的公理化体系。
例1
分析静止在固定斜面上的物块的受力情况，讨论动摩擦因数μ与斜面倾角θ之间需要满足的条件。假定物块和斜面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力。
例2
物块和固定斜面间的动摩擦因数为μ，斜面倾角为θ。计算滑块沿斜面自由下滑和上滑时物块的加速度。若斜面光滑，则自由上滑和下滑时物块的加速度又为多少？
例题参考答案
1.
μ
>
tanθ；2.
自由下滑,
自由上滑方向沿斜面向下；斜面光滑时上滑和下滑加速度相同，均为方向沿斜面向下。
基本物理量与单位制
物理量的单位是物理量的重要组成部分，没有单位物理量的数值就没有意义。历史上曾
出现过多种单位制并存的时代，多种单位制共存为地区和地区之间的交流带来了很大不便，也阻碍了科学的传播和发展。为了促进科学的发展和传播，也为了沟通和交流的便利，人们建立了国际单位制。
为了描述机械运动，力学中引入了质量、长度和时间三个基本物理量。
物理学中总共有七个基本物理量：质量、长度、时间、电流强度、温度、光强和物质的量。基本物理量的单位称为基本单位，从基本单位可以导出其他物理量的单位（称为导出单位），基本单位和导出单位共同组成单位制，目前国际上通用的单位制称为国际单位制。
前述七个基本物理量的单位分别是：千克、米、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔。从基本单位出发可以导出所有其他物理量的单位。例如由加速度的单位和牛顿第二定律可知力的单位是，为了纪念牛顿对力学的伟大贡献，人们还特地把力的单位称为牛顿。
除了基本单位和导出单位之外，还有一个描述角度的辅助单位：弧度。
为了使用方便，国际单位制中通过引入词冠建立新的单位。例如使用词冠nano-(纳)的单位纳米（nano-meter，简写为nm）和纳秒（nano-second，简写为ns）。又如使用词冠kilo-(千)的单位千米（kilo-meter，简写为km）和千牛（kN）等。其他使用词冠的例子还有微米（μm，1μm
=
10-6
m）、微秒（μs，1μs
=
10-6
s）、兆瓦(MW,
1MW
=106
W，功率单位
)、皮法（pF,
1pF
=
10-6
F，电容单位）等。常用的词冠有kilo-（千，简写为k）、mega-
（兆，简写为M）、giga-（京，简写为G）、milli-
(毫，简写为m)、micro-
（微，简记为μ）、pico-
（皮，简写为p）、femto-
(飞，简写为f)等。
物理量与基本物理量的关系称为该物理量的量纲，两个量纲相同的物理量，其物理本质是相同的。对于复杂的容易记错的物理公式，可以比较公式两边的量纲是否相同：两边量纲不同，则公式一定不成立；反之则不一定（即量纲相同是等式成立的必要非充分条件）。
生活和生产中重要的常用非国际单位制单位有光年（ly,
长度单位，1光年
=
9.46万亿千米
=
9.461015
米）、小时（h,
时间单位，1h
=
3600
s）、吨（t,
质量单位，1t
=
1103
kg）、千米每小时（km/s,
速度单位，1
km/h
=
5/18
m/s）、度或千瓦时（kwh,
能量单位,
1kwh
=
3.6106
J）、匹或马力（horsepower,
简写为h.p.,
功率单位，1
h.p.
=
735.5
W）、电子伏特（eV,
能量单位,
1eV
=
1.610-19
J）、标准大气压（atm.,
压强单位,
1atm
=
1.01105
Pa）、厘米汞柱（cmHg，压强单位,
76
cmHg
=
1atm.）、摄氏度（℃,
温度单位,
0℃对应于273.15
K）。
重量与质量
生活中通常不区分物体的重量和质量。在物理中重量和质量是两个完全不同的物理量：
重量是物体所受的重力的大小，其量纲和力的量纲相同；质量的量纲就是质量。
物体的（惯性）质量反映物体的惯性大小，是物体所包含物质的多少，与物体所处的位置和状态（非相对论情形）无关；而重量则和重力加速度有关，赤道附件和南北极附近的重力加速度有差异，地球表面和月球表面的重力加速度也有差异，故同一物体在赤道附近和南北极附近其质量没有任何变化，但重量则有差别。
牛顿定律的应用
失重与超重
物体具有向上的加速度或加速度具有非零向上分量时，物体对于支持物的压力（或
对悬挂物的拉力）大于物体所受的重力的情况称为超重现象。
根据牛顿第二定律，对于超重的物体有
物体具有向下的加速度或加速度具有非零向下分量时，物体对于支持物的压力（或
对悬挂物的拉力）小于物体所受的重力的情况称为失重现象。
根据牛顿第二定律，对于失重的物体有
物体对支持物的压力为零的状态叫做完全失重状态。当物体的加速度等于重力加速度时，就会发生完全失重现象。
利用牛顿定律求解运动问题
已知物体的受力情况，可通过受力分析得到物体的合外力，再利用牛顿第二定律计算出物体的加速度，然后利用运动学公式确定物体的速度、位移和运动时间等。
已知物体的运动情况，则可以利用运动学规律求出物体的加速度，再利用牛顿定律计算出物体受到的合外力，然后对物体进行受力分析，得出受力情况。
(3)
牛顿运动定律的适用范围
牛顿运动定律适用于描述宏观物体的低速运动（相对于光速而言）。此外，这里所讲的牛顿运动定律仅在惯性系下成立。微观粒子或系统的规律是量子力学，在微观尺度（纳米即以下），牛顿定律不再适用；高速运动（速度和光速可比拟）的物体，具有明显的相对论效应，适用相对论力学。牛顿运动定律做适当修改（引入惯性力）后，可以用于非惯性系。
例1（多选）质量为m的物体放在质量为M、倾角为的斜面上，斜面置于粗糙的水平地面上，用平行于斜面的力F拉物体使其沿斜面向下匀速运动，M始终静止，则下列说法正确的是（
）
A．M相对地面有向右运动的趋势
B．地面对M的支持力为
C．地面对M的摩擦力大小为
D．地面对M的摩擦力大小为零
例2（多选）如图所示，当小车向右加速运动时，物块M相对车厢静止于竖直车厢壁上，当车的加速度增大时（ ）
A．M对车厢壁的压力增大
B．M受静摩擦力增大
C．M受静摩擦力减小
D．M仍相对于车厢静止
例3如图所示，质量为m1的木块和质量为m2的长木板叠放在水平地面上．现对木块施加一水平向右的拉力F，木块在长木板上滑行，长木板始终静止．已知木块与长木板间的动摩擦因数为μ1，长木板与地面间的动摩擦因数为μ2，且最大静摩擦力与滑动摩擦力相等。则（ ）
A．μ1一定小于μ2
B．μ1一定不小于μ2
C．改变F的大小，F>μ2(m1＋m2)g时，长木板将开始运动
D．若F作用于长木板，F>(μ1＋μ2)(m1＋m2)g时，长木板与木块将开始相对滑动
例4如图所示，用一根细绳将一重物A吊在电梯内的天花板上，在下列四种情况下，重物处于超重状态的是（
）
A．电梯匀速上升
B．电梯匀速下降
C．电梯加速上升
D．电梯加速下降
例5如图所示，质量为M的斜面体静止在水平地面上，质量为m的滑块在沿着斜面向上的恒力F作用下向下做匀速运动，斜面体始终处于静止状态。已知重力加速度为g，在滑块下滑的过程中，下列说法正确的是（
）
A．滑块与斜面体之间的动摩擦因数μ大于tanθ
B．撤去恒力F后，地面对斜面体的支持力不变
C．地面对斜面体的支持力大于（M＋m）g
D．地面对斜面体的摩擦力方向水平向左
例6两个相互接触的物体放置在光滑无摩擦的水平桌面上；有一大小为
F
的外力水平作用在物体1上。计算物体
1
的加速度和两物体间的接触力。
例题参考答案
1.
BC；2.
AD；3.
D；4.
C；5.
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