高中物理人教版 (2019)必修 第一册第四章 运动和力的关系5 牛顿运动定律的应用教课内容ppt课件

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关键能力·情境探究达成
知识点一　从受力确定运动情况
知识点二　根据运动情况确定受力
1．牛顿第二定律确定了____和__的关系，使我们能够把物体的运动情况和________联系起来。2．如果已知物体的受力情况，可以由____________求出物体的加速度，再通过____________确定物体的运动情况。
玩滑梯是小孩非常喜欢的活动，如果滑梯的倾角为θ，一个小孩从静止开始下滑，小孩与滑梯间的动摩擦因数为μ，滑梯长度为L。
1．问题界定：已知物体受力情况确定运动情况，指的是在受力情况已知的条件下，判断出物体的运动状态或求出物体的速度和位移。2．解题思路
【典例1】　如图所示，在海滨游乐场里有一种滑沙运动。某人坐在滑板上从斜坡的高处A点由静止开始滑下，滑到斜坡底端B点后，沿水平的滑道再滑行一段距离到C点停下来。若人和滑板的总质量m＝60.0 kg，滑板与斜坡滑道和水平滑道间的动摩擦因数均为μ＝0.5，斜坡的倾角θ＝37°(sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8)，斜坡与水平滑道间是平滑连接的，整个运动过程中空气阻力忽略不计，取重力加速度g＝10 m/s2。
[解析]　(1)人和滑板在斜坡上的受力分析如图所示，建立直角坐标系。设人和滑板在斜坡上滑下的加速度大小为a1，由牛顿第二定律得mg sin θ－Ff＝ma1FN－mg cs θ＝0，其中Ff＝μFN联立解得人和滑板滑下的加速度大小为a1＝g(sin θ－μcs θ)＝2.0 m/s2。
(2)人和滑板在水平滑道上的受力分析如图所示。由牛顿第二定律得FN′－mg＝0，Ff′＝ma2其中Ff′＝μFN′联立解得人和滑板在水平滑道上运动的加速度大小为a2＝μg＝5.0 m/s2
[母题变式]上例中，若人坐在滑板上从底端B处向斜坡上冲去，如果vB′＝20 m/s，则冲上斜坡的最大距离是多少？提示：设上坡时加速度大小为a3，由牛顿第二定律得mg sin θ＋Ff＝ma3，解得a3＝g(sin θ＋μcs θ)＝10 m/s2，由vB′2＝2a3x解得x＝20 m。
规律方法　从受力分析确定运动情况的解题步骤(1)确定研究对象，对研究对象进行受力分析，并画出物体的受力图。(2)根据力的合成与分解，求出物体所受的合外力(包括大小和方向)。(3)根据牛顿第二定律列方程，求出物体运动的加速度。(4)结合物体运动的初始条件，选择运动学公式，求出所需求的运动学参量——任意时刻的位移和速度，以及运动轨迹等。
[跟进训练]1．如图所示，质量m＝15 kg的木箱静止在水平地面上，木箱与地面间的动摩擦因数μ＝0.2。现用F＝60 N的水平恒力向右拉动木箱(g取10 m/s2)。求：
如果已知物体的运动情况，根据__________求出物体的加速度，再根据____________求出力。
世界一级方程式锦标赛(简称为F1)是当今世界最高水平的赛车比赛，与奥运会、世界杯足球赛并称为 “世界三大体育”。F1赛车可以在2.5 s内从0加速到100千米/小时，F1赛车比赛规则规定赛车和车手的总质量不可低于600 kg(可认为等于600 kg)。
1．问题界定根据物体运动情况确定受力情况，指的是在物体的运动情况(如物体的运动性质、速度、加速度或位移)已知的条件下，要求得出物体所受的力。
2．从运动情况确定受力的基本思路分析物体的运动情况，由运动学公式求出物体的加速度，再由牛顿第二定律求出物体所受的合外力；再分析物体的受力，求出物体受到的作用力。流程图如下：
【典例2】　一质量为m＝2 kg 的滑块在倾角为θ＝30°的足够长的斜面上在无外力F的情况下以加速度a＝2.5 m/s2匀加速下滑。如图所示，若用一水平向右的恒力F作用于滑块，使滑块由静止开始在0～2 s 内沿斜面运动的位移x＝4 m。求：(g取10 m/s2)
规律方法　从运动情况确定受力情况的解题步骤(1)确定研究对象，对物体进行受力分析和运动分析，并画出物体的受力示意图。(2)选择合适的运动学公式，求出物体的加速度。(3)根据牛顿第二定律列方程，求出物体所受的合力。(4)选择合适的力的合成与分解的方法，由合力和已知力求出待求的力。
[跟进训练]2．民航客机都有紧急出口，发生意外情况时打开紧急出口，狭长的气囊会自动充气生成一条通向地面的斜面，乘客可沿斜面滑行到地面上。如图所示，某客机紧急出口离地面高度AB＝3.0 m，斜面气囊长度AC＝5.0 m，要求紧急疏散时乘客从气囊上由静止下滑到地面的时间不超过2 s，g取10 m/s2，求：
(2)乘客和气囊间的最大动摩擦因数。(忽略空气阻力)[解析]　乘客在斜面上受力情况如图所示。 Ff＝μFN③FN＝mg cs θ④
学习效果·随堂评估自测
1．物体放在光滑水平面上，在水平恒力F作用下由静止开始运动，经时间t通过的位移是x。如果水平恒力变为2F，物体仍由静止开始运动，经时间2t通过的位移是(　　)A．x　　　　B．2x　　　　C．4x　　　　D．8x
2．如图所示，质量为m＝3 kg 的木块放在倾角为θ＝30°的足够长的固定斜面上，木块可以沿斜面匀速下滑。若用沿斜面向上的力F作用于木块上，使其由静止开始沿斜面向上加速运动，经过t＝2 s时间木块沿斜面上升4 m的距离，则推力F的大小为(g取10 m/s2)(　　)A．42 N　　　B．6 NC．21 N　　　D．36 N
3．(2022·广东佛山市高一检测)在科技创新活动中，小华同学根据磁铁同性相斥原理设计了用机器人操作的磁力运输车(如图甲所示)。在光滑水平面AB上(如图乙所示)，机器人用大小不变的电磁力F推动质量为m＝1 kg的小滑块从A点由静止开始做匀加速直线运动。小滑块到达B点时机器人撤去电磁力F，小滑块冲上光滑斜面(设经过B点前后速率不变)，最高能到达C点。
机器人用速度传感器测量小滑块在ABC过程的瞬时速度大小并记录如下。求：
4．某高速列车(如图)启动后的初始阶段，可视为在恒定的牵引力作用下做匀加速直线运动。若在该阶段列车组的牵引力为3.04×105 N，列车所受阻力为7.9×104 N，列车质量为4.5×105 kg，则列车从启动至速度达到60 km/h需要多长时间？
回归本节知识，自我完成以下问题：1．回顾第三章学习的力的知识，受力分析时应注意什么问题？提示：(1)只分析物体受到的力。(2)根据力的产生条件、力作用的相互性及是否有施力物体等确定力是否存在。(3)灵活利用整体法、隔离法确定研究对象，区分内力、外力。
2．从受力情况确定运动情况应注意哪些问题？提示：(1)建立直角坐标系：通常选取加速度的方向为一个坐标轴的正方向，另一个坐标轴垂直于加速度方向。把力沿两个坐标轴分解，与正方向同向的力取正值，与正方向反向的力取负值。(2)单位制：求解时F、m、a采用国际单位制单位，解题时写出方程式和相应的文字说明，必要时对结果进行讨论。