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第四章 牛顿运动定律

知识构建:

新知归纳: 一、牛顿第一定律 ●牛顿第一定律

定义:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。

●惯性

1、定义:物体具有的保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。

2、惯性是物体的固有属性,惯性不是一种力。任何物体在任何情况下都具有惯性。 3、惯性的大小只由物体本身的特征决定,与外界因素无关。

4、惯性是不能被克服的,但可以利用惯性做事或防止惯性的不良影响。

5、不要把惯性概念与惯性定律相混淆。惯性是万物皆有的保持原运动状态的一种属性,惯性定律则是物体不受外力作用时的运动定律。

●运动状态

1、运动状态指的是物体的速度

速度是是矢量,速度不变则运动状态不变,速度改变运动状态也就改变了,所以运动状态不断改变的物体总有加速度。

2、力是使物体产生加速度的原因 3、 质量是物体惯性大小的量度 二、实验:探究加速度与力、质量的关系 ●加速度与力的关系 1、实验的基本思路

保持物体的质量不变,测量物体在不同的力的作用下的加速度,分析加速度与力的关系。 2、实验设计

(1)实验器材:打点计时器、纸带、小车、细绳、一端附有定滑轮的长木板、砝码、低压交流电源、10g左右的等质量粗铁丝圈若干、刻度尺

(2)实验步骤

①用天平测出小车和粗铁丝圈的质量M和m把数值记录下来; ②按图把实验器材安装好 先不挂上粗铁丝圈(即不给小车加牵引力);

③平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板;反复移动木板的位置 直至小车在斜面上运动时保持匀速运动状态(先接通电源,再用手给小车一个初速度,若在纸带上打出的点子的间隔基本上均匀才表明平衡了摩擦力,否则必须调整小木板的位置),这时小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。

④在细绳上挂1个粗铁丝圈 先接通电源再放开小车,取下纸带;

⑤保持小车的质量不变,在细绳上挂2个、3个??粗铁丝圈,重复步骤④,取下纸带。 (3)实验数据的分析

根据记录的数据,作出a-F图象,即在右图中描点、连线。通过连线可知,在误差允许的范围内,所描绘各点大致分布在同一条过坐标原点的直线上。

(4)实验结论

当保持物体的质量不变时,物体产生的加速度a与所受力F成正比。 ●加速度和质量的关系 1、实验的基本思路

保持物体所受的力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。

2、实验的操作步骤

如图,取小车(车上放砝码)研究,在拉力不变的情况下(钩码一定),改变小车上的砝码个数,打出几条不同的纸带。记录小车及车上的砝码的质量,求出其运动的加速度。

3、实验数据的分析

根据记录的数据作出力F不变时,a-m和a-1/m的图象。在坐标纸上描点、连线。由图甲可知,当F不变时,m越大,a越小,有可能成反比。因此,a-m图象不易反映出相应的规律。若与a与m成反比,则a与1/m成正比,故作出F不变时的a-1/m关系图象,如图乙所示。

4、实验结论

在受力F不变时,物体产生的加速度a与质量m成反比(或与1/m成正比) 三、牛顿第二定律 ●牛顿第二定律

5、对牛顿第二定律的理解

牛顿第二定律寓意深刻,内涵丰富,应从如下几个方面:同一性、瞬时性、矢量性、独立性、因果性、相对性等加深对规律的理解。

(1)同一性:牛顿第二定律F合=ma;共涉及三个物理量,这三个物理量是所属同一个

物体的物理量,其中F合是质量为m的物体受到的合力,a是该物体在这个合力作用下获得的加速度。我们把物体获得的加速度和该物体所受合力的这种对应关系叫做同一性。

(2)瞬时性:根据F合知,对质量一定的物体,当它所受的合力增加时 物体获得的加速度也随之增加,合力减小时物体获得的加速度也随之减小,当合力等于零时,物体的加速度也等于零;合力为恒定不变的力时,加速度也恒定不变。物体的加速度与合力的这种一一对应的变化关系叫做瞬时性。

(3)矢量性:由牛顿第二定律知 加速度的方向总是跟物体受到的合力方向相一致 所以合力指向什么方向,加速度就跟着指向什么方向。这也是牛顿第二定律瞬时性的表现,或者说合力的方向就是加速度的方向。作用力F和加速度a是两个方向相同的矢量。表达式F合=ma是一个矢量式。

(4) 独立性:作用在物体上的每一个力都各自独立地产生一个加速度,与物体受到的其他力无关。物体的实际加速度是各个力产生的加速度的矢量和,也等于合力单独作用产生的加速度。

(5)因果性:由F合=ma知,只要物体受到的合力不等于零,无论合力多么小,物体就立即获得加速度。只要物体不受力作用或合力为零,物体立即没有加速度,也就是说力是物体获得加速度的原因。加速度是物体受力产生的效果。

(6)相对性:牛顿第二定律针对静止或做匀速直线运动的参考系才成立,对加速运动的参考系不适用。牛顿第二定律的这种性质叫做相对性。

因果关系:只要物体所受合力不为零(无论合力多么的小),物体就获得加速度,即力是产生加速度的原因,力决定加速度,力与速度、速度的变化没有直接关系。如果物体只受重力G=mg的作用,则由牛顿第二定律知物体的加速度为a=

F合m?Gm?mgm?g.

矢量关系:F=ma是一个矢量式,加速度a与合外力都是矢量,物体加速度的方向由它所受的合外力的方向决定且总与合外力的方向相同。

瞬时对应关系:牛顿第二定律表示的是力的瞬时作用规律当物体所受到的合外力发生变化时,它的加速度随即也要发生变化,即同时产生、同时变化、同时消失。

独立对应关系:当物体受到几个力的作用时,各力将独立地产生与其对应的加速度,而物体实际的加速度是物体所受各力产生的加速度的叠加

同体关系:加速度和合外力是同属一个物体的。 6、应用牛顿第二定律解题的一般步骤:

①确定研究对象。

②分析研究对象的受力情况,画出受力图。 ③选定正方向或建立直角坐标系。 ④求合力。

⑤根据牛顿第二定律列方程。 归纳整理:

本节在上一节实验探究的基础上得出牛顿第二定律,即物体的加速度跟所受的合力成正比,跟物体的质量成反比。加速度的方向跟合力的方向相同。牛顿第二定律定量地反映了物体加速度与力、质量的关系。要时刻理解各物理量和公式的内涵和外延,避免重公式,轻文字的现象。

四、力学单位制

●基本物理量:反映物理学基本问题的物理量。如力学中有三个基本物理量——质量、时间和长度。

●基本单位:所选定的基本物理量的(所有)单位都叫做基本单位,如在力学中,选定长度、质量和时间这三个基本物理量的单位作为基本单位:

长度:cm、m、km等 质量:g、kg等 时间:s、min、h等 ●力学中的国际单位制 ①基本单位