资源简介

课程标准内容及要求
核心素养及关键能力
核心素养
关键能力
1.实验四：
通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。
科学探究
控制变量法及实验设计能力
2.理解牛顿运动定律。
运动及相互作用的观念
理解能力
3.能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。
科学推理和物理建模
分析推理能力和模型构建能力
4.通过实验，认识超重和失重现象。
科学探究
模型构建
5.知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。
第1讲　牛顿三定律的理解
一、牛顿第一定律　惯性
1.牛顿第一定律
(1)内容：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状态。
(2)意义：①揭示了物体的固有属性：一切物体都有惯性，因此牛顿第一定律又叫惯性定律；
②揭示了运动与力的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因，即力是产生加速度的原因。
2.惯性
(1)定义：物体具有的保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质。
(2)量度：质量是惯性大小的唯一量度，质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。
(3)普遍性：惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性，与物体的运动情况和受力情况无关。
3.伽利略的理想实验
图1
(1)特点：实践操作(实验)＋逻辑推理(数学演算)。
(2)作用：提出力不是维持物体运动的原因。
伽利略是物理理想实验的开拓者。理想实验是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验，可以完美地解释物理学规律或理论。
【自测1】
(2020·四川宜宾市上学期一诊)下列说法符合史实的是(　　)
A.
伽利略提出力是维持物体运动的原因
B.亚里士多德猜想自由落体运动的速度与下落时间成正比，并直接用实验进行了验证
C.笛卡尔通过理想斜面实验发现了物体的运动不需要力来维持
D.牛顿认为力的真正效应是改变物体的速度，而不仅仅是使之运动
答案　D
解析　亚里士多德提出力是维持物体运动的原因，故A错误；伽利略用数学和逻辑推理得出了自由落体的速度与下落时间成正比，故B错误；伽利略利用“理想斜面实验”发现了物体的运动不需要力来维持，推翻了“力是维持物体运动的原因”的观点，故C错误；牛顿认为力的真正效应是改变物体的速度，产生加速度，而不仅仅是使之运动，故D正确。
二、牛顿第二定律　力学单位制
1.牛顿第二定律
(1)内容：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。
(2)表达式：F＝ma。
(3)适用范围
①牛顿第二定律只适用于惯性参考系，即相对于地面静止或匀速直线运动的参考系。
②牛顿第二定律只适用于宏观物体(相对于分子、原子等)、低速运动(远小于光速)的情况。
2.力学单位制
(1)单位制：基本单位和导出单位一起就组成了单位制。
(2)基本单位：基本量的单位。国际单位制中基本量共七个，其中力学有三个，是长度、质量、时间，单位分别是米、千克、秒。
(3)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。
【自测2】
(多选)关于运动状态与所受外力的关系，下列说法中正确的是(　　)
A.物体受到恒定的力作用时，它的运动状态不发生改变
B.物体受到不为零的合力作用时，它的运动状态要发生改变
C.物体受到的合力为零时，它一定处于静止状态
D.物体的运动方向与它所受的合力的方向可能相同
答案　BD
三、牛顿第三定律
1.作用力和反作用力：两个物体之间的作用总是相互的，当一个物体对另一个物体施加了力，后一个物体一定同时对前一个物体也施加了力，物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力与反作用力。
2.内容：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。
3.表达式：F＝－F′。
【自测3】
某物体静止在水平桌面上，下列对它的描述正确的是(　　)
A.桌面对物体支持力的大小等于物体重力的大小，这两个力是一对平衡力
B.物体所受的重力和桌面对它的支持力是一对作用力和反作用力
C.物体对桌面的压力就是物体的重力，这两个力是同一种性质的力
D.物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对平衡力
答案　A
解析　某物体静止在水平桌面上，桌面对物体支持力的大小等于物体重力的大小，作用在同一物体上，这两个力是一对平衡力，故A正确，B错误；物体对桌面的压力不是重力，它们的施力物体、受力物体、作用点都不相同，它们也不是同种性质的力，故C错误；物体对桌面的压力和桌面对物体的支持力是一对作用力与反作用力，故D错误。
命题点一　牛顿第一定律的理解
1.理想化状态
牛顿第一定律描述的是物体不受外力时的状态，而物体不受外力的情形是不存在的。如果物体所受的合力等于零，其运动效果跟不受外力作用时相同，物体保持静止状态或匀速直线运动状态。
2.明确了惯性的概念
牛顿第一定律揭示了一切物体所具有的一种固有属性——惯性，即物体具有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质。
3.揭示了力与物体运动状态的关系
力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。
4.与牛顿第二定律的关系
牛顿第一定律和牛顿第二定律是相互独立的。力是如何改变物体运动状态的问题由牛顿第二定律来回答。牛顿第一定律是经过科学抽象、归纳推理总结出来的，而牛顿第二定律是一条实验定律。
【例1】
如图2所示，滑板运动员沿水平地面向前滑行，在横杆前相对于滑板竖直向上起跳，人与滑板分离，分别从横杆的上、下通过，忽略人和滑板在运动中受到的阻力，则运动员(　　)
图2
A.起跳时脚对滑板的作用力斜向后
B.在空中水平方向先加速后减速
C.越过杆后落在滑板的后方
D.越过杆后仍落在滑板上起跳的位置
答案　D
解析　由于运动员相对于滑板竖直向上起跳，与滑板在水平方向无力的作用，故二者水平方向速度始终相同，越过杆后仍落在滑板上起跳的位置，选项D正确。
【变式1】
(2020·河南省实验中学砺锋培卓)在研究运动和力的关系时，伽利略设计了著名的理想斜面实验(如图3所示)，将可靠的事实和逻辑推理结合起来，能更深刻地反映自然规律。下面给出了伽利略斜面实验的五个事件，请对事件的性质进行判断并正确排序：在A点由静止释放的小球，①若没有摩擦时，能滚到另一斜面与A点等高的C点；②当减小斜面动摩擦因数时，滚到另一斜面的最高位置，更接近于等高的C点；③若没有摩擦时减小斜面BC的倾角，小球将通过较长的路程，到达与A点等高的D点；④若没有摩擦时当另一斜面水平放置时，小球将沿水平面一直运动下去；⑤不能滚到另一斜面与A点等高的C点。以下正确的是(　　)
图3
A.事实⑤→事实②→推论①→推论③→推论④
B.事实⑤→事实②→推论③→事实①→推论④
C.事实⑤→事实②→事实①→推论③→推论④
D.事实⑤→事实②→推论①→事实③→推论④
答案　A
解析　根据实验事实⑤斜面不光滑，在A点由静止释放的小球不能滚到另一斜面与A点等高的C点，事实②当减小斜面动摩擦因数时，滚到另一斜面的最高位置，更接近于与A点等高的C点，得出实验结果：如果没有摩擦，小球将上升到释放时的高度，即①，进一步假设若减小第二个斜面的倾角，小球在这斜面上仍然要达到原来的高度，即得出③，没有摩擦时减小斜面BC的倾角，小球将通过较长的路程，到达与A点等高的D点，最后使它成水平面，小球将沿水平面做持续匀速运动，即④，故A正确，B、C、D错误。
【变式2】
关于惯性，下列说法正确的是(　　)
A.磁悬浮列车能高速行驶是因为列车浮起后惯性小了
B.卫星内的仪器由于完全失重惯性消失了
C.铁饼运动员在掷出铁饼前快速旋转可增大铁饼的惯性，使铁饼飞得更远
D.月球上物体的重力只有在地球上的，但是惯性没有变化
答案　D
解析　惯性只与质量有关，与速度无关，A、C项错误；失重或重力加速度发生变化时，物体质量不变，惯性不变，所以B项错误，D项正确。
命题点二　牛顿第二定律的理解和应用
1.牛顿第二定律的理解
2.解题思路和关键
(1)取研究对象进行受力分析。
(2)应用平行四边形定则或正交分解法求合力。
(3)根据F合＝ma求物体的加速度a。
【例2】
(多选)(2020·河南省顶尖名校4月联考)如图4所示，轻质弹簧上端固定，不挂重物时下端位置在C点；在下端挂一个质量为m的物体(可视为质点)后再次保持静止，此时物体位于A点；将物体向下拉至B点后释放。关于物体的运动情况，下面说法中正确的是(　　)
图4
A.
物体由B到A的运动过程中，物体的加速度一直在减小
B.物体由B到A的运动过程中，物体的速度一直在增大
C.物体由B到C的运动过程中，物体的加速度一直在增大
D.物体由B到C的运动过程中，物体的速度先增大后减小
答案　ABD
解析　物体在A点处于平衡状态，从B到A过程中，弹簧弹力大于重力，根据牛顿第二定律可知，物体将向A加速运动，随着弹簧形变量的减小，物体加速度将逐渐减小，当到达A时弹力等于重力，物体速度达到最大，然后物体将向C做减速运动，从A到C过程中，弹簧弹力逐渐减小，因此物体做减速运动的加速度逐渐增大，故从B到C整个过程中，物体加速度先减小后增大，速度先增大后减小，故A、B、D正确，C错误。
【变式3】
关于速度、加速度和合力之间的关系，下述说法正确的是(　　)
A.做匀变速直线运动的物体，它所受合力是恒定不变的
B.做匀变速直线运动的物体，它的速度、加速度、合力三者总是在同一方向上
C.物体受到的合力增大时，物体的运动速度一定增大
D.物体所受合力为零时，一定处于静止状态
答案　A
解析　做匀变速直线运动的物体，加速度恒定不变，由牛顿第二定律知，它所受合力是恒定不变的，故A正确；由牛顿第二定律可知加速度与合力方向相同，与速度不一定在同一方向上，故B错误；物体受到的合力增大时，加速度一定增大，物体的运动速度变化一定加快，而速度不一定增大，故C错误；物体所受合力为零时，物体的加速度一定等于零，速度不一定为零，故D错误。
【例3】
(2020·福建南平市第一次质检)如图5所示，挂钩连接三根长度均为L的轻绳，三根轻绳的另一端与一质量为m、直径为1.2L的水平圆环相连，连接点将圆环三等分，在挂钩拉力作用下圆环以加速度a＝g匀加速上升，已知重力加速度为g，则每根轻绳上的拉力大小为(　　)
图5
A.mg
B.mg
C.mg
D.mg
答案　C
解析　假设每根绳子与竖直方向的夹角为θ，由几何关系得sin
θ＝0.6，则cos
θ＝0.8；对圆环受力分析，根据牛顿第二定律得3FTcos
θ－mg＝ma，解得FT＝mg，故选项C正确。
【变式4】
(2020·安徽庐巢七校联盟第三次联考)如图6所示，用轻质弹簧将篮球拴在升降机底板上，此时弹簧竖直，篮球恰好与光滑的侧壁和光滑的倾斜天花板接触，在篮球与侧壁之间装有压力传感器，当升降机沿竖直方向运动时，压力传感器的示数逐渐增大，某同学对此现象给出了下列分析与判断，其中可能正确的是(　　)
图6
A.升降机正在匀加速上升
B.升降机正在匀减速上升
C.升降机正在加速下降，且加速度越来越大
D.升降机正在减速下降，且加速度越来越大
答案　C
解析　由题意知，升降机静止时，篮球处于平衡状态，只受重力和弹簧弹力，有FT＝mg；在竖直方向运动时，侧壁的弹力增大，受力分析如图所示，有FNsin
θ＝F，FNcos
θ＋mg－FT＝ma，解得a＝，加速度方向向下，大小在增大，可能的运动情况是加速下降或减速上升，故只有C正确。
命题点三　牛顿第三定律的理解与应用
1.相互作用力的特点
(1)三同
(2)三异
(3)二无关
2.一对平衡力与作用力、反作用力的比较
名称
项目　
一对平衡力
作用力与反作用力
作用对象
同一个物体
两个相互作用的不同物体
作用时间
不一定同时产生、同时消失
一定同时产生、同时消失
力的性质
不一定相同
一定相同
作用效果
可相互抵消
不可抵消
【例4】
(2020·山东枣庄市第二次模拟)新华社西昌3月10日电“芯级箭体直径9.5米级、近地轨道运载能力50吨至140吨、奔月转移轨道运载能力15吨至50吨、奔火(火星)转移轨道运载能力12吨至44吨……”这是我国重型运载火箭长征九号研制中的一系列指标，已取得阶段性成果，预计将于2030年前后实现首飞。火箭点火升空，燃料连续燃烧的燃气以很大的速度从火箭喷口喷出，火箭获得推力。下列观点正确的是(　　)
A.
喷出的燃气对周围空气的挤压力就是火箭获得的推力
B.因为喷出的燃气挤压空气，所以空气对燃气的反作用力就是火箭获得的推力
C.燃气被喷出瞬间，火箭对燃气的作用力就是火箭获得的推力
D.燃气被喷出瞬间，燃气对火箭的反作用力就是火箭获得的推力
答案　D
解析　喷出的燃气对周围空气的挤压力，作用在空气上，不是火箭获得的推力，故A错误；
空气对燃气的反作用力，作用在燃气上，不是火箭获得的推力，故B错误；
燃气被喷出瞬间，燃气对火箭的反作用力作用在火箭上，是火箭获得的推力，故C错误，D正确。
【变式5】
(2020·浙江衢州、湖州、丽水三地市4月教学质量监测)在2020年的春节晚会上，杂技《绽放》表演了花样飞天，如图7是女演员举起男演员的一个场景，两位杂技演员处于静止状态。下列说法正确的是(　　)
图7
A.水平地面对女演员的支持力等于两演员的重力之和
B.水平地面对女演员的摩擦力水平向右
C.女演员对男演员的作用力大于男演员对女演员的作用力
D.女演员对男演员的作用力小于男演员对女演员的作用力
答案　A
解析　由题可知，男、女演员处于静止状态，二者与地面之间没有相对运动的趋势，即地面对女演员没有摩擦力作用，二者整体受到重力和地面对其的支持力作用，根据共点力的平衡条件可知，水平地面对女演员的支持力等于两演员的重力之和，故A正确，B错误；女演员对男演员的作用力与男演员对女演员的作用力是一对相互作用力，根据牛顿第三定律可知，二者大小相等、方向相反，故C、D错误。
【变式6】
(多选)如图8所示，用水平力F把一个物体紧压在竖直墙壁上静止，下列说法中正确的是(　　)
图8
A.水平力F与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力
B.物体的重力与墙壁对物体的静摩擦力是一对平衡力
C.水平力F与物体对墙壁的压力是一对作用力与反作用力
D.物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力
答案　BD
解析　水平力F与墙壁对物体的弹力作用在同一物体上，大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上，是一对平衡力，选项A错误；物体在竖直方向上受竖直向下的重力以及墙壁对物体竖直向上的静摩擦力的作用，因物体处于静止状态，这两个力是一对平衡力，选项B正确；水平力F作用在物体上，而物体对墙壁的压力作用在墙壁上，这两个力不是平衡力，也不是相互作用力，选项C错误；物体对墙壁的压力与墙壁对物体的弹力是两个物体间的相互作用力，是一对作用力与反作用力，选项D正确。
牛顿第三定律在受力分析中的应用
由于作用力与反作用力的关系，当待求的某个力不容易求时，可先求它的反作用力，再反过来求待求力。如求压力时，可先求支持力。
【例5】
(2020·河北邢台市质检)一个箱子放在水平地面上，箱内有一固定的竖直杆，在杆上套着一个环，箱与杆的质量为M，环的质量为m，如图9所示。已知环沿杆匀加速下滑时，环与杆间的摩擦力大小为Ff，重力加速度为g，则此时箱子对地面的压力大小为(　　)
图9
A.Mg＋Ff
B.Mg－Ff
C.Mg＋mg
D.Mg－mg
答案　A
解析　环在竖直方向上受重力及箱子内的杆给它的竖直向上的摩擦力Ff，受力情况如图甲所示。根据牛顿第三定律，环应给杆一个竖直向下的摩擦力Ff′，故箱子竖直方向上受重力Mg、地面对它的支持力FN及环给它的摩擦力Ff′，受力情况如图乙所示，由于箱子处于平衡状态，可得FN＝Ff′＋Mg＝Ff＋Mg。根据牛顿第三定律，箱子对地面的压力大小等于地面对箱子的支持力大小，即FN′＝Mg＋Ff，故选项A正确。
【变式7】
如图10所示，质量为m的物体放在质量为M、倾角为θ的斜面体上，斜面体置于粗糙的水平地面上，用平行于斜面的力F拉物体使其沿斜面向下匀速运动，斜面体始终静止，重力加速度为g，则下列说法正确的是(　　)
图10
A.斜面体对地面的摩擦力大小为Fcos
θ
B.斜面体对地面的压力为(M＋m)g
C.物体对斜面体的摩擦力的大小为F
D.斜面体对物体的作用力竖直向上
答案　A
解析　由于斜面体和物体都处于平衡状态，将斜面体和物体看成一个整体，由受力情况结合共点力的平衡条件可得，地面对斜面体的摩擦力大小为Fcos
θ，地面对斜面体的支持力大小为(M＋m)g＋Fsin
θ，由牛顿第三定律可知，A正确，B错误；隔离物体进行受力分析，由共点力平衡条件得斜面体对物体的摩擦力大小为F＋mgsin
θ，由牛顿第三定律可知，C错误；斜面体对物体的作用力即为物体受到的支持力与摩擦力的合力，由共点力的平衡条件可知斜面体对物体的作用力与物体的重力和F的合力大小相等、方向相反，故斜面体对物体的作用力不在竖直方向上，D错误。
课时限时练
(限时：20分钟)
对点练1　牛顿第一定律的理解
1.某时刻，质量为2
kg的物体甲受到的合力是6
N，速度是10
m/s；质量为3
kg的物体乙受到的合力是5
N，速度是10
m/s，则(　　)
A.甲比乙的惯性小
B.甲比乙的惯性大
C.甲和乙的惯性一样大
D.无法判定哪个物体惯性大
答案　A
解析　质量是物体惯性大小的唯一量度，甲的质量小于乙的质量，所以甲比乙的惯性小，故A正确。
2.下列说法正确的是(　　)
A.力是维持物体运动的原因
B.物体的速度方向改变，则加速度方向一定改变
C.物体运动状态的改变是指其加速度在变化
D.物体运动状态的改变是指其速度在变化
答案　D
解析　力是改变物体运动状态的原因，不是维持物体运动的原因，故A错误；速度方向改变，但加速度方向不一定改变，如物体加速度不变，但先做减速运动，再做反向的加速运动，故B错误；运动状态是指物体的速度，运动状态的改变即为速度的改变，故C错误，D正确。
3.(多选)我国《道路交通安全法》中规定：机动车行驶时，驾驶人、乘坐人员应当按规定使用安全带，下列说法正确的是(　　)
A.系好安全带可以减小惯性
B.是否系好安全带对人和车的惯性没有影响
C.系好安全带可以减小因车的惯性而造成的伤害
D.系好安全带可以减小因人的惯性而造成的伤害
答案　BD
对点练2　牛顿第二定律的理解和应用
4.(2020·陕西黄陵中学模拟)我国首台新型墙壁清洁机器人“蜘蛛侠”是由青岛大学学生自主研制开发的，“蜘蛛侠”利用8只“爪子”上的吸盘吸附在接触面上，通过“爪子”交替伸缩，就能在墙壁或玻璃上自由移动。如图1所示，假设“蜘蛛侠”在竖直玻璃墙面上由A点沿直线匀加速“爬行”到右上方B点，在这一过程中，关于“蜘蛛侠”在竖直面内的受力分析正确的是(　　)
图1
答案　C
解析　“蜘蛛侠”加速度方向从A点指向B点，根据牛顿第二定律可知，在竖直平面内蜘蛛侠所受合力方向应该是从A点指向B点，故C正确，A、B、D错误。
5.(多选)(2020·福建永安市模拟)如图2甲所示，物体原来静止在水平面上，用一水平力F拉物体，在F从0开始逐渐增大的过程中，物体先静止后又做变加速运动，其加速度a随外力F变化的图像如图乙所示。根据图乙中所标出的数据可计算出(　　)
图2
A.物体的质量为1
kg
B.物体的质量为2
kg
C.物体与水平面间的动摩擦因数为0.3
D.物体与水平面间的动摩擦因数为0.5
答案　BC
解析　物体受重力、地面的支持力、向右的拉力和向左的摩擦力，根据牛顿第二定律得F－μmg＝ma
解得a＝－μg
由a与F图线，得到0.5＝－10μ，4＝－10μ
以上各式联立得m＝2
kg，μ＝0.3，故B、C正确，A、D错误。
6.
(2020·江苏泰州市5月第二次模拟)某种自动扶梯，无人乘行时运转很慢，当有人站上去后会先慢慢加速。如图3所示，有一顾客乘这种扶梯下楼。在电梯加速向下运行的过程中，她所受力的示意图是(　　)
图3
答案　D
解析　电梯加速向下运行，根据F合＝ma可知人所受合力与电梯运行方向相同，所以人在竖直方向重力大于支持力，合力F竖直向下，在水平方向静摩擦力平行于接触面水平向右，则F与Ff的合力才能与F合相同，A、B、C错误，D正确。
对点练3　牛顿第三定律的理解和应用
7.(2020·浙江省1月高中学业水平考试)如图4所示，大人跟小孩掰手腕，很容易把小孩的手压到桌面上。若大人对小孩的力记为F1，小孩对大人的力记为F2，则(　　)
图4
A.F1＞F2
B.F1和F2大小相等
C.F1先于F2产生
D.F1后于F2产生
答案　B
解析　大人对小孩的作用力与小孩对大人的作用力是作用力与反作用力，大小相等，方向相反，选项A错误，B正确；由牛顿第三定律知F1和F2同时产生，选项C、D错误。
8.(2020·北京市东城区上学期期末)如图5所示，人站在船上撑竿使船离岸，在此过程中(　　)
图5
A.竿对岸的作用力大于岸对竿的作用力
B.人与船之间存在着相互作用的摩擦力
C.岸对竿的作用力使船的运动状态发生改变
D.人受到的重力和竿对人的作用力是一对平衡力
答案　B
解析　竿对岸的作用力与岸对竿的作用力是一对作用力与反作用力，则大小相等，选项A错误；人与船之间有相对运动的趋势，可知人与船之间存在着相互作用的摩擦力，选项B正确；人对船的作用力使船的运动状态发生改变，选项C错误；人受到的重力与竿对人的作用力不在同一直线上，不是一对平衡力，选项D错误。
9.如图6所示，物块M左侧贴着一竖直墙面，物块N置于物块M上。现将竖直向上的恒力F作用在M上，M、N一起向上做匀减速直线运动。M、N之间相对静止，物块N的质量为m，重力加速度为g，不计空气阻力。下列说法正确的是(　　)
图6
A.物块N可能只受到一个力
B.物块M与墙面之间一定没有摩擦力
C.物块N对物块M的作用力大小可能为mg
D.物块M与N之间可能没有摩擦力，但一定有弹力
答案　B
解析　若物块N只受到一个力，那一定是重力，则N的加速度是向下的g，整体的加速度也是向下的g，则F只能为零，故假设错误，选项A错误；对M、N整体，水平方向合力为零，则M与墙壁之间无压力，则物块M与墙面之间一定没有摩擦力，选项B正确；对物块N受力分析，重力向下、物块M对N的弹力斜向右上方，因N所受合力竖直向下，可知M一定对N有沿斜面向上的摩擦力，选项D错误；对物块N，根据牛顿第二定律得mg－FMN＝ma，可知FMN＜mg，结合牛顿第三定律可知，物块N对物块M的作用力小于mg，选项C错误。

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