《创新课堂》第四章 运动和力的关系 3.牛顿第二定律 课件 高中物理必修第一册(人教版)同步讲练测

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《创新课堂》第四章 运动和力的关系 3.牛顿第二定律 课件 高中物理必修第一册(人教版)同步讲练测

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3.牛顿第二定律
1.理解牛顿第二定律的内容,明确表达式的确切含义。
2.知道国际单位制中力的单位的定义,明确牛顿第二定律成立的条件。
3.会应用牛顿第二定律解决简单的动力学问题,掌握其基本思路和 方法。
4.能运用牛顿第二定律解释生产、生活中的有关现象,解决简单问题。
学习目标
01
知识点一 牛顿第二定律的表达式 力的单位
02
知识点二 牛顿第二定律的简单应用
03
素养培优
目 录
04
随堂演练 教师独具
05
课时作业
01
PART
知识点一
牛顿第二定律的表达式 力的单位
 情境:在上节课探究加速度与力、质量的关系实验中,运用控制变量法
结合描点作图得到了a-m图像和a-图像,如图所示。
问题:(1)综合两个图像,反映了a与m 之间存在什么样的关系?
提示:初步得出,小车所受拉力一定的情况下,加速度与质量成反比。
(2)通过本次实验是否可以直接得出规律性的结论?
提示:不可以。还需要大量实验综合归纳证明。
1. 牛顿第二定律内容:物体加速度的大小跟它受到的作用力成 ,
跟它的质量成 ,加速度的方向跟作用力的方向 。
2. 牛顿第二定律表达式:F= ,其中k为比例系数。
3. 力的国际单位:牛顿,简称牛,符号为 。
4. “牛顿”的定义:使质量为1 kg的物体产生1 m/s2的加速度的力叫作1
N,即1 N= 。
5. 国际单位制中k=1,牛顿第二定律的表达式为F= ,式中F、m、
a的单位分别为牛顿、千克、米每二次方秒。
正比 
反比 
相同 
kma 
N 
1 kg·m/s2 
ma 
【易错辨析】
1. 由F=ma可知,物体所受的合外力与物体的质量成正比,与物体的加速
度成反比。 ( × )
2. 公式F=ma中,各量的单位可以任意选取。 ( × )
3. 任何情况下,物体的加速度的方向始终与它所受的合外力方向一致。
( √ )
4. 物体的运动方向一定与它所受合外力的方向一致。 ( × )
×
×

×
1. 表达式F=ma的理解
(1)单位统一:表达式中F、m、a三个物理量的单位都必须是国际单位。
(2)F与a的对应关系:F是合力时,a是合加速度,即物体的加速度;F是
某个力时,a是该力产生的加速度。
2. 牛顿第二定律的五个性质
因果性 力是产生加速度的原因
矢量性 F=ma是矢量式,加速度的方向与合力的方向相同
瞬时性 加速度与合力是瞬时对应关系,同时产生,同时变化,同时消

同体性 F=ma中F、m、a对应同一物体
独立性 作用在物体上的每一个力都会产生加速度,且彼此独立,互不
影响,物体的实际加速度是这些加速度的矢量和
3. a=与a=的区别
(1)a=是加速度的定义式,不能决定a的大小,a与v、Δv、Δt没有必然
联系。
(2)a=是加速度的决定式,加速度由物体受到的合力和质量共同 决定。
【例1】 (牛顿第二定律表达式的理解)对牛顿第二定律的表达式F=ma
及其变形公式的理解,下列说法正确的是(  )
A. 由F=ma可知,物体所受的合力与物体的质量成正比,与物体的加速度
成反比
B. 由m=可知,物体的质量与其所受的合力成正比,与其运动的加速度
成反比
C. 由a=可知,物体的加速度与其所受的合力成正比,与其质量成反比
D. 由m=可知,物体的质量由它的加速度和它所受的合力所决定

解析:牛顿第二定律的表达式F=ma表明了各物理量之间的数量关系,即
已知两个量,可以求第三个量。物体的质量由物体本身决定,与受力无
关;物体所受的合力,是由物体和与它相互作用的物体共同产生的,与物
体的质量和加速度无关;由a=可知,物体的加速度与其所受合力成正
比,与其质量成反比。综上分析知,选项A、B、D错误,选项C正确。
易错提醒
(1)物体质量m是由物体自身决定的,与物体所受的合力和运动加速度无
关,不能根据m=得出m∝F、m∝的结论,但物体的质量可以通过测量
它的加速度和它所受到的合力而求得。
(2)物体所受合力的大小F由物体受力情况决定,与物体质量和加速度无
关,不能由F=ma得出F∝m、F∝a的结论。
【例2】 (牛顿第二定律性质的理解)〔多选〕关于速度、加速度和合
力之间的关系,以下说法正确的是(  )
A. 物体的速度为零,加速度可能很大,所受的合力也可能很大
B. 物体的速度很大,加速度可能为零,所受的合力也可能为零
C. 物体的速度越大,则物体的加速度越大,所受合力也越大
D. 物体的速度为零,则物体的加速度一定为零,所受合力也为零


解析:物体的速度为零,加速度不一定为零,如在枪膛中加速的子弹,开
始时速度为零,但加速度很大,则所受的合力很大,故A正确,D错误;物
体的速度很大,加速度不一定大,如高速巡航的飞机,速度很大,加速度
为零,则所受的合力为零,故B正确,C错误。
方法技巧
合力与加速度、速度的关系判定
(1)力与加速度具有因果关系。力是因,加速度是果,只要物体所受
合力不为零,就会产生加速度。加速度与合力方向相同,大小与合力
成正比。
(2)力与速度无因果关系。合力的方向与速度方向可以相同,可以相
反,还可以有夹角。合力的方向与速度的方向相同时,物体做加速运动,
相反时物体做减速运动。
1. 在粗糙的水平面上,物体在水平推力的作用下,由静止开始做匀加速直
线运动,经过一段时间后,将水平推力逐渐减小到零(物体不停止),在
水平推力减小到零的过程中(  )
A. 物体的速度逐渐减小,加速度(大小)逐渐减小
B. 物体的速度逐渐增大,加速度(大小)逐渐减小
C. 物体的速度先增大后减小,加速度(大小)先增大后减小
D. 物体的速度先增大后减小,加速度(大小)先减小后增大
解析: 对物体在水平方向上受力分析,如图所示,因为
原来做匀加速直线运动,所以F>Ff,由于运动一段时间,
所以物体已有一定的速度,当力F减小时包含以下三个过程

①刚开始阶段:F>Ff,由牛顿第二定律得a=,F减小,a减小,但a、
v同向,故v增大;
②随着F减小:F=Ff时,即F合=0,a=0,速度v达到最大;
③力F继续减小:F<Ff,F合的方向变了,a的方向也相应变化,与速度方
向相反,故v减小,由牛顿第二定律得a=,故a(大小)增大。综上所
述,a(大小)先减小后增大,v先增大后减小,故选D。
02
PART
知识点二
牛顿第二定律的简单应用
1. 应用牛顿第二定律解题步骤
(1)矢量合成法:若物体只受两个力作用时,常用平行四边形定则求这
两个力的合力,然后计算物体的加速度,加速度的方向即是物体所受合外
力的方向。
(2)正交分解法:当物体受多个力作用时,常用正交分解法求物体所受
合力,再根据牛顿第二定律求物体的加速度。
①建立坐标系时,通常选取加速度的方向作为某一坐标轴(如x轴)的正方
向(也就是不分解加速度),将物体所受的力正交分解后,列出方程Fx=
ma,Fy=0。
②特殊情况下,若物体的受力都在两个互相垂直的方向上,也可将坐标轴
建立在力的方向上,正交分解加速度a,根据牛顿第二定律列
方程求解。
2. 解题方法
【例3】 (牛顿第二定律基本解法应用)(沪科版教材P83[示例1])长征
二号丁运载火箭质量m约为2.4×105 kg。已知火箭发动机点火后竖直向下
喷出高温、高压的气体,气体对火箭产生的初始推力接近 3.0×106 N,请
估算火箭启动时的加速度(重力加速度g取9.8 m/s2)。
答案:2.7 m/s2
解析:以火箭为研究对象,受力分析如图所示,火箭启动时受到
向上的推力F和向下的重力G。在这两个力的合力的作用下,产生
的加速度为a。以竖直向上为正方向,根据牛顿第二定律可知
F-G=ma
所以a==

=2.7 m/s2
加速度为正,说明其方向与F相同,为竖直向上。
【例4】 (合成法、正交分解法)自制一个加速度计,其构造是:一根
轻杆,下端固定一个小球,上端装在水平轴O上,轻杆可在竖直平面内左
右摆动,用白硬纸作为表面,放在轻杆摆动的平面上,并刻上刻度,可以
直接读出加速度的大小和方向。使用时,加速度计右端朝汽车前进的方
向,如图所示,g取9.8 m/s2。
(1)硬纸上刻度线b在经过O点的竖直线上,则在b处应标的加速度数值是
多少?
答案:0 
解析:当轻杆与Ob重合时,小球所受合力为0,其加速度为0,汽车的加速
度也为0,故b处应标的加速度数值为0。
解析:方法一 合成法
当轻杆与Oc重合时,以小球为研究对象,受力分析如图所示。
根据力的平行四边形定则和牛顿第二定律得
F合=mgtan θ=ma1
解得a1=gtan θ=9.8× m/s2≈5.66 m/s2。
(2)刻度线c和O点的连线与Ob的夹角为30°,则c处应标的加速度数值是
多少?
答案:5.66 m/s2
方法二 正交分解法
建立直角坐标系,并将轻杆对小球的拉力正交分解,如图
所示。
则沿水平方向有Fsin θ=ma
沿竖直方向有Fcos θ-mg=0
联立以上两式可解得小球的加速度a≈5.66 m/s2,方向水平向右,即c处应
标的加速度数值为5.66 m/s2。
(3)刻度线d和O点的连线与Ob的夹角为45°。在汽车前进时,若轻杆稳
定地指在d处,则0.5 s内汽车速度变化了多少?
答案:减少了4.9 m/s
解得a2=gtan 45°=9.8 m/s2,方向水平向左,与速度方向相反,
所以在0.5 s内汽车速度应减少,减少量Δv=a2Δt=9.8×0.5 m/s=4.9
m/s。
解析:若轻杆与Od重合,同理可得mgtan 45°=ma2,
2. 如图所示,质量为4 kg的物体静止于水平面上。现用大小为40 N、与水
平方向夹角为37°的斜向上的力拉物体,使物体沿水平面做匀加速运动
(g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)。
(1)若水平面光滑,物体的加速度是多大?
答案:8 m/s2 
解析:当水平面光滑时,物体的受力情况如图甲所示,
由牛顿第二定律得
Fcos 37°=ma1
解得a1=8 m/s2。
(2)若物体与水平面间的动摩擦因数为0.5,物
体的加速度大小是多少?
答案:6 m/s2
解析:当水平面不光滑时,物体的受力情况如图乙所示,
水平方向上,有Fcos 37°-Ff=ma2
竖直方向上,有FN'+Fsin 37°=mg
又Ff=μFN'
联立解得a2=6 m/s2。
03
PART
素养培优
用动力学方法测质量
1. 测定原理:已知物体的受力情况和运动情况,可以求出它的加速度,进
一步利用牛顿第二定律F=ma求出它的质量。加速度在这里起到了一个桥
梁纽带作用。
2. 适用范围:牛顿第二定律是一个在惯性参考系中普遍适用的基本物理定
律,不因物体的引力环境、运动速度的改变而改变,无论在太空还是在地
面都是成立的。
【典例1】 (教科版必修第一册P121[例题示范])一个物体受到竖直向
上的拉力,由静止开始向上运动。已知向上的拉力F为640 N,物体在最初
的2 s内的位移为6 m,重力加速度g取9.8 m/s2,问物体的质量是多少?
答案:50 kg
解析:建立如图所示直线坐标系,以物体的运动方向为y轴的
正方向,在图中作出拉力F和重力G的示意图,并标出速度v和
加速度a的方向,由匀变速直线运动公式得y=at2
所以a== m/s2=3 m/s2
由牛顿第二定律得
F-G=ma
即F-mg=ma
所以m== kg=50 kg。
【典例2】 已知飞船质量为5.0×103 kg,其推进器的平均推力F为800
N,飞船与空间站对接后,推进器工作5 s时间,飞船和空间站的速度增加
了0.05 m/s,不考虑其他外力的作用。求:
(1)飞船的加速度;
答案:0.01 m/s2
解析:由加速度定义式有a=
解得a=0.01 m/s2。
(2)空间站的质量。
答案: 7.5×104 kg
解析:根据牛顿第二定律F=(M+m)a
解得M=7.5×104 kg。
04
PART
随堂演练
【教师独具】
1. (牛顿第二定律表达式的理解)静止在光滑水平地面上的物体,受到一
个水平拉力的作用,以下说法正确的是(  )
A. 当力刚开始作用的瞬间,物体立即获得加速度,但速度仍为零
B. 当力刚开始作用的瞬间,物体同时获得速度和加速度
C. 物体运动起来后,拉力变小时,物体一定减速
D. 物体运动起来后,拉力反向,物体的速度立即反向
解析:力开始作用的瞬间,根据牛顿第二定律,可知物体立即获得加速度,但速度仍为零,故A正确,B错误;物体运动起来后,拉力变小时,加速度变小,速度仍然增大,故C错误;物体运动起来后,拉力反向,加速度也立即反向,则速度开始减小,并不是立即反向,故D错误。

2. (牛顿第二定律简单应用)光滑水平面上,有一质量为1 kg的物体,受
三个大小分别为6 N、8 N、10 N共点的水平力作用而处于静止状态,现将
大小为6 N的水平力撤去,则该物体的加速度大小为(  )
A. 0 B. 6 m/s2
C. 8 m/s2 D. 10 m/s2
解析:撤去大小为6 N的水平力后,物体受到的合力大小为F合=6 N,物体的加速度大小为a==6 m/s2,故选B。

3. (牛顿第二定律简单应用)〔多选〕为了让乘客乘车更为舒适,某探究
小组设计了一种新的交通工具,乘客的座椅能随着坡度的变化而自动调
整,使座椅始终保持水平,如图所示。当此车减速上坡时(  )
A. 座椅的支持力小于乘客的重力
B. 乘客受到水平向右的摩擦力作用
C. 乘客受到水平向左的摩擦力作用
D. 乘客所受力的合力沿斜坡向上


解析:当车减速上升时,乘客、车具有相同的加速度,方向沿斜坡向下,则乘客受到的合力方向沿斜坡向下;由于座椅的上表面是水平的,所以乘客受到重力、支持力、水平向左的静摩擦力,故B、D错误,C正确;在竖直方向上,由牛顿第二定律有mg-FN=may,得FN=mg-may,故A正确。
4. (牛顿第二定律简单应用)如图所示,沿水平方向做匀变速直线运动的
车厢中,悬挂小球的悬线与竖直方向的夹角为37°,球和车厢相对静止,
球的质量为1 kg(g取10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)。求:
(1)车厢运动的加速度,并说明车厢的运动情况;
答案:7.5 m/s2,方向水平向右 车厢可能向右做匀加
速直线运动或向左做匀减速直线运动
解析:方法一:合成法
小球和车厢相对静止,它们的加速度相同。以小球为研究对象,
对小球进行受力分析如图所示,小球所受合力F合=mgtan 37 °,
由牛顿第二定律得小球的加速度为a==gtan 37°=7.5 m/s2,
加速度方向水平向右。
车厢的加速度与小球的相同,车厢做的是向右的匀加速运动或向
左的匀减速运动。
方法二:正交分解法
建立直角坐标系如图所示
正交分解各力,根据牛顿第二定律列方程得
x方向Fx=ma
y方向Fy-mg=0
即Fsin 37°=ma,Fcos 37°-mg=0
解得a=7.5 m/s2,加速度方向水平向右。
车厢的加速度与小球的相同,车厢做的是向右的匀加速运动或向左的匀减
速运动。
(2)悬线对球的拉力大小。
答案:12.5 N
解析:由图可知,悬线对球的拉力大小为
F==12.5 N。
05
PART
课时作业
知识点一 牛顿第二定律的理解
1. 〔多选〕在牛顿第二定律的数学表达式F=kma中,有关比例系数k,下
列说法正确的是(  )
A. k的数值由F、m、a的数值决定
B. k的数值由F、m、a的单位决定
C. 在国际单位制中,k=1
D. 在任何情况下k都等于1
解析:物理公式在确定物理量数量关系的同时也确定了物理量的单位关系,在F=kma中,当m的单位取kg,a的单位取m/s2,F的单位取N时,k等于1,即各物理量在国际单位制下,k=1,故B、C正确。
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2. 〔多选〕下列对牛顿第二定律的理解正确的是(  )
A. 由F=ma可知,F与a成正比,m与a成反比
B. 牛顿第二定律说明当物体有加速度时,物体才受到外力的作用
C. 加速度的方向总跟合外力的方向一致
D. 当外力停止作用时,加速度随之消失
解析:物体所受外力和物体的质量与加速度无关,故选项A错误;B项违反了因果关系;选项C、D符合牛顿第二定律的矢量性和瞬时性关系,故选项C、D正确。


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3. 关于牛顿第二定律,以下说法正确的是(  )
A. 由牛顿第二定律可知,加速度大的物体所受的合力一定大
B. 牛顿第二定律说明了质量大的物体的加速度一定小
C. 对同一物体而言,物体的加速度与物体所受到的合力成反比
D. 在任何情况下,加速度的方向始终与物体所受的合力方向一致
解析:加速度是由合力和质量共同决定的,故加速度大的物体所受的合力不一定大,质量大的物体的加速度不一定小,选项A、B错误;由牛顿第二定律可知,对同一物体而言,物体的加速度与物体所受到的合力成正比,加速度的方向与物体所受合力方向始终相同,选项C错误,D正确。

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4. 如图所示,顶端固定着小球的轻杆固定在小车上,当小车向右做匀加速
直线运动时,球所受合力的方向沿图中的(  )
A. OA方向 B. OB方向
C. OC方向 D. OD方向
解析:当小车向右做匀加速直线运动时,小球和小车是一个整体,所以小球也向右做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律可知合力沿OD方向,D正确。

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知识点二 牛顿第二定律的简单应用
5. 质量分别为m甲、m乙的甲、乙两车放在光滑水平桌面上,在相同拉力作
用下,甲车的加速度为2 m/s2,乙车的加速度为6 m/s2,则(  )
A. m甲=3m乙 B. m甲=4m乙
C. 3m甲=m乙 D. 4m甲=m乙
解析:分别对甲车和乙车,由牛顿第二定律可知a甲=,a乙=,由于水平桌面光滑,两车所受合力即为拉力,可得===3,故A正确。

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6. (2025·金华高一期中)质量为m的木块位于粗糙的水平地面上,若用大
小为F的水平恒力拉木块,其加速度为a,当拉力方向不变,大小变为2F
时,木块的加速度为a',则(  )
A. a'=a B. a'<2a
C. a'>2a D. a'=2a
解析:由牛顿第二定律得F-Ff=ma,2F-Ff=ma',解得a'==
=2a+>2a,故选C。

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7. 如图所示,底板光滑的小车上用两个量程为20 N、完全相同的轻质弹簧
测力计甲和乙系住一个质量为1 kg的物块。在水平地面上,当小车做匀速
直线运动时,两弹簧测力计的示数均为10 N。当小车做匀加速直线运动
时,弹簧测力计甲的示数变为8 N,这时小车运动的加速度大小是(  )
A. 2 m/s2 B. 4 m/s2
C. 6 m/s2 D. 8 m/s2

解析:当弹簧测力计甲的示数变为8 N时,弹簧测力计乙的示数变为12 N,这时物块所受的合力为4 N,由牛顿第二定律F=ma得物块的加速度a==4 m/s2,故B正确。
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8. 有一恒力F施于质量为m1的物体上,产生的加速度为a1;施于质量为m2
的物体上,产生的加速度为a2;若此恒力F施于质量为(m1+m2)的物体
上,则产生的加速度应是(  )
A. a1+a2 B.
C. D.
解析:由F=m1a1,F=m2a2,F=(m1+m2)a,联立可得a=,
故D正确。

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9. 三个完全相同的物块1、2、3放在水平桌面上,它们与桌面间的动摩擦
因数均相同。现用大小相同的外力F沿如图所示方向分别作用在1和2上,
用F的外力沿水平方向作用在3上,使三者都做加速运动,分别用a1、a2、
a3表示物块1、2、3的加速度,则(  )
A. a1=a2=a3 B. a1=a2,a2>a3
C. a1>a2,a2<a3 D. a1>a2,a2>a3

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解析: 对物块1,由牛顿第二定律得Fcos 60°-Ff=ma1,即-μ(mg
-Fsin 60°)=ma1,对物块2,由牛顿第二定律得Fcos 60°-Ff'=ma2,
即-μ(mg+Fsin 60°)=ma2,对物块3,由牛顿第二定律得F-Ff″=
ma3,即-μmg=ma3,比较得a1>a3>a2,所以C正确。
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10. (2025·丽水高一教学质量监控)质量为m的翼装飞行者从高空跳下,
通过调整身体实现飞行并控制方向。如图所示,当他斜向上以加速度减
速直线飞行时,所受空气作用力(  )
A. 大小等于mg B. 大小等于
C. 方向竖直向上 D. 方向垂直于AB向上

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解析:由牛顿第二定律可知翼装飞行者受合力为F=mg,即重力mg与空气作用力f的合力大小为F,方向斜向左下方,如图所示,由图可得空气作用力大小为f=mgcos 30°=mg,方向与AB垂直,斜向左上方,故选D。
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11. 如图,质量为m=5 kg的小球穿在斜杆上,斜杆与水平方向的夹角为θ
=37°,球恰好能在杆上匀速向下滑动。若球受一大小为F=200 N的水平
推力作用,可使小球沿杆向上加速滑动,求:(g取10 m/s2,sin 37°=
0.6,cos 37°=0.8)
(1)小球与斜杆间的动摩擦因数μ的大小;
答案:0.75 
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解析:小球匀速向下滑动时,受力分析如图甲所示,
由平衡条件得
平行于杆方向,有mgsin θ=Ff1
垂直于杆方向,有FN1=mgcos θ
又Ff1=μFN1
联立解得μ=0.75。
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(2)小球沿杆向上加速滑动时的加速度大小。
答案:2 m/s2
解析:水平推力作用后,对小球受力分析,如图乙所示,
平行于杆方向,有Fcos θ-mgsin θ-Ff2=ma
垂直于杆方向,有FN2=Fsin θ+mgcos θ
又Ff2=μFN2
联立解得a=2 m/s2。
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12.1966 年,人们在地球上空完成了以牛顿第二定律为基础的测定质量的
实验。实验中,设有一艘质量m=3 400 kg的宇宙飞船,跟正在轨道上运动
的火箭组接触。接触后开动飞船尾部的推进器,使飞船和火箭组共同加
速。若已知推进器的平均推力为895 N,推进器开动7 s,测出飞船和火箭
组的速度改变量是0.91 m/s,试求火箭组的质量。
答案:3.48×103 kg
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解析:设火箭组的质量为M,由7 s内飞船和火箭组的速度改变量是 0.91
m/s可得飞船和火箭组的加速度a== m/s2=0.13 m/s2
由牛顿第二定律可得=(M+m)a
则火箭组的质量M=-m=(-3.4×103)kg≈3.48×103 kg。
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