“牛顿运动定律”学习引导与方法突破

2016-01-25曹岳进

新高考·高一物理 2015年12期

关键词：牛顿定律惯性

曹岳进

一、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，直到有外力迫使它改变这种状态为止.

2.物理意义

（1）揭示了物体在不受力或所受合外力为零时的运动规律.

（2）指出了一切物体都具有惯性，因此牛顿第一定律又叫惯性定律.

（3）揭示了力与运动的关系，即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.

3.惯性

（1）物体保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性.

（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）惯性的两种表现形式

①物体在不受外力或所受合外力为零时，惯性表现为使物体保持原来的运动状态不变（静止或匀速直线运动）.

②物体受到外力时，惯性表现为运动状态改变的难易程度.惯性大，物体的运动状态较难改变；惯性小，物体的运动状态容易改变.

4.惯性与惯性定律

惯性是一切物体都具有的性质，是物体的固有属性，与物体的运动情况和受力情况无关；惯性定律即牛顿第一定律，是一条动力学规律.

5.对牛顿第一定律的进一步理解

（1）牛顿第一定律不是由实验直接总结出来的

在实际中不受力的物体是不存在的，牛顿第一定律不能用实验直接验证，但是牛顿第一定律是在大量的实验现象的基础上，通过逻辑推理而发现的，例如伽利略的理想斜面实验.

（2）牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例

牛顿第一定律揭示了物体在不受力或所受合外力为零时的运动状态，同时定性地指出了力与运动的关系（力是改变物体运动状态的原因）；牛顿第二定律则定量地指出了力与运动的关系（F=ma）.因此牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例，它们是两个不同的定律.

二、牛顿第二定律

1.内容

物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟引起这个加速度的力的方向相同.

2.表达式

F=ma

3.对牛顿第二定律的理解

（1）同一性：加速度a、受力F、质量m对应同一个物体，加速度a、力F、质量m统一使用国际单位制单位.

（2）瞬时性：物体的加速度a与受到的力F对应同一时刻.

（3）矢量性：F=ma是矢量式，加速度a的方向始终与力F的方向相同.

（4）独立性：每一个力都可以独立产生各自的加速度.

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，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.力是物体与物体间的相互作用，物体间相互作用的这一对力通常叫做作用力和反作用力.

2.牛顿第三定律

（1）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.

（2）物理意义

建立了相互作用物体之间的联系及作用力与反作用力的相互依赖关系.

①定律中的“总是”说明对于任何物体，在任何情况下牛顿第三定律都是成立的.

②作用力与反作用力虽然等大反向，但因所作用的物体不同，所产生的效果（运动效果或形变效果）往往不同.所以作用力与反作用力的作用效果不能抵消.

③作用力与反作用力只能是一对物体间的相互作用力，与第三个物体无关.

3.作用力、反作用力与一对平衡力的比较

相同点：大小相等，方向相反，作用在同一条直线上.

不同点：

4.在对物体进行受力分析时，如果不便于分析物体受到的某些力，则可以通过分析其反作用力来解决问题，牛顿第三定律将起到非常重要的转换研究对象的作用，使得我们对问题的分析思路更灵活、更宽阔.

四、动力学两类基本问题

1.两类基本问题

（1）已知受力情况求物体的运动情况.

（2）已知运动情况求物体的受力情况.

2.解决两类基本问题的方法

以加速度为“桥梁”，由运动学公式和牛顿第二定律列方程求解，具体逻辑关系如下图：

3.两类动力学问题的解题思路和步骤

（1）明确研究对象：根据问题的需要和解题的方便，选出所研究的物体.研究对象可以是某个物体，也可以是几个物体构成的系统.

（2）受力分析和运动分析：画好受力分析图、情景示意图，明确物体的运动性质和运动过程.

（3）选取正方向或建立坐标系：通常以加速度的方向为正方向，或以加速度的方向为某一坐标的正方向（正交分解）.

（4）列方程求解：根据牛顿第二定律F=ma或Fx=max和Fy=may列方程求解，必要时对结果进行讨论.

4.解决两类动力学问题的两个关键点

（1）两个分析：物体受力分析，同时画出受力示意图；物体运动规律分析，同时画出运动情景图.

（2）两个桥梁：加速度是联系运动和力的桥梁；速度是物理过程间相互联系的桥梁.

5.常见的两类动力学图象问题

（1）两类动力学图象问题

①已知物体在某一过程中所受的合力（或某个力）随时间的变化图线，要求分析物体的运动情况；

②已知物体在某一过程中速度、加速度随时间的变化图线，要求分析物体的受力情况.

（2）解决图象综合问题的关键

①分清图象的类别：即分清横、纵坐标所代表的物理量，明确其物理意义，掌握物理图象所反映的物理过程，会分析临界点.

②注意图线中的一些特殊点所表示的物理意义：图线与横、纵坐标的交点，图线的转折点，两图线的交点等.

③明确能从图象中获得哪些信息：把图象与具体的题意、情境结合起来，再结合斜率、特殊点、面积等物理意义，确定从图象中反馈出来的有用信息，这些信息往往是解题的突破口或关键点.

（3）物理公式与物理图象的结合是中学物理中的重要题型，特别是v-t图象在考题中出现频率极高.对于已知图象求解相关物理量的问题，往往是结合物理过程从分析图象的横、纵轴所对应的物理量的函数人手，分析图线的斜率、截距所代表的物理意义得出所求结果.解决这类问题的核心是分析图象，我们应特别关注v-t图象中的斜率（加速度）和力的图线与运动的对应关系.

五、超重和失重

1.实重和视重

（1）实重：物体实际所受的重力，与物体的运动状态无关.

（2）视重：测力计所指示的数值.

2.超重、失重和完全失重

（1）超重现象：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象.物体有向上的加速度，可能加速上升或减速下降.

（2）失重现象：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象.物体有向下的加速度，可能加速下降或减速上升.

（3）完全失重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）等于零的现象.物体的加速度方向向下，大小a=g.如无阻力的抛体运动，卫星绕地球做匀速圆周运动.

3.对超重和失重的理解

（1）超重并非物体的重力增加了，失重也并非重力减小了，完全失重也不是重力完全消失了.在发生这些现象时，物体的重力依然存在，且不发生了变化，只是物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）发生了变化.

（2）即使物体的加速度不是竖直方向，但只要其加速度在竖直方向上有分量即a，≠0，物体就会出现超重或失重状态.当ay方向竖直向上时，物体处于超重状态；当ay方向竖直向下时，物体处于失重状态.

（3）即使整体没有竖直方向的加速度，但只要物体的一部分具有竖直方向的加速度，整体也会出现超重或失重状态.