牛顿运动定律知识结构文档格式.docx

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1．经历自己设计实验探究加速度与力和质量的关系，体会在实验中用等效替代的方法测量物理量的方法，并体会观察、分析解决问题和交流合作的重要性

2．学习运用列表法、图象法处理数据，体会归纳法是物理学研究的重要方法

牛顿第二定律

1．理解力是产生加速度的原因．

2．认识加速度方向与合力方向的关系，认识加速度与合力间的瞬时对应关系．

3．理解牛顿第二定律．

4．知道力的单位“牛顿”是如何定义的

1．经历力的单位的确定过程，初步领略物理学的奇妙．

2．经历从实验结果得出牛顿第二定律的过程，体会根据控制变量法得到的实验结果揭示物理规律的方法．

3．尝试分析实例，体会牛顿第二定律处理力学问题的重要性

力学单位制

1．知道单位是为了测量、比较物理量的大小而建立的．

2．知道什么是单位制，基本单位，导出单位，知道力学中的三个基本单位．

3．学会在物理计算中使用单位制．

4．了解国际单位制的七个基本单位

阅读单位制，关注单位在物理学中的作用，养成解决问题时注重物理单位的习惯，形成良好的解题习惯

4．通过体验超重、失重，体会物理实验的重要意义

牛顿第三定律

1．认识物体间的作用是相互的，并举例描述．

2．理解作用力和反作用力的关系与两个物体相互作用的方式、相互作用时的运动状态均无关．

3．理解作用力与反作用力同时产生、同时消失、同时变化，是同一性质的力．

4．能区分相互作用力和平衡力．

5．掌握牛顿第三定律的应用

1．观察生活实例以及实验，体会作用力与反作用力的关系．

2．经历探究作用力与反作用力关系的过程，体会归纳法在发现物理规律中的重要作用

用牛顿定律解决问题

（一）

1．进一步理解运动和力的关系．

2．掌握由受力情况确定运动情况的分析过程及方法．

3．掌握由运动情况确定受力情况的分析过程及方法．

4．进一步理解在分析力学问题时需对研究对象进行受力分析和运动状态分析

通过指导学生交流分析两类问题，关注两类问题的区别与联系，养成在众多实际问题中总结归纳问题的共性和特性的习惯

用牛顿定律解决问题

（二）

1．理解共点力的平衡条件，能应用牛顿运动定律解决实际问题．

2．理解超重和失重现象，并能用牛顿第二定律解释此现象，理解超重和失重产生的原因

1．观察处于平衡状态的物体，思考物体平衡的条件．

2．体验超重和失重，加强感性认识．

3．经历超重和失重现象原因的探究过程，学会科学探究的方法，形成应用牛顿运动定律解决实际问题的能力

5．通过牛顿运动定律的应用，培养理论联系实际的意识

Ⅱ学习指导

一、本章知识结构（参照下页结构图）

二、本章重点难点分析

1．牛顿第一定律

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态．

想一想

有人认为牛顿第一定律可有可无．因为“若加速度为零，第二定律就变成第一定律”，所以“第一定律是第二定律的特例”．对此，你如何认识?

2．量度物体惯性大小的物理量是物体的质量

（1）惯性是物体具有的保持静止或匀速直线运动状态的性质．任何物体都具有惯性．

（2）维持物体运动状态的原因是惯性，而物体运动状态改变的原因是外力．

（3）惯性是物体的固有属性，不随外界条件改变；

质量是物体惯性大小的量度．

例1．在交通拥挤的地方，无论是开汽车还是骑自行车都必须放慢速度，否则遇到紧急情况我们根本无法及时将车刹住，所以物体运动的速度越大，惯性也就越大．这种说法是否正确?

为什么?

解答：

不正确．由运动学公式我们知道，速度越大，刹车的时间和距离会越长．但是这不代表物体的惯性越大．

在刹车情况下，惯性反映的是物体对速度减慢的抵抗，即在同样阻力下，用物体的加速度大小来量度，而不是减停的时间和距离．我们知道，在同等的外部条件下，质量大的车更难刹住，或者启动更慢，我们就认为它们表现出的惯性更大．惯性仅仅和物体自身质量有关，质量越大惯性越大，而与物体的运动状态无关．比如：

在物体运动状态改变时，惯性（质量）大小会对物体运动状态改变的难易产生影响．

3．探究加速度与力、质量的关系

（1）研究多变量问题用控制变量法．

（2）用列表法和图象法处理数据．

（3）由a

F和

推导出牛顿第二定律

如图4－1所示，放在水平桌面上的物体m2通过轻质绳和定滑轮与m1相连．若将m1去掉，用大小为m1g的力F向下拉绳子．两种情况下，物体m2的加速度大小相等吗?

图4－1

4．牛顿第二定律

物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同．需要注意两点：

（1）加速度的方向与作用力的方向相同，但加速度的方向不一定与速度方向一致．

（2）加速度的大小随着作用力大小的改变而改变．

例2．惯性制导系统已广泛应用于弹道式导弹工程中，这个系统的重要元件之一是加速度计．加速度计构造原理的示意图如图4－2所示：

沿导弹长度方向安装的固定光滑杆上套一质量为m的滑块，滑块两侧分别与劲度系数均为k的弹簧相连；

两弹簧的另一端与固定壁相连．滑块原来静止．弹簧处于自然长度．滑块上有指针，可通过标尺测出滑块的位移，然后通过控制系统进行制导．设某段时间内导弹沿水平方向运动，指针向左偏离0点的距离为s，则这段时间内导弹的加速度为多大?

方向如何?

图4－2

滑块偏左，使得左侧弹簧被压缩s，右侧弹簧被拉伸s，滑块所受的合力方向向右，大小为2ks．所以滑块的加速度为2ks/m，方向向右．

例3．一个物体受到一个逐渐减小的力的作用．

（1）力的方向跟物体初速度方向相同，物体的速度怎样改变?

（2）若力的方向跟原来物体的速度方向垂直，物体还能做直线运动吗?

（1）物体速度一直变大．物体作加速度减小的加速直线运动．

（2）物体将作曲线运动．

想一想：

从牛顿第二定律知道，无论怎么小的力都可以使物体产生加速度．可是我们用力提一个放在地面上的很重的物体时，或者去推它时，却提不动它，或推不动它．这跟牛顿第二定律是否矛盾?

5．力学单位制

（1）基本单位：

选定的几个基本量的单位．

（2）导出单位：

由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量的单位．

（3）七个基本单位：

千克（kg）、米（m）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）、坎德拉（cd）

例4．在下面列举的物理量单位中，哪些是国际单位制的基本单位（）

A．千克（kg）B．米（m）C．开尔文（K）D．牛顿（N）

答案：

ABC

6．牛顿第三定律

（1）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）作用力和反作用力与一对平衡力的区别与联系．可以从作用点、作用力的性质、作用存在的时间、作用效果、物体的运动状态等方面进行分析．

“以卵击石，石头无恙而鸡蛋碎了，是因为鸡蛋对于石头的作用力小于石头对鸡蛋的作用力．”这个说法对吗?

怎样解释这个现象?

例5．人在沼泽地行走时容易下陷．下陷时（）

A．人对沼泽地地面的压力大于沼泽地地面对人的支持力

B．人对沼泽地地面的压力等于沼泽地地面对人的支持力

C．人对沼泽地地面的压力小于沼泽地地面对人的支持力

D．以上说法都不正确

B正确．虽然人与地之间的力大小相等，但人受到的重力大于沼泽地对人的支持

力，所以人下陷．

7．用牛顿定律解决问题

（1）共点力的平衡条件：

物体所受合力为0．

（2）两类问题

·

如果已知物体的受力情况，可以由牛顿第二定律求出物体的加速度，再通过运动

学的规律就可以确定物体的运动情况．

如果已知物体的运动情况，根据运动学公式求出物体的加速度，再由牛顿第二定

律确定物体所受的外力．

基本思路：

“两个分析一个桥”，两个分析是受力情况分析和运动情况分析，桥是牛顿第二定律，它把“受力情况分析”和“运动情况分析”联结起来．解决问题时，要根据问题的情景，首先明确是从受力情况确定加速度还是从运动状态确定加速度．

（3）超重、失重

超重：

当物体向上加速或向下减速时，物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力．

失重：

当物体向下加速或向上减速时，物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力．

在对研究对象进行正确的受力分析和运动状态分析的基础上，然后利用牛顿第二定律这个桥梁，把力与运动结合起来．这是解决力学问题的重要方法之一．

例6．风洞实验室中可以产生水平方向的、大小可调节的风力，现将一套有小球的细直杆放入风洞实验室，小球孔径略大于细杆直径，如图4－3所示．

图4－3

（1）当杆在水平方向上固定时，调节风力的大小，使小球在杆上做匀速运动，这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍，求小球与杆间的滑动摩擦因数．

（2）保持小球所受风力不变，使杆与水平方向间夹角为37°

并固定，则小球从静止出发在细杆上滑下距离s所需时间为多少?

（sin37°

＝0.6，cos37°

＝0.8）

（1）小球受力平衡，水平方向有0.5mg＝μmg

解得动摩擦因数μ＝0.5

（2）小球受力如图所示，根据牛顿第二定律

x方向Fcosθ＋mgsinθ－μFN＝ma

y方向FN＋Fsinθ－mgcosθ＝0

解得a＝0.75g

根据

解得

例7．如图4－4所示，一个盛水的容器底部有一小孔．静止时用手指堵住小孔不让它漏水，假设容器在下述几种运动过程中没有转动且忽略空气阻力．下列判断正确的是（）

图4－4

A．容器自由下落时，小孔向下漏水

B．将容器竖直向上抛出，容器向上运动时，小孔向下漏水；

容器向下运动时，小孔不向下漏水

C．将容器水平抛出，容器在运动中小孔不向下漏水

D．将容器斜向上抛出，容器在运动中小孔不向下漏水

CD正确．无论容器是自由下落，还是向各个方向抛出，在运动过程中，小孔都不会有水漏出来．原因是在空中的容器和容器内的水，只受到重力的作用，重力的作用效果全部用来产生重力加速度，没有使水与水之间，水与容器之间发生挤压（形变）的效果．换句话说，一点也没有了水压，处于完全失重状态．实际情况下是有阻力的，想想结果会怎样?

同学们可以试一试．

Ⅲ探究实践

做一做

（1）如图4－5所示，用尺迅速打出下面的棋子，观察上面的棋子是否还保持原来的静止状态?

并解释观察到的现象．

图4－5

（2）找两个瓶子（内盛水）、一个小铁球、一个与小铁球体积相同的小泡沫塑料球、一根细绳．将它们系好，小铁球在水中下沉，瓶正放，泡沫塑料球在水中上浮，瓶倒放．如图4－6所示，当瓶突然向前运动时，观察比较球的运动状态．你看到的现象也许会令你惊讶，小铁球的运动正如你所想的一样，相对瓶来说是向后运动的，而泡沫塑料球相对瓶来说是向前运动的（如图4－7所示）．

图4－6

图4－7

解释：

先把小球想像成一个水球，当瓶突然向前运动时，这个水球相对于水既不向前也不向后，即加速度与周围水的一样，而它受到周围水对它的作用力为F．当把水球换成铁球时，由于体积没变，受到的力也不变，仍为F，但质量比水球大了，所以加速度比周围水的小了，所以相对瓶向后．同理，可得质量比水球小的塑料球，加速度较大，所以相对瓶向前．

（3）你站在电梯中一个体重计上，观察电梯运动过程中体重计示数的变化．并解释观察到的现象．

（1）现有两个材料和粗糙程度相同的物块A、B，一卷细绳，一架天平（带砝码），一把米尺和一张边缘带有光滑定滑轮的水平桌面，如图4－8所示．仅限于以上器材，请设计一个估测物块与桌面间动摩擦因数的实验，要求写出主要的实验步骤，并利用测量量求出动摩擦因数μ的表达式．（要注意实验的可操作性）

图4－8

（2）在探究加速度与力、质量的关系时，我们采用了控制变量法来设计实验，这种处理方法在生活或者学习中是否还遇到过?

读一读

（1）亚里士多德生平

亚里士多德（Aristotle，前384—前322）古希腊哲学家、科学家．诞生在斯塔基拉希腊移民区．曾经跟随父亲学医．18岁时，被送到雅典，进入柏拉图（前427—前347）学园学习．成为柏拉图的得意门生，但是他的许多学术观点跟柏拉图并不相同．他喜欢独立思考，对于老师传授的知识，他都要寻根究底地仔细研究，绝不盲从．他说：

“教师是可敬的，但真理更可贵．”公元前347年，柏拉图逝世．4年以后，亚里士多德被国王召去做王储亚历山大的教师，因此他在马其顿居住了7年．亚历山大当政后，年近半百的亚里士多德又回到了雅典．

公元前335年，亚里士多德在雅典创建了一所名为吕克昂的学校，建立了有名的学派，即后人称为逍遥派．他在校教书12年，同时对植物、动物、天文、气象、数学和物理等方面进行了研究，并将研究结果，写成许多书．据说有一段时间里，在他手下工作的有1000名学者，帮助他编辑各种科学著作．亚里士多德一生的著作有1000部之多，他研究成果之多、范围之广，是前无古人的．研究科学论证和公理推导形式的逻辑学著作，如《分析前篇》、《分析后篇》、《范畴学》、《对诡辩的驳斥》等．在古代就被汇集成为《科学的工具》、《动物志》、《动物的构成》、《动物的起源》、《动物的活动》等著作．直到19世纪还吸引着科学界．他的《心灵》为心理学奠定了基础．他研究物理及相邻自然科学的著作更为恢弘，有《物理学》、《天论》、《论生天》、《气象学》、《力学问题》及14卷巨著《玄学》（意思是“物理之后”）．

亚里士多德力图以世界的本来面目来说明各种自然现象，这是他的进步之处．但由于当时研究物理只是依靠直觉和思维来进行，所以他的很多关于物理方面的论述，显然今天看来是错误的，然而在当时，能够摆脱神的意志，特别是形成一套自圆其说的体系，这是很不简单的．亚里士多德曾经说过：

“我没有现成的根据，没有可照抄的模型，我是一个开拓者，所以我是很渺小的．我希望读者诸君承认我已成就的，原谅我未能成就的．”

（摘自《中国中学教学百科全书（物理卷）》第465页）

（2）牛顿生平

牛顿是英国物理学家、数学家和天文学家，1643年1月4日诞生于英国林肯郡的一个小镇乌尔斯索普的一个农民家庭．牛顿出生之前，他的父亲就去世了，从小跟着祖母生活．牛顿自幼性格倔强，喜欢组合各种复杂的机械玩具、模型．他做的风车、风筝、日晷、漏壶等都十分精巧．

牛顿在中学时代学习成绩并不出众，只是爱好读书，对自然现象有好奇心，并有很好的技巧，喜欢别出心裁地做些小工具、小发明、小实验．牛顿中学时期的校长及牛顿的一位舅父独具慧眼，鼓励牛顿上大学读书．牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，成为一名优秀的学生，1665年毕业于剑桥大学并获学士学位．1669年，年仅26岁的牛顿就担任了剑桥大学的教授，1672年他被接纳为英国皇家学会会员，1703年被选为皇家学会主席．牛顿于1727年3月逝世，国葬于伦敦威斯敏斯特教堂．

牛顿对自然科学的发展作出了重大贡献，在力学方面，他在伽利略等人工作的基础上进行深入研究，总结出机械运动的三个定律．他进一步开展了开普勒等人的工作，发现了万有引力定律．他把日常所见的重力和决定天体运动的引力统一起来，在科学史上有特别重要的意义．1687年他在天文学家哈雷的鼓励和赞助下，出版了著名的《自然哲学的数学原理》一书．在这本书里，他用数学解释了哥白尼学说和天体运动的现象，阐明了运动三定律和万有引力定律等，

在光学方面，他曾致力于光的颜色和光的本性的研究，用棱镜进行光的色散实验，证明了白光是由单色光复合而成的,为光谱分析奠定了基础；

发现了光的一种干涉图样，称为牛顿环；

制作了新型的反射望远镜，考察了行星的运动规律；

创立了光的微粒说．在一定程度上反映了光的本性．

在数学方面，牛顿在前人工作的基础上，发现了二项式定理，创立了微积分学，开辟了数学史上的一个新纪元．

在谈及个人的成就时，牛顿曾经说道：

“如果说我比一些人看得远一些，那是因为我站在巨人们肩上的缘故．”牛顿的这种谦逊精神永远值得后人敬仰和学习．

1942年，爱因斯坦在纪念牛顿诞生300周年写的文章中，对牛顿的一生作如下的评价：

“只有把他的一生看作为永恒真理而斗争的舞台上的一幕，才能真正理解他．”（摘自人民教育出版社2003年6月第1版《全日制普通高级中学（必修）物理第一册教师教学用书》第74页）

（3）理想实验及其在科学研究中的作用

所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法．

“理想实验”虽然也叫做“实验”，但它同前面所说的真实的科学实验是有原则区别的，真实的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动；

前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”．但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想．首先，“理想实验”是以实践为基础的．所谓的“理想实验”就是在真实的科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程做出更深入一层的抽象分析．其次，“理想实验”的推理过程，是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的．

在自然科学的理论研究中，“理想实验”具有重要的作用．作为一种抽象思维的方法“理想实验”可以使人们对实际的科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论．

例如，作为经典力学基础的惯性定律，就是“理想实验”的一个重要结论．这个结论是不能直接从实验中得出的．伽利略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等．伽利略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等．然后他推想说，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度．最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去．这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉．所以，这只是一个“理想实验”．但是，伽利略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来1000多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础．后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律．

爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾经做了关于同时性的相对性的一个“理想实验”．即当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的铁道旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的．但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的．因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点．因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动中的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮．同时性的相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程中的一个关键．

爱因斯坦在建立广义相对论时，做了自由下落的升降机的“理想实验”．他设想：

在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方．因为，在他的坐标系中，引力场已经被屏蔽或排除了．但是，在升降机外面的观察者看来，则发现这两个物体以同样的加速度向地面落下．这个情况正揭露了引力质量和惯性质量的相等．爱因斯坦又设想了另一种情况的“理想实验”．即：

升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下竖直向上运动（即强化了升降机内部的引力场）．同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上．爱因斯坦根据光具有质量以及惯性质量和引力质量等效的事实，预言一束光在引力场中会由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样．爱因斯坦预言的光线在引力场中会弯曲这一广义相对论效应，已为后来的观测结果所证实．

“理想实验”在自然科学的理论研究中有着重要的作用．但是，“理想实验”的方法也有其一定的局限性．“理想实验”只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验认识正确与否的标准．相反，由“理想实验”所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验．

（摘自人教社1995年第2版《高级中学物理第一册（必修）教学参考书》第191页）

Ⅳ诊断反馈

第一节牛顿第一定律

1．下列说法正确的是（）

A．凡是运动的物体一定受到了力作用

B．因为“物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫惯性”，所以只有处于匀速直线运动状态或静止状态的物体才具有惯性

C．物体不受力的作用不能从静止到运动

D．行驶着的车辆突然刹车时，车上的乘客将向前倾倒，这是因为刹车时乘客受到向前的冲力作用

2．伽利略的斜面实验说明了（）

A．要物体运动必须有力作用，没有力作用的物体将静止

B．要物体静止必须有力作用，没有力作用的物体就运动

C．物体不受外力作用时，一定处于静止状态

D．物体不受外力作用时总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态

3．根据牛顿第一定律可知（）

A．静止的物体一定不受其它外力的作用

B．物体做匀速直线运动是因为它受到惯性力的缘故

C．力停止作用后，物体就慢慢停下来

D．物体运动状态改变时，一定受外力的作用

4．对物体的惯性有下面一些理解，下列说法正确的是（）

A．汽车快速行驶时惯性大，因而刹车时费力．惯性与物体的速度大小有关

B．在月球上举重比在地球上容易，所以同一物体在地球上惯性比在月球上大

C．加速运动时，物体有向后的惯性；

减速运动时，物体有向前的惯性

D．不论在什么地方，不论物体原运动状态如何，物体的惯性是客观存在的，惯性的大小与物体的质量有关

5．火车在平直的水平轨道上匀速行驶，门窗关闭的车厢内有一人向上跳起，发现仍落回原处，这是因为（）

A．人跳起时会得到一个向前的冲力，使他随火车一起向前运动

B．人跳起的瞬间，车厢地板给他一个向前的力，使他随火车一起向前运动

C．人跳起后车在继续前进，所以人落下后必然偏后一些，只是距离很小无法区别而已

D．人跳起后直至落地，在水平方向上人和车具有相同的速度

6．关于惯性，下列说法正确的是（）

A．物体有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性

B．物体不受外力作用时保持静