资源简介

(共45张PPT)
第五节 牛顿运动定律及其应用
“嫦娥四号”是如何从地球飞向月球的？
主要内容
牛顿第一定律
牛顿第二定律
牛顿第三定律
1
2
3
国际单位制
4
01
PART 01
牛顿第一定律
一、牛顿第一定律
通过16世纪末，意大利物理学家伽利略对亚里士多德的论断表示了怀疑。他注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。
公元前 4 世纪，古希腊的哲学家亚里士多德在观察和直觉的基础上得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就保持静止。
伽利略为了说明他的思想，设计了一个如图所示的对接斜面的理想实验。
一、牛顿第一定律
一、牛顿第一定律
理想实验也叫假想实验或者思想实验，它以真实的科学实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程。它具有实际物理实验的一些特点，又不同于实际实验。它也是科学研究中常用的一种逻辑思维方法。
【思维与方法】 理想实验方法
一、牛顿第一定律
【观察与体验】 观察滑块在水平气垫导轨上的运动
一、牛顿第一定律
【思考与讨论】
在水平气垫导轨上静止的滑块所受的外力有哪些？滑块所受的合外力为多少？
在水平气垫导轨上运动的滑块所受的外力有哪些？滑块所受的合外力为多少？
英国的物理学家牛顿在伽利略等人研究的基础上，根据自己的研究，系统地总结了力学规律，提出了三条运动定律。
一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。由于物体总保持原来运动状态的性质称为惯性，因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。
一、牛顿第一定律
打篮球的同学在做“三步上篮”的动作时，只需将球向上抛出，球就人会由于惯性，向前上方运动并落入篮筐了。
一、牛顿第一定律
与本学习小组的同学讨论，图1-5-6中在水平地面上玩滑板的人为什么能带着滑板腾空而起？与其他小组的同学交流。
一、牛顿第一定律
【思考与讨论】
一、牛顿第一定律
【应用与拓展】 安全带与安全气囊
02
PART 01
牛顿第二定律
人们在实践中发现，物体的加速度不仅与其所受外力有关，还与其质量有关。
物体运动状态发生改变时，会产生加速度，因此也可以说，力是使物体产生加速度的原因。
牛顿第一定律告诉我们，物体如果不受外力，它将保持原来的运动状态。由此可知，如果物体受到外力作用，物体的运动状态必将改变。
二、牛顿第二定律
二、牛顿第二定律
【观察与体验】
研究加速度与外力的关系
两辆小车的位移与其所受拉力的关系是什么？
二、牛顿第二定律
【观察与体验】
研究加速度与外力的关系
通过测量可发现：
两辆小车的位移与其所受拉力成正比。
二、牛顿第二定律
【思考与讨论】
小车的加速度与其所受的拉力有什么关系？
由于小车的初速度为零，根据匀变速直线运动位移公式 可知，在时间 t 相同的情况下，小车的位移与加速度有什么关系？
二、牛顿第二定律
对不易直接观察和测量的微观物理量，人们常常采用转换观测对象的方法。通过转换，用某些容易观察和测量的量，代替不易观察和测量的量，这就是转换法。
【思维与方法】 转换法
由于加速度是一个较难测量的物理量，因此本实验巧妙运用转换法，用测量物体的位移之比代替测量物体的加速度之比，进而揭示出物体加速度与外力之间的关系。
在大量实验的基础上，可以归纳出：质量相同的物体，加速度与其所受的外力成正比。即
二、牛顿第二定律
二、牛顿第二定律
【观察与体验】 研究加速度与质量的关系
牛顿第一定律利用前面的实验装置继续实验。在两辆小车的绳端各挂一个钩码，使两辆小车所受的拉力相同。在第一辆小车上加放砝码，使其质量增大为原来的 2 倍。
先标记出小车的初始位置，再打开夹子，让两辆小车同时从静止开始运动。经过一小段时间后，合上夹子，让它们同时停下。测量两辆小车的位移大小。
二、牛顿第二定律
【观察与体验】
研究加速度与质量的关系
通过测量可发现：两辆小车的位移与其质量成反比。
由于位移与加速度成正比，因此可以得出小车的加速度与其质量成反比。
在大量实验的基础上，可以归纳出：在相同外力作用下，物体的加速度与其质量成反比，即
二、牛顿第二定律
实验表明，质量大的物体运动状态难以改变，即物体的惯性大；质量小的物体运动状态容易改变，即物体的惯性小。因此，质量是物体惯性大小的量度。
二、牛顿第二定律
列车的质量一般都非常大，即惯性非常大，要使高速行驶的列车停下来是很困难的。因此，为了避免伤害，在通过列车道口时，一定要遵守交通法规，听从交警的指挥，如右图所示。
【行为与责任】
二、牛顿第二定律
控制变量法就是在有多个因素（变量）同时对结果起作用的过程中，通过控制实验条件（控制其他因素不变），逐个研究某一因素对结果的影响，然后加以综合的研究方法，也叫单因子实验法。
【思维与方法】 控制变量法
以上实验中，为了研究加速度与外力和质量的关系，先控制质量不变，研究加速度与外力的关系，再控制外力不变，研究加速度与质量的关系，运用的就是控制变量法。
二、牛顿第二定律
加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。这就是牛顿第二定律。
根据以上两个实验结论： 和 ，可以得出 。
将此式写成等式，变为 。
如果规定力的
单位为 N，且 1 N = 1 kg·m/s2，则上式可简化为 ，
其中的 F 是指物体所受的合外力，因此也可以写成 。
二、牛顿第二定律
以前的汽车，如果在高速运动时进行紧急制动，车轮会被制动器抱死，使前轮失去转向功能，可能使汽车发生侧滑，甚至侧翻。
为防止这种情况的发生，人们发明了防抱死制动系统（ABS）。它可以自动地检测车轮是否在正常滚动，并在车轮滑动的时候释放制动器，使汽车轮子处于滚动和滑动的交替状态。帮助司机在制动时更好地掌控汽车的运动状态，防止出现侧滑等失控情况。
【应用与拓展】 汽车ABS
二、牛顿第二定律
示例 冰壶吊车要在10 s内将地面上的货物吊到10 m高的楼顶，货物的质量是2.0×103 kg，假设货物被匀加速吊起，问吊车缆绳对货物的拉力是多少？
分析 本题以货物为研究对象，先分析其运动情况：已知货物向上做匀加速直线运动，而且v0 = 0，t = 10 s，s = 10 m，因此可以利用匀变速直线运动的位移公式，求出加速度的大小。
二、牛顿第二定律
再分析货物在运动过程中的受力情况：货物受到两个力的作用，竖直向上的拉力 F 和竖直向下的重力G，如右图所示。由于已知货物的质量 m，因此可以求出重力G。
最后应用牛顿第二定律，求解拉力F的大小。在应用牛顿第二定律解题时，由于力、加速度都是矢量，因此在计算时要选择一个正方向。本题选货物的运动方向为正方向，则货物所受的拉力 F 为正值，重力G为负值。由于加速度的方向与正方向相同，因此加速度的数值也为正值。
二、牛顿第二定律
解 由匀变速直线运动的位移公式及v0 = 0，得
m/s2 = 0.20 m/s2。
选竖直向上为正方向，根据对货物的受力分析，利用牛顿第二定律：
F合 = F－G = ma
F = G + ma = mg + ma =（2.0×103×9.8 + 2.0×103×0.20）N
= 2.0×104 N
二、牛顿第二定律
在吊车向上加速吊起货物时，缆绳对货物的拉力超过货物的重力，这种现象称为超重。与此相反，当吊车向下加速放下货物时，缆绳对货物的拉力将小于货物的重力，这种现象称为失重。
在火箭发明之前，有人曾设想用一门巨型大炮将宇宙飞船发射到月亮上去。这种想法很有创意，但实际上却是不可能的，因为飞船中的乘客在被发射出去时将经历一个超强的加速过程，从而产生强烈的超重现象，会让他们瞬间失去生命。
03
PART 01
牛顿第三定律
两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体有力的作用，另一个物体同时对这个物体也一定有力的作用。
我们在初中物理中学过，力是物体间的相互作用。
三、牛顿第三定律
物体间相互作用的这一对力，称为作用力和反作用力。
【观察与体验】 用力传感器研究作用力与反作用力
三、牛顿第三定律
【观察与体验】 用力传感器研究作用力与反作用力
三、牛顿第三定律
观察发现：由屏幕上显示出的两个力传感器的受力图线在任何时刻都是沿时间轴对称分布的。
小组讨论：根据两个力传感器的受力图线进行概括，在任何时刻两个相互作用力是怎样的？
在任何时刻两个相互作用力都是大小相等、方向相反的。
大量实验表明：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。这就是牛顿第三定律。
式中，F、F＇分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向相反。
F = －F＇
三、牛顿第三定律
用公式可表示为
作用力和反作用力总是成对出现，同时产生，同时消失。
三、牛顿第三定律
作用力和反作用力总是属于同种性质的力。如：作用力是万有引力，反作用力也一定是万有引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。
作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上，各自产生各自的作用效果，不能平衡，不能抵消。
人走路时，脚总是不断地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同时，脚也受到了向前的摩擦力，从而使人向前运动。
骑自行车时，人用力地蹬踏板，使后轮转动，后轮对地面产生向后的摩擦力，地面对后轮产生向前的摩擦力，推动自行车前进。
三、牛顿第三定律
人在游泳时，主要是利用四肢向后推水，来获得水对人向前的推力。
三、牛顿第三定律
当搭载着“嫦娥四号”探测器的火箭发射升空时，通过向后高速喷射燃料，获得了向前的推进力。探测器与火箭分离后，主要依靠惯性前进，但可利用携带的7 500 N变推力发动机，进行修正，校准航向。接近月球后，探测器使用变推力发动机进行近月制动，使其被月球的引力场捕获，成为一颗绕月卫星。之后通过变轨控制，使速度逐渐下降，最后在反推发动机和着陆缓冲机构的保护下，实现软着陆。
04
PART 01
国际单位制
1960年10月，第11届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制（简称SI）。1971年第14届国际计量大会，建立了以7个基本量为基础的国际单位制，规定了7个基本单位，分别是长度单位米（m）、时间单位秒（s）、质量单位千克（kg）、电流单位安（A）、热力学温度单位开（K）、物质的量单位摩尔（mol）、发光强度单位坎德拉（cd）。
四、国际单位制
由基本单位导出的单位称为导出单位。例如，根据速度公式，可推导出速度的单位是m/s；根据加速度公式，可推导出加速度的单位是m/s2；根据牛顿第二定律F = ma，可推导出力的单位N，即1 N＝1 kg·m/s2。
四、国际单位制
【应用与拓展】 相对论及其应用简介
1905年，德国物理学家爱因斯坦提出了狭义相对论，他以相对性原理和光速不变原理为依据，提出空间和时间会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生运动的钟比静止的钟走得慢、运动的尺子比静止的尺子短、运动物体的质量比静止物体的质量大等效应。他还发现质量与能量密不可分，给出了著名的质能方程：E = mc2。1915年，爱因斯坦又提出广义相对论。
相对论的提出是物理学领域的一次重大革命，在人类对核能、卫星导航、高能粒子、太空探索、宇宙的起源、黑洞和暗能量等领域的研究中都发挥了重大作用。
【技术·中国】 举世瞩目的中国航空航天技术
谢谢聆听！

展开更多......

收起↑