2020版高中物理（新教材）人教必修第1冊(cè)：(學(xué)案)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用

PAGE牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用【學(xué)習(xí)目標(biāo)】物理觀念動(dòng)力學(xué)兩類基本問題、各種性質(zhì)力的特點(diǎn)科學(xué)思維受力分析、合成法、正交分解法科學(xué)探究探究解決動(dòng)力學(xué)問題的基本思路和方法科學(xué)態(tài)度與責(zé)任應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解答實(shí)際生活中的問題【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】1．探究解決動(dòng)力學(xué)問題的基本思路和方法2．應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式解答實(shí)際生活中的問題【學(xué)習(xí)過(guò)程】一、知識(shí)綱要導(dǎo)引二、基礎(chǔ)導(dǎo)學(xué)（一）從受力確定運(yùn)動(dòng)情況（自學(xué)教材“從受力確定運(yùn)動(dòng)情況”部分）如果已知物體的受力情況，可以由牛頓第二定律求出物體的加速度，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的規(guī)律確定物體的運(yùn)動(dòng)情況．（二）從運(yùn)動(dòng)情況確定受力（自學(xué)教材第103頁(yè)“從運(yùn)動(dòng)情況確定受力”部分）如果已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律求出物體的加速度，結(jié)合受力分析，再根據(jù)牛頓第二定律求出力．三、思考判斷（1）物體的加速度方向就是其運(yùn)動(dòng)方向．（）（2）同一個(gè)物體，其所受合外力越大，加速度越大．（）（3）同一個(gè)物體，其所受合外力越大，運(yùn)動(dòng)越快．（）（4）根據(jù)物體加速度的方向可以判斷物體所受合外力的方向．（）（5）根據(jù)物體加速度的方向可以判斷物體受到的每個(gè)力的方向．（）（6）物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況是由它的受力決定的．（）（7）物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況是由它對(duì)其他物體的施力情況決定的．（）答案：（1）×（2）√（3）×（4）√（5）×（6）√（7）×四、啟迪思維，突破重點(diǎn)主題一：從受力確定運(yùn)動(dòng)情況問題探究探究點(diǎn)：如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為m的物體從靜止開始在斜向上的拉力F作用下，在動(dòng)摩擦因數(shù)為μ的粗糙水平面上加速運(yùn)動(dòng)．（1）如何確定物體運(yùn)動(dòng)的加速度？（2）如何確定物體某時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況？（3）由問題（1）、（2）得到的加速度在分析由受力情況確定運(yùn)動(dòng)情況的過(guò)程中起到怎樣的作用？提示：（1）對(duì)物體受力分析如圖，根據(jù)水平方向的受力情況和牛頓第二定律F合＝ma確定物體的加速度a．（2）根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，可確定某時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的v0、x、v、t等．（3）加速度是由物體受力情況確定運(yùn)動(dòng)情況的關(guān)鍵，起到了連接的橋梁作用．知識(shí)鏈接1：受力分析時(shí)應(yīng)注意（1）只分析物體受到的力．（2）根據(jù)力的產(chǎn)生條件、力作用的相互性及是否有施力物體等確定力是否存在．知識(shí)鏈接2：探究總結(jié)從受力確定運(yùn)動(dòng)情況的分析流程從受力情況確定運(yùn)動(dòng)情況應(yīng)注意（1）正方向的選?。和ǔ＿x取加速度的方向?yàn)檎较颍c正方向同向的力取正值，與正方向反向的力取負(fù)值．（2）方程的形式：牛頓第二定律F＝ma，體現(xiàn)了力是產(chǎn)生加速度的原因，方程式的等號(hào)左右應(yīng)該體現(xiàn)出前后因果關(guān)系的形式，不寫成F－ma＝0的形式．（3）單位制：求解時(shí)F、m、a采用國(guó)際單位制．典例示范例1：如圖所示，質(zhì)量為40kg的雪橇（包括人）在與水平方向成37°角、大小為200N的拉力F作用下，沿水平面由靜止開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)2s撤去拉力F，雪橇與地面間動(dòng)摩擦因數(shù)為0.20．g取10m/s2，cos37°＝0.8，sin37°＝0.6．求：（1）剛撤去拉力時(shí)雪橇的速度v的大?。?）撤去拉力后雪橇能繼續(xù)滑行的距離x．圖1 圖2解析：（1）對(duì)雪橇受力分析如圖1：豎直方向：FN1＋Fsin37°＝mg，且Ff1＝μFN1由牛頓第二定律：Fcos37°－Ff1＝ma1由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：v＝a1t1，解得：v＝5.2m/s．（2）撤去拉力后，受力如圖2，雪橇的加速度a2＝μg根據(jù)－v2＝－2a2x，解得：x＝6.76m答案：（1）5.2m/s（2）6.76m方法技巧根據(jù)物體的受力確定物體運(yùn)動(dòng)情況的解題步驟（1）確定研究對(duì)象，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，并畫出物體的受力圖．（2）根據(jù)力的合成與分解，求出物體所受的合外力（包括大小和方向）．（3）根據(jù)牛頓第二定律列方程，求出物體運(yùn)動(dòng)的加速度．（4）結(jié)合物體運(yùn)動(dòng)的初始條件，選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，求出所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)量——任意時(shí)刻的位移和速度等．訓(xùn)練1：[2019·江蘇連云港高一檢測(cè)]滑草是近幾年流行的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，和滑雪一樣能給運(yùn)動(dòng)者帶來(lái)動(dòng)感和刺激．如圖甲為某一娛樂場(chǎng)中的滑草場(chǎng)地，圖乙為其示意圖，其中斜坡軌道AB長(zhǎng)為64m，傾角為37°，軌道BC為足夠長(zhǎng)的水平草地．一滑行者坐在滑草盆中自頂端A處由靜止滑下，滑草盆與整個(gè)滑草軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為0．5，忽略軌道連接處的速率變化及空氣阻力，g取10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8．求：（1）滑草者及草盆在AB段的加速度大?。海?）滑到B點(diǎn)時(shí)的速度大??；（3）滑草者及草盆在水平軌道上滑行的最遠(yuǎn)距離．解析：（1）由牛頓第二定律：mgsin37°－μmgcos37°＝ma1得a1＝2m/s2．（2）由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：veq\o\al(2,B)＝2a1L1得vB＝eq\r(2×2×64)m/s＝16m/s．（3）在水平軌道上：μmg＝ma2得a2＝μg＝5m/s2而veq\o\al(2,B)＝2a2x得x＝eq\f(v\o\al(2,B),2a2)＝25.6m．答案：（1）2m/s（2）16m/s（3）25．6m主題二：從運(yùn)動(dòng)情況確定受力問題探究：探究點(diǎn)：如圖所示，一輛質(zhì)量為m的汽車在馬路上以v0的速度正常行駛，突然發(fā)現(xiàn)前方x處的紅燈亮了，司機(jī)應(yīng)緊急剎車，以防闖紅燈．（1）如何確定汽車剎車的加速度？（2）如何確定汽車剎車過(guò)程中的受力情況？提示：（1）剎車過(guò)程末速度為0，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式v2－veq\o\al(2,0)＝2ax，求得加速度．（2）根據(jù)牛頓第二定律F合＝ma，可求得汽車剎車過(guò)程中所受合力的大小．【探究總結(jié)】1．分析由運(yùn)動(dòng)情況確定受力問題的思維程序：2．根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)情況確定物體受力情況的解題步驟：（1）確定研究對(duì)象，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，并畫出物體的受力圖．（2）選擇合適的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，求出物體的加速度．（3）根據(jù)牛頓第二定律列方程求出物體所受的力．（4）根據(jù)力的合成和正交分解方法，求出所需求解的力．已知合力求分力時(shí)，若所求分力與合力在一條直線上，可將矢量運(yùn)算轉(zhuǎn)化為算術(shù)運(yùn)算；如果所求分力與合力不在一條直線上，需作出力的合成圖，根據(jù)幾何知識(shí)求解．典例示范例2：如圖所示的機(jī)車，質(zhì)量為100t，設(shè)它從停車場(chǎng)出發(fā)經(jīng)225m后速度達(dá)到54km/h，此時(shí)，司機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，讓機(jī)車進(jìn)站．機(jī)車又行駛了125m才停在站上，設(shè)機(jī)車所受的阻力保持不變，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)前機(jī)車所受的牽引力不變，求機(jī)車關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)前所受的牽引力．解題指導(dǎo)：（1）關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)前，機(jī)車在水平方向受牽引力、阻力，做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．（2）關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后，機(jī)車在水平方向受阻力，做勻減速直線運(yùn)動(dòng)．解析：設(shè)機(jī)車在加速階段的加速度為a1，減速階段的加速度為a2則：v2＝2a1x1，v2＝2a2x解得：a1＝0.5m/s2，a2＝0.9m/s2，由牛頓第二定律得：F－Ff＝ma1，F(xiàn)f＝ma2，解得：F＝1.4×105N．答案：1.4×105N,（1）合力方向與加速度的方向一定相同，所以我們可以根據(jù)加速度的方向確定合力方向．（2）合力方向與速度方向無(wú)必然聯(lián)系，加速度方向與速度方向也無(wú)必然聯(lián)系．訓(xùn)練2：[2019·淄博高一檢測(cè)]如圖所示，一個(gè)質(zhì)量m＝10kg的物體，沿著傾角θ＝37°的固定斜面由靜止開始勻加速滑下，在t＝3s的時(shí)間內(nèi)下滑的路程x＝18m，求：（1）物體和斜面間的摩擦力．（2）物體和斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)．（g取10m/s2）解析：（1）根據(jù)x＝eq\f(1,2)at2，得：a＝eq\f(2x,t2)＝eq\f(2×18,32)m/s2＝4m/s2根據(jù)牛頓第二定律得：mgsinθ－Ff＝ma，解得：Ff＝20N（2）根據(jù)Ff＝μFN，又FN＝mgcos37°聯(lián)立解得：μ＝eq\f(Ff,FN)＝eq\f(Ff,mgcos37°)＝eq\f(20,100×0.8)＝0.25．答案：（1）20N（2）0．25五、達(dá)標(biāo)檢測(cè)1．用30N的水平外力F拉一個(gè)靜止放在光滑水平面上的質(zhì)量為20kg的物體，力F作用3s后消失，則第5s末物體的速度和加速度分別是（）A．v＝4.5m/s，a＝1.5m/s2B．v＝7.5m/s，a＝1.5m/s2C．v＝4.5m/s，a＝0D．v＝7.5m/s，a＝0解析：由牛頓第二定律得加速度a＝eq\f(F,m)＝eq\f(30,20)m/s2＝1.5m/s2，力F作用3s時(shí)速度大小為v＝at＝1.5×3m/s＝4.5m/s，而力F消失后，其速度不再變化，物體加速度為零，故C正確．答案：C2．一間新房要蓋屋頂，為了使下落的雨滴能夠以最短的時(shí)間淌離屋頂，則所蓋屋頂?shù)捻斀菓?yīng)為（設(shè)雨滴沿屋頂下淌時(shí)，可看成在光滑的斜坡上下滑）（）A．60°B．90°C．120°D．150°解析：由題意知，雨滴沿屋頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程中受重力和支持力作用，設(shè)其運(yùn)動(dòng)的加速度為a，屋頂?shù)捻斀菫?α，則由牛頓第二定律得a＝gcosα．又因房屋的前后間距已定，設(shè)為2b，則雨滴下滑經(jīng)過(guò)的屋頂面長(zhǎng)度x＝eq\f(b,sinα)，由x＝eq\f(1,2)at2得t＝eq\r(\f(4b,gsin2α))，則當(dāng)α＝45°時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間t最小，則屋頂?shù)捻斀菓?yīng)取90°，B正確．答案：B3．如圖所示，在行駛過(guò)程中，如果車距不夠，剎車不及時(shí)，汽車將發(fā)生碰撞，車?yán)锏娜丝赡苁艿絺Γ疄榱吮M可能地減少碰撞引起的傷害，人們?cè)O(shè)計(jì)了安全帶及安全氣囊．假定乘客質(zhì)量為70kg，汽車車速為108km/h（即30m/s），從踩下剎車到車完全停止需要的時(shí)間為5s，安全帶及安全氣囊對(duì)乘客的作用力大約為（）A．420NB．600NC．800ND．1000N解析：從踩下剎車到車完全停止的5s內(nèi)，人的速度由30m/s減小到0，視為勻減速運(yùn)動(dòng)，則有a＝eq\f(v－v0,t)＝－eq\f(30,5)m/s2＝－6m/s2．根據(jù)牛頓第二定律知安全帶及安全氣囊對(duì)乘客的作用力F＝ma＝70×（－6）N＝－420N，負(fù)號(hào)表示力的方向跟初速度方向相反．所以選項(xiàng)A正確．答案：A4．戰(zhàn)士拉車胎進(jìn)行100m賽跑訓(xùn)練體能．車胎的質(zhì)量m＝8.5kg，戰(zhàn)士拉車胎的繩子與水平方向的夾角為θ＝37°，車胎與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.7．某次比賽中，一名戰(zhàn)士拉著車胎從靜止開始全力奔跑，跑出20m達(dá)到最大速度（這一過(guò)程可看做勻加速直線運(yùn)動(dòng)），然后以最大速度勻速跑到終點(diǎn)，共用時(shí)15s．重力加速度g＝10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8．求：（1）戰(zhàn)士加速所用的時(shí)間t1和達(dá)到的最大速度大小v；（2）戰(zhàn)士勻加速運(yùn)動(dòng)階段繩子對(duì)車胎的拉