(要点归纳+夯实基础练) 第三节 牛顿运动定律的综合应用-2023年高考物理一轮系统复习学思用

第三节 牛顿运动定律的综合应用

【要点归纳】

一、整体法与隔离法处理连接体问题

1．连接体问题：所谓连接体就是指多个相互关联的物体，它们一般具有相同的运动情况(有相同的速度、加速度)．

2．隔离法与整体法

(1)隔离法：在求解系统内物体间的相互作用力时，从研究的方便性出发，将物体系统中的某部分分隔出来，单独研究的方法．

(2)整体法：整个系统或系统中的几个物体有共同的加速度，且不涉及相互作用时，将其作为一个整体研究的方法．

3．对连接体的一般处理思路

(1)先隔离，后整体．

二、超重与失重问题

1．超重：

(1)定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象.

(2)产生条件：物体具有向上的加速度.

2．失重：

(1)定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象.

(2)产生条件：物体具有向下的加速度.

3．完全失重：

(1)定义：物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力的现象称为完全失重现象.

(2)产生条件：物体的加速度a＝g，方向竖直向下.

4．实重和视重：

(1)实重：物体实际所受的重力，它与物体的运动状态无关.

(2)视重：当物体在竖直方向上有加速度时，物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的重力.此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重.

三、动力学中的连接体问题

1.连接体：多个相互关联的物体连接(叠放、并排或由绳子、细杆联系)在一起构成的物体系统称为连接体.连接体一般具有相同的运动情况(速度、加速度).

2.常见连接体的类型：

(1)同速连接体(如图所示)

特点：两物体通过弹力、摩擦力作用，具有相同速度和相同加速度.

处理方法：用整体法求出a与F合的关系，用隔离法求出F内力与a的关系.

(2)关联速度连接体(如图所示)

特点：两连接物体的速度、加速度大小相等，方向不同，但有所关联.

处理方法：分别对两物体隔离分析，应用牛顿第二定律进行求解.

【夯实基础练】

1．(2022•北京市北师大附属实验中学高三(下)零模)由航天员翟志刚、王亚平和叶光富执行的载人飞行任务是我国空间站建设的重要任务之一、空间站是一个特别的太空实验室，绕地球运行时，其中的物体将处于完全失重状态。下列实验在运行的空间站中可以进行的是(　　)

A．用牛顿管观察轻重不同的物体下落的快慢

B．用牛顿第二定律测物体质量

C．如图测量静摩擦力的大小随拉力的变化

D．用“体重计”测量人的质量

【解析】  A．由于物体处于完全失重状态，则物体不会下落，不能比较下落的快慢，故A错误；

B．完全失重状态下也能测出物体的合力与物体运动的加速度，从而通过牛顿第二定律测物体质量，故B正确；

C．由于物体处于完全失重状态，物体对地面或者木板没有压力，故物体不能受到静摩擦力，则无法测量静摩擦了，故C错误；

D．由于人处于完全失重状态，人对体重计无压力，则不能用“体重计”测量人的质量，故D错误。故选B。

【答案】  B

2．(2022•北京四中高三(上)期中)关于超重与失重，下列说法正确的是(　　)

A．竖直向上抛出的物体处于超重状态

B．人造地球卫星中的物体处于完全失重状态

C．人乘坐电梯以大小为的加速度加速下降时，人对地板的压力等于人重力的1.5倍

D．人乘坐电梯以大小为的加速度减速上升时，人对地板的压力大小等于地板对人的支持力大小

【解析】  A．竖直向上抛出的物体，只受重力，加速度向下，大小为g，为完全失重状态，故A错误；

B．人造地球卫星中的物体只受到地球对它的吸引力，处于完全失重状态，故B正确；

C．人乘坐电梯以大小为的加速度加速下降时，处于失重状态，人对地板的压力应该比重力小，大小可以用牛顿第二定律求出，得，故C错误；

D．根据牛顿第三定律，人对地板的压力大小等于地板对人的支持力大小，故D正确；故选BD。

【答案】  BD

3．(2022•重庆育才中学一模)下列漫画描绘了超失重的现象，若图a表示电梯静止或者匀速运动的情形，那么图b，图c，分别表示电梯在如何运动，下列说法正确的是(　　)

A．图b可能表示电梯向上做减速运动 B．图b可能表示电梯向上做加速运动

C．图c可能表示电梯向上做加速运动 D．图c可能表示电梯向下做减速运动

【解析】  AB．图b图案被压扁了，是超重，加速度向上，可能向上做加速运动，也可能向下做减速运动，B正确，A错误；

CD．图c图案被拉长了，是失重，加速度向下，可能向下做加速运动，也可能向上做减速运动，CD错误。故选B。

【答案】  B

4．(2022•昆明一中、银川一中高三(下)一模)图甲是小明同学站在力传感器上做下蹲、起跳动作的示意图，点P是他的重心位置，a是静止站立时的状态。图乙是根据传感器采集到的数据画出的力一时间图线。两图中a ~g各点均对应，其中有几个点在图甲中没有画出。重力加速度g取10 m/s2。根据图乙分析可知(　　)

A．小明重力为500 N B．c点位置小明可能处于下蹲

C．c点位置小明处减速上升阶段 D．小明在d点的加速度比g点的小

【解析】  A．a是静止站立，由此可知小明重力550 N，故A错误；

BC．c点位置处于超重状态，因此可能处于减速下蹲阶段，故B正确，C错误；

D．根据牛顿第二定律可知d点加速度大于g点，故D错误。故选B。

【答案】  B

5．(2022•四省区八校高三(下)开学考试)我国2021年4月29日在海南文昌用长征五号B遥二运载火箭成功将空间站“天和核心舱”送入离地高约450km的预定圆轨道，中国空间站在轨组装建造全面展开，后续的天舟货运飞船、神舟载人飞船以及“问天”“巡天”实验舱也将相继与核心舱对接，预计到2022年11月正式完成中国空间站的建设。关于火箭发射以及空间站的组合、对接，下列说法正确的是(　　)

A．火箭发射升空过程中，发动机喷出的燃气推动空气，空气推动火箭上升

B．相同的条件下，火箭发射点选择在海南文昌比四川西昌更能节省燃料

C．飞船要和在轨的“核心舱”对接，通常是将飞船发射到和“核心舱”同一的轨道上，然后使飞船加速实现对接“核心舱”

D．未来在空间站中工作的航天员因为不受地球引力，所以处于完全失重状态

【解析】  A．火箭发射升空过程中，发动机喷出的燃气向后喷出，由牛顿第三定律可知，燃气给火箭向前的反作用力，推动火箭上升，A错误；

B．因为海南文昌离地球赤道较近，可以借助地球自转速度，又因空间站的运行轨道在海南文昌的上空，所以在相同的条件下，火箭发射点选择在海南文昌比四川西昌更能节省燃料，B正确；

C．由卫星对接的原理可知，飞船要和在轨的“核心舱”对接，通常是将飞船先发射到较低的轨道，然后追及核心舱，在适当的位置加速做离心运动，实现与核心舱对接，C错误；

D．未来在空间站中工作的航天员受到地球引力，因为航天员要随空间站一起绕地球做圆周运动，所以处于完全失重状态，D错误。故选B。

【答案】  B

6．(2022•山东省烟台市高三(上)期末)某同学将铁架台放在竖直电梯的底板上，将力传感器上端固定在铁架台的铁夹上，力传感器下端悬挂一个质量为m的钩码。当电梯从1楼由静止开始运行到5楼停止的过程中，数据采集系统采集到传感器受到的拉力F随时间t的变化如图所示，忽略由于轻微抖动引起的示数变化。下列说法正确的是(　　)

A．abc过程与def过程中电梯运动的方向相反

B．ab过程钩码处于超重状态，bc过程钩码处于失重状态

C．abc过程中钩码的机械能先增加后减少

D．曲线abc与线段ac包围的面积等于曲线def与线段df包围的面积

【解析】  A．当电梯从1楼由静止开始运行到5楼停止的过程中运动方向没有发生变化，选项A错误；

B．由图可知ab过程和bc过程拉力F均大于重力，说明钩码处于超重状态，加速度向上，电梯加速上升，选项B错误；

C．abc过程中电梯加速上升，当加速上升过程中，钩码的机械能增加，选项C错误；

D．F-t图像中面积表示力对时间的积累，即冲量。由图可知，从a到f记录了电梯的一个运动过程：先向上加速，然后匀速，最后减速；即加速过程和减速过程的动量变化量大小相等，由动量定理可知，加速过程和减速过程的合外力冲量相等，故曲线abc与线段ac包围的面积等于曲线def与线段df包围的面积，选项D正确。故选D。

【答案】  D

7．(2022•云南省巴蜀中学第七次月考)(多选)如图所示，固定的水平桌面上放有物体A，物体B通过细绳跨过光滑的定滑轮与物体A相连，连接A的一段细绳水平。已知物体A、B质量均为，当物体B下降时，物体A的速度从变为，物体A与桌面之间动摩擦因数为，物体A、B间绳子拉力为T，。则(　　)

A． B． C． D．

【解析】  设A、B的加速度大小均为a，对A、B分别根据牛顿第二定律有，，根据运动学规律有，联立并代入数据解得，，故选AC。

【答案】  AC

8．(2022•四川省成都石室中学高三(下)二模)(多选)我国高铁技术处于世界领先水平，和谐号动车组是由动车和拖车编组而成，提供动力的车厢叫动车，不提供动力的车厢叫拖车。假设动车组各车厢质量均相等，每节动车提供的动力均为F，动车组在水平直轨道上运行过程中每节车厢受到的阻力均为f。某列动车组由8节车厢组成，其中第1、3、6节车厢为动车，其余为拖车，则该动车组(　　)

A．启动时乘客受到车厢作用力的方向与车运动的方向相反

B．做匀加速运动时，第5、6节车厢间的作用力为1.125F

C．做匀加速运动时，第5、6节车厢间的作用力为0.125F

D．做匀加速运动时，第6、7节车厢间的作用力为0.75F

【解析】  A．启动时乘客的加速度方向与车厢的运动方向相同，乘客受重力和车厢的作用力，由平行四边形定则可知，车厢对乘客的作用力方向与车运动的方向不是相反关系，故A错误；

BC．做匀加速运动时，加速度为，对后三节车厢，有，解得第5、6节车厢间的作用力为，故B错误，C正确；

D．对最后两节车厢，有，解得第6、7节车厢间的作用力为，故D正确。故选CD。

【答案】  CD

9．(2022•上海市杨浦区一模)在如图所示的箱子里有一光滑斜面，通过水平细绳系住一质量分布均匀的小球。箱子水平向右匀速运动时细绳对球的拉力为 T，斜面对球的支持力为 N。当箱子水平向右作匀减速直线运动 (　　)

A T 增大，N 不变 B．T 不变，N 减小

C．T 减小，N 不变 D．T 不变，N 增大

【解析】  设斜面的倾斜角为θ，匀速运动时，对小球进行受力分析可知，，解得，，向右作匀减速直线运动，对小球进行受力分析，根据牛顿第二定律，，解得，，因此支持力N不变，而绳子拉力T减小。故选C。

【答案】  C

10．(2022•黑龙江省哈六中五模)如图所示，A、B两物块叠放在一起，在粗糙的水平面上保持相对静止地向右做匀减速直线运动，运动过程中B受到的摩擦力

A．方向向左，大小不变

B．方向向左，逐渐减小

C．方向向右，大小不变

D．方向向右，逐渐减小

【解析】   A、B两物块叠放在一起共同向右做匀减速直线运动，对A和B整体根据牛顿第二定律有，然后隔离B，根据牛顿第二定律有：，大小不变；物体B做速度方向向右的匀减速运动，故而加速度方向向左，摩擦力向左；故选A．

【答案】  A

11．(2022•河北省邯郸市高三(下)一模)某工地上一塔吊通过一钢丝绳竖直向上提升一重物，若重物运动过程的速度—时间关系图像如图所示，则下列分析正确的是(　　)

A．0~45s内重物上升的高度为45m

B．0~10s内重物的平均速度等于40s~45s内的平均速度

C．0~40s内重物一直处于超重状态

D．10s~40s内钢丝绳最容易断裂

【解析】  A．重物上升的高度为图线与坐标轴围成的面积，即0~45s内重物上升的高度，选项A错误；

B．0~10s内重物的平均速度等于40s~45s内的平均速度均为0.5m/s，选项B正确；

C．0~10s内重物加速度向上处于超重状态，10s~40s内重物处于平衡状态，选项C错误；

D．0~10s内重物处于超重状态，钢丝绳最容易断裂，选项D错误。故选B。

【答案】  B

12．(2022•重庆市育才中学校高三(下)二模)如图甲所示，质量为m=60kg的同学，双手抓住单杠做引体向上。他的重心的速率随时间变化的图像如图乙所示，g取10m/s2，由图像可知(　　)

A．t=0.5s时，他的加速度约为3 m/s2

B．t=0.4s时，他正处于超重状态

C．t=1.1s时，他受到单杠的作用力的大小约为618 N

D．t=1.5s时，他正处于超重状态

【解析】  A．根据速度-时间图像斜率表示加速度可知，t=0.5 s时，由，知他的加速度约为0.3 m/s2，故A错误；

B．t=0.4 s时他向上加速运动，加速度方向向上，他处于超重状态，故B正确；

C．t=1.1 s时他的速度达到最大值，v-t图线斜率为零，表示加速度为0，他受到的单杠的作用力刚好等于重力600 N，故C错误；

D．t=1.5 s时他向上做减速运动，加速度方向向下，他处于失重状态，故D错误。故选B。

【答案】  B

13．(2022•华南师范大学附属中学一模)(多选)有一种自带起吊装置的构件运输车，其起吊臂A安装在车厢前端，如图甲所示，初始时刻，质量为m的构件静止在运输车上。当卷扬机B通过绕过定滑轮C的轻质吊索对构件施加竖直向上的拉力时，连接在吊索上的拉力传感器绘制出吊索拉力随时间变化的规律为三段直线，如图乙所示，重力加速度大小为g。则下列描述正确的有(　　)

A．0～t1时间内构件处于失重状态

B．t1时刻构件的速度最大

C．t2～t3时间内构件处于超重状态

D．0～t3时间内，构件在t3时刻速度最大

【解析】  A．0～t1时间内FT＜mg，构件的加速度为零，处于平衡状态，故A错误；

B．t1时刻构件恰好开始运动，速度为零，故B错误；

C．t2～t3时间内FT＞mg，构件存在竖直向上的加速度，处于超重状态，故C正确；

D．0～t1时间内构件静止，t1～t2时间内构件做加速度增大的加速运动，t2～t3时间内构件做匀加速运动，所以0～t3时间内，构件在t3时刻速度最大，故D正确。故选CD。

【答案】  CD

14．(2022•重庆外国语学校一模)如图所示，在加速度大小为竖直向上加速运动的电梯中，测力计竖直固定在电梯上，测力计下端挂有一个定滑轮，A、B两物体用细线连着跨过定滑轮且相对电梯静止。若A、B物体的质量分别为和。忽略细线和滑轮的质量，不计一切摩擦，取重力加速度，则(　　)

A．物体B处于失重状态 B．细线的拉力为

C．电梯对A的支持力是 D．测力计示数为

【解析】  A．A、B两物体用细线连着跨过定滑轮且相对电梯静止，电梯竖直向上加速运动，则物体B有竖直向上的加速度，所以处于超重状态，故A错误；

B．对物体B，根据牛顿第二定律，有，解得，故B错误；

C．对物体A，根据牛顿第二定律，有，代入数据，解得，故C错误；

D．绳子和滑轮的质量、摩擦不计，所以测力计示数为2T=24N，故D正确。故选D。

【答案】  D

15．(2022•江苏省扬州中学高三(下)开学考试)如图所示，一劲度系数为的轻质弹簧，上端固定，下端连一质量为的物块，放在质量也为的托盘上，以表示对的作用力，表示弹簧的伸长量。初始时，在竖直向上的力作用下系统静止，且弹簧处于自然状态()。现改变力的大小，使以的加速度匀加速向下运动(为重力加速度，空气阻力不计)，此过程中随变化的图像正确的是(　　)

A．  B．  C．  D．

【解析】  设物块和托盘间的压力为零时弹簧的伸长量为x，则有，解得，在此之前，根据，当x=0时，，可知，二者之间的压力FN由开始运动时的线性减小到零。故选D。

【答案】  D

16．(2022•江苏七市高三(下)二模)如图所示，相同细线1、2与钢球连接，细线1的上端固定，用力向下拉线2，则(　　)

A．缓慢增加拉力时，线2会被拉断

B．缓慢增加拉力时，线1中张力的增量比线2的大

C．猛拉时线2断，线断前瞬间球的加速度大于重力加速度

D．猛拉时线2断，线断前瞬间球的加速度小于重力加速度

【解析】  A．缓慢增加拉力，小球受力平衡，所以细线1先被拉断，故A错误；

B．要使等式成立，细线1和2的拉力变化量是相同的，故B错误；

CD．猛拉时，细线2上拉力突然变大，作用时间极短，由于惯性，小球位置几乎不变，细线1的拉力增加几乎为零，故细线2断裂，因此断裂前细线2的拉力大于细线1，因此合力，故加速度大于重力加速度，故C正确，D错误。故选C。

【答案】  C

17．(2022•福建漳州市高三(下)二模)如图，送餐机器人由静止开始给远处的顾客上菜，全程餐盘保持水平，碗不能相对餐盘滑动，到顾客处速度为零。机器人加速、减速过程看成匀变速直线运动，最大速度为1m/s。已知碗与餐盘间的动摩擦因数为0.2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取。则机器人送餐过程(　　)

A．碗与餐盘之间摩擦力始终不变 B．在加速阶段处于超重状态

C．加速度不能超过 D．所用的最短时间为10 s

【解析】  A．对于碗而言，水平方向上的静摩擦力提供加速度，根据牛顿第二定律可知，加速度在整个运动过程中会发生变化，因此碗与餐盘之间摩擦力也会发生变化，A错误；

B．全程餐盘保持水平，在运动过程中竖直方向受力平衡，重力与竖直方向上的支持力等大，没有竖直方向上的分加速度，并不是处于超重状态，B错误；

C．设碗的质量为，则碗在水平方向受到的最大静摩擦力为，由此可知当碗受到水平方向的最大静摩擦力时，此时整体的加速度最大，为保证碗不相对餐盘滑动，加速度不能超过，C正确；

D．当机器人以最大加速度来加速和减速时，所用时间最短，根据运动的对称性可知，加速和减速阶段所用时间和位移均相同，，解得，，则机器人匀速阶段所用的时间为，所用的最短时间为，D错误。故选C。

【答案】  C

18．如图所示，台秤上有一装水容器，容器底部用一质量不计的细线系住一个乒乓球．某时刻细线断开，乒乓球向上加速运动，在此过程中，关于台秤的示数与线断前相比的变化情况及原因．下列说法正确的是(　　)

A．由于乒乓球仍在容器中，所以示数与细线断前相同

B．细线断后不再向上提拉容器底部，所以示数变大

C．细线断后，乒乓球有向上的加速度，处于超重状态，故示数变大

D．容器、水、乒乓球整个系统的重心加速下移，处于失重状态，所以示数变小

【解析】  乒乓球加速上升，整个系统重心加速下移，处于失重状态，故D正确．

【答案】  D

19．(2022•辽宁省部分重点中学协作体高三(下)模拟)(多选)如图所示，5颗完全相同的象棋棋子整齐叠放在水平面上，第5颗棋子最左端与水平面上的a点重合，所有接触面间的动摩擦因数均相同，最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现将水平向右的恒力F作用在第3颗棋子上，恒力作用一小段时间后，五颗棋子的位置情况可能是(　　)

A． B．

C． D．

【解析】  因3对4的滑动摩擦力为3μmg小于4和5之间的最大静摩擦力4μmg，则4不可能滑动；同理5也不可能滑动，排除图B；当力F较小时，对1、2、3整体以共同的加速度向右运动，此时如图A所示；当F较大时，2、3之间会产生滑动，由于3对2有摩擦力作用，则1、2的整体要向右移动，故C图错误，D正确。故选AD。

【答案】  AD