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第2章 牛顿运动定律
引言：我们在第1章中学习了运动的概念以及物体的运动规律，但没有涉及力是怎样使物体运动起来的。本章将要研究力以及力和运动的关系。这一部分内容属于动力学。我们首先介绍常见的三种力，然后学习力的合成、分解以及受力分析方法，学习牛顿运动定律，以及怎样用牛顿运动定律解决实际问题。还会涉及到一些静力学方面的内容，如在力的平衡条件下物体如何保持静止的问题等。本章中的牛顿运动定律是动力学的基础，也是力学中的重点内容。
2-1 力
教学目标
1. 掌握力的概念。
2．知道重力、弹力、摩擦力的产生条件。
3．培养初步的受力分析能力。
教学重点难点
重点：力的概念。
难点：1. 弹力、摩擦力的产生条件。
2．摩擦力方向的判定。
教学器材
三角板、弹簧秤。
教学建议
教法建议
讨论、演示实验、讲解。
教学设计方案
（一）引入新课
树上成熟的苹果会自动落到地面，而没有“掉”到天上，一个人跳得再高最终也还是离不开大地，因为他们受到地球的吸引力——重力。撑杆跳高的运动员能跳得很高，因为他很好地利用了杆的弹力。人们能捏住钢笔写字、能拿着工具工作，因为存在摩擦力。（让大家熟悉以上三种力的性质和作用，了解力的基本知识，就是这节课的基本内容。）
（二）引出课程内容
力
学生在初中语文课本中学过这样一篇课文《范进中举》，课文中描述了范进因中举发疯，为治范进疯病，胡老爹狠狠抽了范进一嘴巴，抽过之后范进脸上立刻出现了五个红红的手指印，胡老爹也觉手火辣辣地疼，其中蕴含的物理学道理是什么呢？
（1）概念：力是物体对物体的作用。
力的物质性：力是物体与物体间的相互作用，离开了物体，力是不存在的，一个力一定与两个物体相对应，即受力物体和施力物体。
“胡老爹狠狠抽了范进一嘴巴”，胡老爹的手就是施力物体，范进的脸就是受力物体。
力的相互性：一个力总是联系着两个物体，施力物体同时也是受力物体，受力物体同时也是施力物体，所有力的作用都是相互的，相互作用的物体有些是接触的，有些是不接触的，如磁铁可以隔着一本书吸引铁钉。
“胡老爹狠狠抽了范进一嘴巴”，在这个力的作用过程中，两物体“胡老爹的手”和“范进的脸”是相互接触的，同时力的作用也是相互的。“胡老爹的手”对“范进的脸”施加了作用力，这个力让范进的脸“立刻出现了五个红红的手指印”，在这个力的作用过程中，“胡老爹的手”就是施力物体，“范进的脸”就是受力物体。同时 “范进的脸”对“胡老爹的手”也施加了作用力，该作用力让胡老爹感到手“火辣辣地疼”。在这个力的作用过程中，“胡老爹的手”变成了受力物体，“范进的脸” 变成了施力物体。
（2）矢量性：不但有大小而且有方向。
力的大小可以用弹簧秤测量。（出示弹簧秤。）
力的单位：牛顿，简称为牛，符号是N。
要完整地表达一个力，即要说明它的大小，又要说明它的方向。
（3）力的图示：为了更形象直观地表达力，我们可以用一根带箭头的线段来表达一个力的大小、方向和作用点（即力的三要素）。这种表示力的方法叫力的图示。
（用三角板画出一辆小车受20 N拉力的图示和示意图如图1）
图1
力的图示画法的步骤：
① 选定标度（用多长的线段表示多少牛的力）；
② 从作用点沿力的方向画一条线段，根据选定的标度大小按比例确定线段的长度，并在线段上加上刻度；
③ 在线段的一端加箭头表示力的方向，箭头或箭尾表示力的作用点。
力的图示与力的示意图不同，力的示意图只表示物体受到哪些力的作用及力的方向如何，并不需要按选定的标度画出线段的长度。以后如无特殊需要画出的均是力的示意图。
(4) 力的作用效果：
① 动力效果——改变物体的运动状态。如改变物体运动速度的大小或方向。
② 静力效果——使物体发生形变。如把物体拉伸、压缩、扭转、剪切等。
根据力的作用效果，判断物体是否受力，是受力分析的基本方法。
(5) 力的分类：
① 根据力的性质命名：如重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等；
② 根据力的效果命名：如拉力、压力、动力、阻力等。
同一性质的力，效果可以不同；同一效果的力，性质也可以不同。
2．重力
（1）概念：由于地球的吸引而使物体受到的力称为重力。但重力的大小并不一定等于地球对物体的吸引力，二者是不同的。
重力的施力物体是地球，受力物体是被研究的物体。
（2）矢量性
方向：竖直向下。可由铅锤线确定，总与当地水平面垂直（学生易错应重点强调）。
大小： 式中g =9.8 N/kg，表示1 kg的物体受到的重力是9.8 N。在地球表面的不同位置，g值略有不同。
一个物体的各个部分都要受到重力的作用。为了方便，人们通常认为整个物体所受的重力作用在物体的一个点上，这个点称为物体的重心。质量均匀分布的物体，如果其形状又规则，它的重心就在其几何中心上。例如，图2中均匀细直棒的重心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱体的重心在轴线的中点。
质量分布不均匀的物体，重心的位置除与物体的形状有关外，还与物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化，起重机的重心随着提升物的高度而变化（图3）。
图3
图2
(3) 重心：整个物体所受重力作用点称为物体的重心。它是一个物体各部分受到重力作用的等效作用点。
由经验知道，物体的重心越低，支撑面越大，物体的稳定性就越强。例如，砖块有三种不同的放置方式，如图4所示，其中平放的最稳定，侧放的次之，而竖放的最不稳定，受到冲击后容易翻倒。增大物体的稳定程度有重要的实际意义。在工程技术中，为增强物体稳定性，许多机器都是底部较重，并且较大；堆放货物或为车船装载时，要把重物放在底部，使重心降低；照相机和某些测量仪要安装在三角架上，以增大支撑面；高压输电线的铁塔，工厂的烟囱等，都要做成往上逐渐缩小的形状，也都是为了降低重心且有较大的支撑面；在设计交通工具时，也要尽量降低重心。
图4
(4) 稳定问题：物体的重心越低，支撑面越大，物体的稳定性就越强。
3．弹力
(1) 概念：在外力作用下弹性物体形变后所产生的恢复力称为弹力。
(2) 产生条件： ① 相互接触； ② 有弹性形变（即接触处相互挤压或拉伸）。
相互接触是产生弹力的首要条件，但相互接触的物体间不一定存在弹力，只有两物体在接触处产生弹性形变时，两物体间才有弹力，当形变不明显时，可用“假设法”判定。所谓“假设法”，就是假定研究对象受到弹力作用，判断原有运动情况是否与受力情况矛盾，若矛盾则假设错误，研究对象没有受到弹力作用；不矛盾则假设正确。
分析图5所示静止小球受到墙壁和光滑地面的弹力。显然墙壁对小球没有弹力作用。
(3) 矢量性：
① 几种常见的弹力，
压力：压力的方向垂直于支持面而指向被压物体。 图5
支持力：支持力的方向垂直于支持面而指向被支持的物体
拉力：绳对所拉物体的弹力，方向沿着绳而指向绳收缩的方向。
② 弹力大小和物体形变大小成正比。
胡克定律：在弹性限度内，弹簧弹力的大小与弹簧伸长（或缩短）的长度成正比。
公式：，其中k称为劲度系数，与弹簧的几何形状和材料有关。它的单位是牛每米，符号N/m。
(4) 例题讲解
例题1 放在水平桌面上的书，由于重力的作用而压迫桌面，使书和桌面同时发生微小的形变。书由于发生微小的形变，而对桌面产生垂直于桌面向下的弹力，这就是书对桌面的压力；桌面由于发生微小的形变，对书产生垂直于书面的弹力，常称为桌面对书的支持力(图6)。 图6 图7
静止在倾斜木板上的书，由于重力的作用也压迫木板，它们都发生了微小形变，致使书对木板有垂直于木板斜向下方的压力，木板对书有垂直于书面斜向上方的支持力，如图7所示。
结论：通常所说的压力和支持力都是弹力。 压力的方向垂直于支持面而指向被压的物体，支持力的方向垂直于支持面而指向被支持的物体。
例题2 挂在电线下面的电灯，由于重力的作用而拉紧电线，使电灯和电线发生微小的形变。电灯由于发生微小的形变，而对电线产生竖直向下的弹力F1，这就是电灯对电线的拉力；电线由于发生微小的形变对电灯产生竖直向上的弹力F2，这就是电线对电灯的拉力(图8)。
结论：通常所说的拉力也是弹力。绳的拉力是绳对所拉物体的弹力，方向总沿着绳而指向绳收缩的方向。
4. 摩擦力
(1) 概念：相互接触的两个物体发生相对运动或相对运动趋势时，
接触面间所产生的阻碍相对运动或相对运动趋势的力，称为摩擦力。
（指导学生两手掌压在一起，相对滑动，叙述两手掌各自的感觉） 图8
(2) 产生条件：
① 相互接触；② 接触面间有弹力作用；③ 有相对运动或相对运动趋势；④ 接触面粗糙。
(3) 矢量性
方向：与相对运动或相对运动趋势的方向相反。
大小：滑动摩擦力：，其中称为动摩擦因数，它的大小由相互接触的两个面的材料、表面粗糙程度和干燥程度所决定。表2-1列出了几种材料问的动摩擦因数（教师介绍讲解）。
静摩擦力：与使物体产生相对运动趋势方向上的外力大小相等。
（4）例题讲解
例题3 在东北的冬季伐木工作中，许多伐下的木料被装在雪橇上，用马拉着雪橇在冰道上滑行，将木料运送出去(图9)。一个有钢制滑板的雪橇，上面装着木料，总重为 N。在水平的冰道上，马要用多大的力，才能够拉着雪橇匀速前进
解 雪橇(包括木料)在水平方向受到两个力的
作用：马对雪橇的拉力，冰道对雪橇的滑动摩擦 图9
力。在这两个力的作用下，雪橇匀速前进。
与大小相等，方向相反，是一对平衡力，即= 。滑动摩擦力的大小可以由=。求出，其中；由表2-1中可查出=0.02，由此可求出，进而求出马的拉力
代入数值得
马要在水平方向用980 N 的力才能够拉着雪橇匀速前进。
相互接触的两个物体间存在相对运动趋势时，在接触面上会产生阻碍相对运动趋势的力，称为静摩擦力。当用力推地上的箱子但没有推动，被推的箱子就有了向前运动的趋势，这时箱子受到的阻碍它运动趋势的力就是静摩擦力。静摩擦力的方向总跟接触面相切，并且跟物体相对运动趋势方向相反。随着外力的增大，静摩擦力也在逐渐增大，始终与外力保持平衡。当外力增大到某一数值时，物体开始滑动，这时的摩擦力称为最大静摩擦力。最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。
5．课堂练习
1．教材p37习题2-1第1题，说出各作用力的施力物体和受力物体。
2．教材p37习题2-1第2题，体会静摩擦力大小规律。
3．教材p37习题2-1第3题，画出所受摩擦力的示意图。
（三）小结
本节主要学习了力、重力、弹力、摩擦力的有关概念，该部分知识是力学的重点和基础，弹力、摩擦力的产生条件及方向判断是本节的难点。
（四）作业布置
1．p38 6、7 2．《技术物理练习册》（第3版）相关习题
（五）教学说明
本节内容比较抽象，教师在教学过程中要充分利用学生已有知识进行展开，利用现实生活中的实例化抽象为具体，弹力、摩擦力难点的突破要给与足够的重视，同时也不必强求能在本节课中完成。

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