高届高级高三物理一轮复习步步高全书学案第三章 第1讲.docx

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高届高级高三物理一轮复习步步高全书学案第三章第1讲

五年高考（全国卷）命题分析

五年常考热点

五年未考重点

牛顿第二定律的理解和应用

2018

2016

2014

1卷15题

1卷18题

1卷17题

1.牛顿第一定律和牛顿第三定律

2.超重和失重问题

3.瞬时问题

4.动力学中的连接体问题

5.动力学中的临界与极值问题

6.传送带模型问题

动力学两类基本问题

2014

1卷24题

v－t图象与牛顿第二定律的结合

2015

2014

1卷20题

2卷24题

动力学方法处理滑块—木板模型问题

2017

2015

3卷25题

1卷25题、2卷25题

实验:

探究加速度与力、质量的关系

2018

2016

2015

2014

2卷23题

3卷23题

2卷22题

1卷22题

拓展实验:

测定物块与木板间的动摩擦因数

2018

2015

2卷23题

2卷22题

1.考查方式:

牛顿运动定律的理解和应用是高中物理教学中最重要的问题,因此从近几年高考看,考查的频率很高,不只在选择题中考查牛顿运动定律的应用,在实验题和计算题中仍然是考查的重点.

2.命题趋势:

本部分内容高考命题存在以下特点和趋势:

一是高考考查的重点,命题次数较多；二是题型全面,从选择题到实验题、再到计算题；三是命题趋势大体呈现以下特点:

从匀变速直线运动规律的应用为重点转向动力学方法的应用为重点.

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揭示了力与运动的关系:

力不是维持物体运动的原因,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.

自测1

　（2018·山东省济南一中阶段检测）下列说法中正确的是（　　）

A.物体只有在不受外力作用时,才会有保持原有运动状态不变的性质,这个性质叫惯性,故牛顿第一定律又叫惯性定律

B.牛顿第一定律不仅适用于宏观低速物体,也可用于解决微观物体的高速运动问题

C.牛顿第一定律是牛顿第二定律在物体的加速度a＝0条件下的特例

D.伽利略根据理想实验推出,如果没有摩擦,在水平面上的物体,一旦具有某一个速度,将保持这个速度继续运动下去

答案　D

解析　物体在任何情况下都具有惯性,惯性与物体的运动状态无关,故A错误；牛顿第一定律是宏观低速情况得出的,只可用于解决宏观物体的低速运动问题,故B错误；牛顿第一定律描述的是物体不受外力时的运动状态,物体不受外力和物体所受合外力为零是有区别的,所以不能把牛顿第一定律当作牛顿第二定律的特例,故C错误；伽利略根据理想实验推出,如果没有摩擦,在水平面上的物体,一旦具有某一个速度,将保持这个速度继续运动下去,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:

由基本单位和导出单位一起组成了单位制.

（2）基本单位:

基本物理量的单位.国际单位制中基本物理量共七个,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:

由基本物理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,下面说法中正确的是（　　）

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

自测3

　（2018·山东省临沂市上学期期中）下列各物理量中,其国际单位属于基本单位,同时也属于矢量的是（　　）

A.时间B.位移

C.质量D.力

答案　B

解析　时间、质量的单位属于国际单位制中的基本单位,但都不属于矢量,力是矢量,但力的单位是导出单位,位移是矢量,且它的国际单位m属于基本单位,B正确.

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,后一个物体同时对前一个物体也施加力.

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4

　（2018·河北省定州中学承智班月考）某物体静止在水平桌面上,下列对它的描述正确的是（　　）

A.桌面对物体的支持力的大小等于物体的重力大小,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　桌面对物体的支持力的大小等于物体的重力大小,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,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.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,即物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质.

2.揭示了力的本质

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.

3.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.如果物体所受的合外力等于零,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.

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

　（2018·福建省三明一中模拟）科学思维和科学方法是我们认识世界的基本手段.在研究和解决问题的过程中,不仅需要相应的知识,还需要运用科学的方法.理想实验有时更能深刻地反映自然规律,伽利略设想了一个理想实验,如图1所示.以下为他的设想步骤:

①两个对接的斜面,静止的小球沿一个斜面滚下,小球将滚上另一个斜面；②如果没有摩擦,小球将上升到原来释放的高度；③减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍然会达到原来的高度；④继续减小第二个斜面的倾角,最后使它成为水平面,小球会沿水平面做持续的匀速运动.通过对这个实验的分析,我们可以得到的最直接的结论是（　　）

图1

A.自然界的一切物体都具有惯性

B.光滑水平面上运动的小球,运动状态的维持并不需要外力

C.如果小球受到力的作用,它的运动状态将发生改变

D.小球受到的力一定时,质量越大,它的加速度越小

答案　B

解析　伽利略的理想斜面实验只能说明小球具有惯性,推广到一切物体的是牛顿,A错误；伽利略通过“理想斜面实验”和科学推理,得出的结论是:

力不是维持物体运动的原因,光滑水平面上运动的小球,运动状态的维持并不需要外力,B正确；如果小球受到力的作用,它的运动状态将发生改变,这是牛顿得出的,C错误；小球受到的力一定时,质量越大,它的加速度越小,这是牛顿第二定律内容,D错误.

变式1

　伽利略对自由落体运动及运动和力的关系的研究,开创了科学实验和逻辑推理相结合的重要科学研究方法.图2（a）、（b）分别表示这两项研究中实验和逻辑推理的过程,对这两项研究,下列说法正确的是（　　）

图2

A.图（a）通过对自由落体运动的研究,合理外推得出小球在斜面上做匀变速运动

B.图（a）中先在倾角较小的斜面上进行实验,可“冲淡”重力,使时间测量更容易

C.图（b）中完全没有摩擦阻力的斜面是实际存在的,实验可实际完成

D.图（b）的实验为“理想实验”,通过逻辑推理得出物体的运动需要力来维持

答案　B

解析　伽利略设想物体下落的速度与时间成正比,因为当时无法测量物体的瞬时速度,所以伽利略通过数学推导证明,如果速度与时间成正比,那么位移与时间的二次方就成正比.由于当时用滴水法计时,无法记录自由落体的较短时间,伽利略设计了让铜球沿阻力很小的斜面滚下,来“冲淡”重力的作用效果,而小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多,运动相同位移所用时间长得多,所以容易测量.伽利略做了上百次实验,并通过抽象思维在实验结果上做了合理外推,得出了正确结论,故A错误,B正确；完全没有摩擦阻力的斜面是不存在的,故C错误；伽利略用抽象思维、数学推导和科学实验相结合的方法得到物体的运动不需要力来维持的结论,故D错误.

变式2

　某同学为了取出如图3所示羽毛球筒中的羽毛球,一只手拿着球筒的中部,另一只手用力击打羽毛球筒的上端,则（　　）

图3

A.此同学无法取出羽毛球

B.羽毛球会从筒的下端出来

C.羽毛球筒向下运动过程中,羽毛球受到向上的摩擦力才会从上端出来

D.该同学是在利用羽毛球的惯性

答案　D

解析　羽毛球筒被手击打后迅速向下运动,而羽毛球具有惯性要保持原来的静止状态,所以会从筒的上端出来,D正确.

命题点二　牛顿第二定律的理解

例2

　（多选）（2016·全国卷Ⅰ·18）一质点做匀速直线运动,现对其施加一恒力,且原来作用在质点上的力不发生改变,则（　　）

A.质点速度的方向总是与该恒力的方向相同

B.质点速度的方向不可能总是与该恒力的方向垂直

C.质点加速度的方向总是与该恒力的方向相同

D.质点单位时间内速率的变化量总是不变

答案　BC

解析　质点一开始做匀速直线运动,处于平衡状态,施加恒力后,则该质点所受的合外力为该恒力.若该恒力方向与质点原运动方向不共线,则质点做曲线运动,质点速度方向与恒力方向不同,故A错误；若恒力的方向某一时刻与质点运动方向垂直,之后质点做曲线运动,力与速度方向不再垂直,例如平抛运动,故B正确；由牛顿第二定律可知,质点加速度方向总是与其所受合外力方向相同,C正确；根据加速度的定义知,单位时间内速度变化量相同,而速率变化量不一定相同,故D错误.

变式3

　关于速度、加速度和合外力之间的关系,下述说法正确的是（　　）

A.做匀变速直线运动的物体,它所受合外力是恒定不变的

B.做匀变速直线运动的物体,它的速度、加速度、合外力三者总是在同一方向上

C.物体受到的合外力增大时,物体的运动速度一定加快

D.物体所受合外力为零时,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,它所受合外力是恒定不变的,故A正确；由牛顿第二定律可知,加速度与合外力方向相同,与速度不一定在同一方向上,故B错误；物体受到的合外力增大时,加速度一定增大,物体的运动速度变化一定加快,而速度不一定加快,故C错误；物体所受合外力为零时,物体的加速度一定等于零,速度不一定为零,故D错误.

例3

　（2018·全国卷Ⅰ·15）如图4,轻弹簧的下端固定在水平桌面上,上端放有物块P,系统处于静止状态.现用一竖直向上的力F作用在P上,使其向上做匀加速直线运动.用x表示P离开静止位置的位移,在弹簧恢复原长前,下列表示F和x之间关系的图象可能正确的是（　　）

图4

答案　A

解析　设物块P静止时,弹簧的长度为x0,原长为l,则k（l－x0）＝mg,物块P做匀加速直线运动时受重力mg、弹簧弹力k（l－x0－x）及力F,根据牛顿第二定律,得

F＋k（l－x0－x）－mg＝ma

故F＝kx＋ma.

根据数学知识知F－x图象是纵轴截距为ma的一次函数图象.

变式4

　（2018·安徽省江南十校冲刺联考）一个质量m＝2kg的物体放置在光滑水平桌面上,受到三个沿水平方向共点力F1、F2、F3的作用,且这三个力的大小和方向构成如图5所示的三角形,已知F2＝0.5N,则下列说法正确的是（　　）

图5

A.这个物体共受到四个力的作用

B.这个物体的合力大小为0

C.这个物体的加速度大小为1m/s2

D.这个物体的加速度与F2方向相同

答案　C

解析　物体共受到五个力的作用:

重力、支持力、F1、F2、F3,A错误；竖直方向上的重力和支持力平衡,合力为零,根据几何知识可知F3＝1N,故水平方向上的三力的合力F合＝2F3＝2N,方向沿F3方向,B错误；根据牛顿第二定律可知a＝

＝1m/s2,方向沿F3方向,C正确,D错误.

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

　（2018·广东省深圳市上学期模拟）如图6所示,手推车的篮子里装有一篮球,女孩把手推车沿斜面向上匀速推动,篮子的底面平行于斜面,靠近女孩的一侧面垂直于底面,下列说法正确的有（　　）

图6

A.篮子底面受到的压力大于篮球的重力

B.篮子对篮球的作用力小于篮球的重力

C.人对篮球的作用力等于篮球的重力

D.篮子右侧面受到的压力小于篮球的重力

答案　D

解析　对篮球受力分析,并运用合成法如图所示:

设斜面倾角为θ,根据几何知识可知,篮子底部对篮球的支持力FN1＝mgcosθ,根据牛顿第三定律,则篮子底面受到的压力为mgcosθ

变式5

　（多选）（2018·天津市南开中学月考）跳高运动员蹬地后上跳,在起跳过程中（　　）

A.运动员蹬地的作用力大小大于地面对他的支持力大小

B.运动员蹬地的作用力大小等于地面对他的支持力大小

C.运动员所受的支持力和重力相平衡

D.运动员所受的合力一定向上

答案　BD

解析　人在地面上跳起,是因为人受到的支持力大于人的重力,人受到的合力向上；但人蹬地的作用力与地面对人的支持力为作用力与反作用力,二者大小相等,故A、C错误,B、D正确.

变式6

　（多选）如图7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7

A.水平力F跟墙壁对物体的弹力是一对作用力与反作用力

B.物体的重力跟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跟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,故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.

拓展点　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

　（2019·河北省邢台市质检）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8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,则此时箱子对地面的压力大小为（　　）

图8

A.Mg＋FfB.Mg－Ff

C.Mg＋mgD.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,即FN′＝Mg＋Ff,故选项A正确.

变式7

　如图9所示,质量为m的木块在质量为M的长木板上以加速度a水平向右加速滑行,长木板与地面间的动摩擦因数为μ1,木块与长木板间的动摩擦因数为μ2,若长木板仍处于静止状态,则长木板对地面摩擦力的大小和方向一定为（　　）

图9

A.μ1（m＋M）g,向左B.μ2mg,向右

C.μ2mg＋ma,向右D.μ1mg＋μ2Mg,向左

答案　B

解析　对木块分析可知受长木板对它水平向左的摩擦力Ff1＝μ2mg,由牛顿第三定律可知,木块对长木板的摩擦力向右,大小为Ff1；由于长木板仍处于静止状态,对长木板受力分析可知,受地面对它的静摩擦力Ff2,方向向左,Ff2＝Ff1＝μ2mg,由牛顿第三定律可知,长木板对地面的摩擦力大小为μ2mg,方向向右,故B正确.

变式8

　（2019·辽宁省沈阳市模拟）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,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Fcosθ

B.斜面体对地面的支持力为（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,由受力情况可得:

地面对斜面体的摩擦力大小为Fcosθ,地面对斜面体的支持力大小为（M＋m）g＋Fsinθ,由牛顿第三定律可知A对,B错；隔离物体进行受力分析,斜面体对物体的摩擦力大小为F＋mgsinθ,由牛顿第三定律可知C错；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,由力的合成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.

1.（2018·四川省德阳市高考物理一诊）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,故运动状态的改变即为速度的改变,故C错误,D正确.

2.（多选）（2019·甘肃省天水市质检）我国《道路交通安全法》中规定:

各种小型车辆前排乘坐的人（包括司机）必须系好安全带,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

3.（2018·安徽省巢湖市模拟）在某次交通事故中一辆载有30吨“工”字形钢材的载重汽车由于避让横穿马路的电动车而紧急制动,结果车厢上的钢材向前冲出,压扁驾驶室.关于这起事故原因的物理分析正确的是（　　）

A.由于车厢上的钢材有惯性,在汽车制动时,继续向前运动,压扁驾驶室

B.由于汽车紧急制动,使其惯性减小,而钢材惯性较大,所以继续向前运动

C.由于车厢上的钢材所受阻力太小,不足以克服其惯性,所以继续向前运动

D.由于汽车制动前的速度太大,汽车的惯性比钢材的惯性大,在汽车制动后,钢材继续向前运动

答案　A

4.“严禁超载,严禁超速,严禁疲劳驾驶”是预防车祸的有效办法.下列说法正确的是（　　）

A.汽车超速会增大汽车的惯性

B.汽车超载会减小汽车的刹车距离

C.疲劳驾驶会缩短司机的反应时间

D.汽车超载会增大汽车的惯性

答案　D

5.（2018·河南省洛阳市上学期期中）夸克（quark）是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元.其中正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为Ep＝－k

式中r是正、反顶夸克之间的距离,αs是无单位的常量,k是与单位制有关的常数,则在国际单位制中常数k的单位是（　　）

A.N·mB.N

C.J/mD.J·m

答案　D

解析　由题意有k＝－

αs是无单位的常量,Ep的国际单位是J,r的国际单位是m,在国际单位制中常数k的单位是J·m,D正确,A、B、C错误.

6.（2018·陕西省榆林市第三次模拟）如图1所示,跳水运动员最后踏板的过程可以简化为下述模型:

运动员从高处落到处于自然状态的跳板上,随跳板一同向下做变速运动到达最低点,然后随跳板反弹,则（　　）

图1

A.运动员与跳板接触的全过程中只有超重状态

B.运动员把跳板压到最低点时,他所受外力的合力为零

C.运动员能跳得高的原因从受力角度来看,是因为跳板对他的作用力远大于他的重力

D.运动员能跳得高的原因从受力角度来看,是因为跳板对他的作用力远大于他对跳板的作用力

答案　C

解析　运动员与跳板接触的下降过程中,先向下加速,然后向下减速,最后速度为零,则加速度先向下,然后向上,所以下降过程中既有失重状态也有超重状态,同理上升过程中也存在超重和失重状态,故A错误；运动员把跳板压到最低点时,跳板给运动员的弹力大于运动员受到的重力,合外力不为零,故B错误；从最低点到运动员离开跳板过程中,跳板对运动员的作用力做正功,重力做负功,二力做功位移一样,运动员动能增加,因此跳板对他的作用力大于他的重力,故C正确；跳板对运动员的作用力与运动员对跳板的作用力是作用力与反作用力,大小相等,故D错误.

7.（2019·陕西省黄陵中学模拟）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2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2

答案　C

解析　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.

8.（2018·福建省永安一中、德化一中、漳平一中联考）如图3所示,运动员手持网球拍托球沿水平面匀加速运动,设球拍和球的质量分别为M、m,球拍平面和水平面之间的夹角为θ,球拍与球保持相对静止,它们之间的摩擦及空气阻力不计,则（　　）

图3

A.运动员的加速度大小为gsinθ

B.运动员对球拍的作用力为

C.运动