高中物理必修一第四章牛顿运动定律学案.docx
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高中物理必修一第四章牛顿运动定律学案
第1节 牛顿第一定律
学习目标;
1.知道伽利略的理想实验及其推理过程，知道理想实验是科学研究的重要方法.
2.理解牛顿第一定律的内容及意义.
3.理解惯性的概念，会解释有关的惯性现象．
一、理想实验的魅力
[问题设计]
1．如果没有摩擦阻力，也不受其他任何力的作用，水平面上运动的物体会怎样？
请阅读课本中的“理想实验的魅力”，思考伽利略是如何由理想实验得出结论的．
[要点提炼]
1．关于运动和力的两种对立的观点
（1）亚里士多德的观点：
必须有力作用在物体上，物体才能；没有力的作用，物体就要静止在一个地方．力是的原因．
这种错误的观点统治了人们的思维近两千年．
（2）伽利略的观点（伽利略第一次提出）：
物体的运动（填“需要”或“不需要”）力来维持．
2．伽利略的理想实验的意义
（1）伽利略的理想实验将可靠的事实和理论思维结合起来，即采用“可靠事实＋抽象思维＋科学推论”的方法推翻了亚里士多德的观点，初步揭示了运动和力的正确关系．
（2）第一次
确立了物理实验在物理学中的地位．
二、牛顿物理学的基石——惯性定律
1．牛顿第一定律：
。
2．对牛顿第一定律的理解
（1）定性说明了力和运动的关系．
①说明了物体不受外力时的运动状态：
②说明力是的原因．
（2）揭示了一切物体都具有的一种固有属性——惯性．因此牛顿第一定律也叫惯性定律．
3．物体运动状态的变化即物体运动速度的变化，有以下三种情况：
（1）速度的方向不变，只有改变．（物体做直线运动）
（2）速度的大小不变，只有改变．（物体做曲线运动）
（3）速度的大小和方向同时发生改变．（物体做曲线运动）
三、惯性与质量
[问题设计]
坐在公共汽车里的人，当汽车突然启动时，有什么感觉？
当运动的汽车突然停止时，又有什么感觉？
解释上述现象．
[要点提炼]
1．惯性：
。
2．惯性与质量的关系
（1）惯性是物体的，一切物体都具有惯性．
（2）质量是物体惯性大小的唯一量度，质量越大，惯性
3．惯性与力无关
（1）惯性不是力，而是物体本身固有的一种性质，因此物体“受到了惯性作用”、“产生了惯性”、“受到惯性力”等说法都是错误的．
（2）是改变物体运动状态的原因．维持物体运动状态的原因．
4．惯性的表现
（1）不受力时，惯性表现为保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，有“惰性”的意思．
（2）受力时，惯性表现为的难易程度．质量越大，惯性越大，运动状态越改变．
[延伸思考]
人能推动冰面上的重箱子，用同样的力却推不动粗糙地面上不太重的箱子，是不是冰面上的重箱子惯性小于粗糙地面上不太重的箱子呢？
为
什么？
【课时作业】
题组一 伽利略的理想实验
1．下列关于对运动的认识不符合物理学史实的是（ ）
A．亚里士多德认为物体的自然状态是静止的，只有当它受到力的作用时才会运动
B．伽利略认为力不是维持物体运动的原因
C．牛顿认为力的真正效果是改变物体的速度，而不仅仅是使之运动
D．伽利略根据理想实验推论出，如果没有摩擦，在水平面上的物体，一旦具有某个速度，将保持这个速度继续运动下去
2．如图是伽利略的“理想实验”，根据该实验下列说法正确的是（ ）
A．该实验为牛顿第二定律的提出提供了有力的实验依据
B．该实验是理想实验，是在思维中进行的，无真实的实验基础，故其结果并不可信
C．该实验充分证实了亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的结论
D．该实验说明了物体的运动不需要力来维持
3．伽利略的理想斜面实验的意义是（ ）
A．证明了力不是维持物体运动的原因
B．证明了力是维持物体运动的原因
C．证明小球总能滚到另一斜面上同一高度
D．证明小球总能在水平面上做匀速直线运动
题组二 对牛顿第一定律的理解
4．下列说法正确的是（ ）
A．牛顿第一定律是科学家凭空想象出来的，没有实验依据
B．牛顿第一定律无法用实验直接验证，因此是不成立的
C．理想实验的思维方法与质点概念的建立一样，都是一种科学抽象的思维方法
D．由牛顿第一定律可知，静止的物体一定不受外力作用
5．下列物理现象中，可以用牛顿第一定律解释的是（ ）
A．必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来
B．物体如果向正北方向运动，其受外力方向必须指向正北
C．如果没有外力作用，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向
D．力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因
6．如图所示，桌面上有一上表面光滑的木块，木块上有一小球，快速向右推动木块，小球的位置可能落在桌面上的哪点（ ）
A．A点 B．B点C．O点D．无法确定
7．如图所示，在一辆表面光滑且足够长的小车上，有质量为m1和m2的两个小球（m1>m2），两个小球随车一起运动，当车突然停止运动时，若不考虑其他阻力，则两个小球（ ）
A．一定相碰B．一定不相碰C．不一定相碰D．无法确定
8．如图所示，一个劈形物体A，各面均光滑，放在固定的斜面上，上表面水平，在上表面上放一光滑的小球B，劈形物体A从静止开始释放，则小球在碰到斜面前的运动轨迹是（ ）
A．沿斜面向下的直线B．竖直向下的直线
C．无规则曲线D．抛物线
题组三 对惯性的理解
9．人从行驶的汽车上跳下来后容易（ ）
A．向汽车行驶的方向跌倒B．向汽车行驶的反方向跌倒
C．向汽车右侧跌倒D．向汽车左侧跌倒
10．对下列现象解释正确的是（ ）
A．在一定拉力的作用下，车沿水平面匀速前进，没有这个拉力，小车就会停下来，所以力是维持物体运动状态的原因
B．向上抛出的物体由于惯性，所以向上运动，以后由于重力作用，惯性变小，所以速度也越来越小
C．急刹车时，车上的乘客由于惯性一样大，所以都会向前倾倒
D．质量大的物体运动状态不容易改变，是由于物体的质量越大，惯性越大
11．关于惯性，下列说法正确的是（ ）
A．物体自由下落时，速度越来越大，所以物体的惯性消失
B．物体被上抛后，速度越来越小，是因为物体具有的惯性越来越大
C．质量相同的物体，速度较大的惯性一定大
D．质量是物体惯性的量度，惯性与速度及物体的受力情况无关
12．月球表面的重力加速度为地球表面的重力加速度的
，同一个飞行器在月球表面上时与在地球表面上时相比较（ ）
A．惯性减小为
，重力不变
B．惯性和重力都减小为
C．惯性不变，重力减小为
D．惯性和重力都不变
13．下面是摘自上个世纪美国报纸上的一篇小文章：
阿波罗登月火箭在脱离地球飞向月球的过程中，飞船内宇航员通过无线电与在家中上小学的儿子汤姆通话．宇航员：
“汤姆，我们现在已关闭火箭上所有发动机，正向月球飞去．”汤姆：
“你们关闭了所有发动机，那么靠什么力量推动火箭向前运动？
”宇航员犹豫了半天，说：
“我想大概是伽利略在推动火箭向前运动吧．”若不计星球对火箭的作用力，由上述材料可知下列说法正确的是（ ）
A．汤姆问话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”
B．宇航员答话所体现的物理思想是“力是维持物体运动的原因”
C．宇航员答话所体现的物理思想是“物体运动不需要力来维持”
D．宇航员答话的真实意思是火箭正在依靠惯性飞行
第2节 实验：
探究加速度与力、质量的关系
学习目标;
1.学会用控制变量法研究物理规律.
2.会测量加速度、力和质量，能作出物体运动的a－F、a－
图象.
3.通过实验探究加速度与力、质量的定量关系．
一、实验器材
小车、砝码、小桶、砂、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、、纸带、、．
二、实验原理
实验的基本思想——控制变量法
1．保持研究对象即小车的质量不变，改变小桶内砂的质量，即改变，测出小车的对应加速度，验证加速度是否正比于作用力．
2．保持小桶中砂的质量不变，即保持不变，改变研究对象的，测出对应不同质量的加速度，验证加速度是否反比于质量．
三、实验方案的设计
1．三个物理量的测量方法——近似法
放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动．（
装置如图所示）．
（1）小车质量的测量
利用测出，在小车上可改变小车的质量．
（2）拉力的测量
当小桶和砂的质量小车的质量时，可以认为小桶和砂的重力近似等于对小车的拉力，即F≈mg.
（3）加速度的测量：
逐差法．
2．实验数据的处理方法——图象法、“化曲为直”法
（1）研究加速度a和力F的关系
以加速度a为纵坐标，以力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象，如图所示，若图象是一条，就能说明a与F成正比．
（2）研究加速度a与物体质量m的关系
如图甲所示，因为a－m图象是曲线，检查a－m图象是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难．若a和m成反比，则a与
必成．我们采用“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以
为横坐标，作出a－
图象，若a－
图象是一条过原点的直线，如图乙所示，说明a与
成正比，即a与m成．
四、实验步骤
1．用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来．
2．按图所示的装置把实验器材安装好．
3．平衡摩擦力：
在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，多次移动木块位置，直到轻推小车，使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止．
4．在小桶里放入适量的砂，在小车上加放适量的砝码，用天平测出小桶和砂的质量m，并记录下来．接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带．
5．保持小车的质量不变，改变砂和小桶的质量，按步骤4再做5次实验．
6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，算出每条纸带对应的加速度的值并记录在表格的相应位置．
次数
1
2
3
4
5
6
小车加速度a/（m·s－2）
砂和小桶的质量m/kg
拉力F/N
7.用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a－F图象，从而得出a－F的关系．
8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，并设计表格如下．根据实验结果画出小车运动的a－
图象，从而得出a－M的关系.
次数
1
2
3
4
5
6
小车加速度a/（m·s－2）
小车质量M/kg
/kg－1
9.整理实验器材，结束实验．
五、注意事项
1．实验中应先接通电源后释放小车．
2
．在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源．用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点间隔均匀，
表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡．
3．改变砂的质量过程中，要始终保证砂桶（包括砂）的质量远小于小车的质量．
4．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去．
例1
某实验小组利用图所示的装置探究加速度与力、质量的关系．
（1）下列做法正确的是________（填字母代号）．
A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行
B．在调节长木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上
C．
实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源
D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度
（2）当木块（及木块上的砝码）的质量M与小桶（包括桶内砝码）的质量m的大小关系满足______________时，才可以认为细绳对木块的拉力大小等于桶及桶中砝码的重力．
（3）图是甲、乙两同学研究了加速度与力的关系，并根据实验数据画出的图象．
形成图线甲的原因是__________________________．
形成图线乙的原因是__________________________．
例2
如图甲所示，在探究加速度与力、质量的关系实验中，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后面拖动的纸带打上的点计算出．
（1）当M与m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小约等于盘及盘中砝码的重力．
（2）一组同学在做加速度与质量的关系实验时，保持盘及盘中砝码的质量一定，改变小车及车中砝码的质量，测出相应的加速度，采用图象法处理数据．为了比较容易地观测加速度a与质量M的关系，应该做a与__________的图象．
（3）乙、丙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的a—
图线如图乙所示，两个同学做实验时的盘及盘中砝码的质量m乙__________（填“大于”“小于”或“等于”）m丙．
【课时作业】
1.在利用打点计时器探究加速度与力、质量的关系的实验中，以下做法正确的是（ ）
A．平衡摩擦力时，应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上
B．
每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力
C．实验时，先放开小车，后接通电源
D．“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究过程也不会产生影响
2．如图所示，在探究加速度和力、质量的关系的实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有（ ）
A．当m1＝m2、F1＝2F2时，x1＝2x2
B．当m1＝m2、F1＝2
F2时，x2＝2x1
C．当F1＝F2、m1＝2m2时，x1＝2x2
D．当F1＝F2、m1＝2m2时，x2＝2x1
3．利用如图甲所示的装置探究“质量一定，加速度与力的关系”实验时，甲同学根据实验数据画出的小车的加速度a和小车所受拉力F的图象如图乙中的直线Ⅰ所示，乙同学画出的a－F图象如图乙中的直线Ⅱ所示．直线Ⅰ、Ⅱ在两个坐标轴上的截距都比较大，明显超出了误差范围，下面关于形成这种状况的解释正确的是（ ）
A．实验前甲同学没有平衡摩擦力
B．甲同学在平衡摩擦力时，把长木板不带滑轮的一端垫得过高了
C．实验前乙同学没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够
D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板不带滑轮的一端垫得过高了
4．用如图所示的装置探究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：
A．用天平称出小车和小桶及其内部所装砂子的质量
B．按图装好实验器材
C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶
D．将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上
E．先放开小车，
再接通电源，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量
F．保持小桶及其内部所装砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验
G．分析每条纸带，测量并计算出加速度的值
H．作a－M关系图象，并由图象确定a－M关系
（1）该同学漏掉的重要实验步骤是________，该步骤应排在实验步骤________之后．
（2）在上述步骤中，有错误的是________、________，应改为__________．
（3）在上述步骤中，处理不恰当的是______，应把__________改为____________．
5．某同学设计了一个“探究加速度与力、质量的关系”实验．如图所示为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板．电源频率为50Hz.
（1）平衡摩擦力后，可认为细绳对小车的拉力F等于砝码和小桶的总重力，需满足的条件是________________．
（2）图为某次实验得到的纸带（纸带上的点为实际打下的点），根据图中的纸带和相关数据可求出小车的加速度大小a＝__________m/s2.（结果取两位有效数字）
（3）在“探究加速度与质量的关系”时，保持砝码和小桶的总质量不变，改变小车质量M，分别得到小车加速度a与质量M的数据如下表：
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
小车加速度a/（m·s－2）
1.98
1.72
1.48
1.25
1
.00
0.75
0.48
0.50
0.30
小车质量M/kg
0.25
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
0.75
1.00
1.67
/kg－1
根据上表数据，为直观反映F不变时a与M的关系，请在下图所示坐标纸中选择恰当的物理量建立坐标系，并作出图线．（如有需要，可利用上表中空格）
6．“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示．
（1）在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示．计时器打点的时间间隔为0.02s，从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，标出并量出相邻计数点之间的距离，则该小车的加速度a＝______m/s2.
（2）平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上．挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度．小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表：
砝码盘中砝码总重力F/N
0.196
0.392
0.588
0.784
0.980
加速度a/（m·s－2）
0.69
1.18
1.66
2.18
2.70
请根据实验数据在下图所示坐标系中作出a－F的关系图象．
（3）根据提供的实验数据作出的a－F图线不通过原点，请说明主要原因．
7．为了探究加速度与力的关系，使用如图所示的气垫导轨装置进行实验．其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录．滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：
（1）实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？
（2）若取M＝0.4kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是________．
A．m1＝5g B．m2＝15g
C．m3＝40gD．m4＝400g
（3）在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度a的表达式为：
________.（用Δt1、Δt2、D、x表示）
第3节 牛顿第二定律
学习目标：
1.知道牛顿第二定律的内容、表达式的确切含义.
2.知道国际单位制中力的单位“牛顿”是怎样定义的.
3.能应用牛顿第二定律解决简单的实际问题．
一、牛顿第二定律
[问题设计]
由上一节的探究我们已经知道：
当小车的质量不变时，小车的加速度与它所受的力成正比，即a∝F，当小车所受的力不变时，小车的加速度与它的质量成反比，即a∝
，那么小车的加速度a、小车的质量m以及小车所受的力F的关系是
怎样的？
[要点提炼]
1．牛顿第二定律
（1）内容：
（2）公式：
F＝，F指的是物体所受的合力．
当各物理量的单位都取国际单位时，k＝1，F＝ma.
（3）力的国际单位：
牛顿，简称牛，符号为.
“牛顿”的定义：
使质量为1kg的物体产生1m/s2的加速度的力叫做1N，即1N＝.
2．对牛顿第二定律的理解
（1）瞬时性：
．
（2）矢量性：
．
（3）同体性：
．
（4）独立性：
．
3．合外力、加速度、速度的关系
（1）力与加速度为因果关系．力是因，加速度是果，只要物体所受的合外力不为零，就会产生加速度．加速度与合外力方向总、大小与合外力成．
（2）力与速度无因果关系．合外力与速度方向可以同向，可以反向；合外力与速度方向
时，物体做加速运动，时物体做减速运动．
（3）两个加速度公式的区别
a＝
是加速度的定义式，是法定义的物理量，a与v、Δv、Δt均；a＝
是加速度的决定式，加速度由其受到的合外力和质量决定．
[延伸思考]
在地面上，停着一辆卡车，你使出全部力气也不能使卡车做加速运动，这与牛顿第二定律矛盾吗？
为什么？
二、牛顿第二定律的简单应用
1．解题步骤
（1）确定研究对象．
（2）进行受力分析和运动情况分析，作出受力和运动示意图．
（3）求合外力F或加速度a.
（4）根据F＝ma列方程求解．
2．解题方法
（1）矢量合成法：
若物体只受两个力作用时，应用平行四边形定则求这两个力的合外力，加速度的方向与物体所受合外力的方向相同．
（2）正交分解法：
当物体受多个力作用时，常用正交分解法求物体的合外力．
①建立坐标系时，通常选取加速度的方向作为某一坐标轴的正方向（也就是不分解加速度），将物体所受的力正交分解后，列出方程Fx＝ma，Fy＝0.
②特殊情况下，若物体的受力都在两个互相垂直的方向上，也可将坐标轴建立在力的方向上，正交分解加速度a.根
据牛顿第二定律
列方程及F＝
求合外力．
一、对牛顿第二定律的理解
例1
下列对牛顿第二定律的表达式F＝ma及其变形公式的理解，正确的是（ ）
A．由F＝ma可知，物体所受的合外力与物体的质量成正比，与物体的加速度成反比
B．由m＝
可知，物体的质量与其所受合外力成正比，与其运动的加速度成反比
C．由a＝
可知，物体的加速度与其所受合外力成正比，与其质量成反比
D．由m＝
可知，物体的质量可以通过测量它的加速度和它所受到的合外力求出
针对训练 初始时静止在光滑水平面上的物体，受到一个逐渐减小的水平力的作用，则这个物体运动情况为（ ）
A．速度不断增大，但增大得越来越慢
B．加速度不断增大，速度不断减小
C．加速度不断减小，速度不断增大
D．加速度不变，速度先减小后增大
二、牛顿第二定律的简单应用
例2
如图所示，一质量为8kg的物体静止在粗糙的水平地面上，物体与地面间的动摩擦因数为0.2，用一水平力F＝20N拉物体由A点开始运动，经过8s后撤去拉力F，再经过一段时间物体到
达B点停止．求：
（g＝10m/s2）
（1）
在拉力F作用下物体运动的加速度大小；
（2）撤去拉力时物体的速度大小；
（3）撤去拉力
F后物体运动的距离．
例3
如图所示，质量为1kg的物体静止在水平面上，物体与水平面间的动摩擦因数μ＝0.5，物体受到大小为20N、与水平方向成37°角斜向下的推力F作用时，沿水平方向做匀加速直线运动，求物体加速度的大小．（g
取10m/s2，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8）
【自我检测】
1．（牛顿第二定律的理解）关于牛顿第二定律，以下说法中正确的是（ ）
A．由牛顿第二定律可知，加速度大的物体，所受的合外力一定大
B．牛顿第二定律说明了，质量大的物体，其加速度一定小
C．由F＝ma可知，物体所受到的合外力与物体的质量成正比
D．对同一物体而言，物体的加速度与物体所受到的合外力成正比，而且在任何情况下，加速度的方向，始终与物体所受的合外力方向一致
2．（牛顿第二定律的理解）从匀速上升的气球上释放一物体，在释放的瞬间，物体相对地面将具有（ ）
A．向上的速度B．向下的速度
C．向上的加速度D．向下的加速度
3．（牛顿第二定律的简单应用）
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