第三章牛顿运动定律.docx
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第三章牛顿运动定律
第三章牛顿运动定律
第一节牛顿运动第一定律
教学目标：
1、理解牛顿第一定律和惯性的概念,知道牛顿第一定律的建立过程。
2、正确理解力和物体运动的关系。
3、培养学生的观察能力、思维能力及应用定律解决实际问题的能力。
教学重点：
牛顿第一运动定律、惯性
教学难点：
对牛顿第一运动定律和惯性的正确理解
教学用具：
小黑板、小车、木块、气垫导轨滑块
教学步骤：
一、导入新课
前一章我们学习了怎样描述物体的运动，但没有进一步讨论物体为什么会做这种或那种运动。
要讨论这个问题，必须知道运动和力的关系。
在力学中，只研究物体怎样运动而不涉及运动和力的关系的分科叫做运动学；研究运动和力的关系的分科，叫做动力学。
动力学的奠基人是英国科学家牛顿。
牛顿在1687年出版了他的名著《自然哲学的数学原理》。
在这部名著中，牛顿提出了三条运动定律，这三条定律称为牛顿运动定律，是整个动力学的基础。
这一章我们要学习的就是牛顿运动定律。
二、新课教学
1、历史的回顾：
①远在两千多年以前，人们已经提出了运动和力的关系问题，可是直到伽利略时代才对这个问题给出了正确的答案。
下边请同学们阅读课文有关内容，并回答下列问题。
②用黑板概括历史上几位代表人物关于力和运动关系的看法。
代表人物
对力和运动关系的看法
雅里斯多德
必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来。
伽利略
在水平面上运动的物体所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故。
笛卡儿
如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会改变原来的方向。
③简单叙述伽利略的理想实验：
伽利略在可靠的实验基础上，推论说：
如果减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更长的路程，继续减小第二个斜面的倾角，使它最终成为水平面，小球就再也达不到原来的高度，而沿水平面以恒定速度继续运动下去。
④指出：
伽利略的研究方法，是以可靠的事实为依据，抓住主要因素，忽略次要因素，解释自然规律。
⑤演示实验：
用气垫导轨近似地验证伽利略的结论：
把滑块放在一个水气垫导轨上，使滑块和导轨之间形成气层，物体沿这种导轨运动时受到的阻力很小，推动一下物体，可以看到物体沿气垫导轨的运动很接近匀速直线运动。
2、牛顿第一定律：
伽利略和笛卡尔对物体的运动做了准确的描述，但是没有指明原因是什么，牛顿在前人研究的基础上，结合自己的研究，系统地总结了力学知识，提出了三条运动定律：
（1）牛顿第一定律：
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。
说明：
①定律说明了“一切物体总有保持匀速直线运动状态或静止状态”的性质。
物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质叫惯性，所以牛顿第一定律又叫惯性定律。
②定律指出“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”
（2）惯性定律和惯性的区别和联系：
①惯性定律是物体不受外力作用时所遵从的运动规律。
②惯性是物体的固有属性，一切物体都有惯性。
3、运用牛顿第一定律解释现象：
（1）演示：
在小车上放一方木块，使它们静止在水平桌面上，然后，突然给小车一个推力，观察到木块会向后倾倒。
（2）引导学生对实验现象进行解析：
分析：
施加推力前，小车和木块处于什么状态？
（静止）当给小车施加推力后，分析小车和木块会发生什么变化？
——当给小车施加推力后，木块的下部由于摩擦力作用随车前行，而木块的上部由于惯性，仍将保持原来的静止状态，所以会向后倾倒）
【例1】试讨论：
①汽车突然开动的时候，乘客会向后倾倒，为什么？
②汽车突然停止的时候，乘客会向前倾倒，为什么？
【例2】火车在平直轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一个人向上跳起，发现他仍落回原处，这是为什么？
分析：
人随火车共同运动，具有向前的速度，当人向上跳起后，由于惯性将保持原水平方向的速度，所以仍落回到车上原处。
三、作业：
课本P48练习一①②③④——做在书本上！
第二节物体运动状态的改变
教学目标：
1、知道物体运动状态的改变既包括速度大小的改变，又包括速度方向的改变，同时也包括速度大小和方向同时改变。
2、知道力是物体运动状态改变的原因，同时也是产生加速度的原因。
3、知道质量是物体惯性大小的量度，并能用来解释一些简单的现象。
教学方法讲授法、举例法、分析归纳法
教学步骤：
一、导入新课
1．复习：
牛顿第一定律的内容是什么？
2．引入：
牛顿第一定律告诉我们：
物体如果没有受到力的作用，将保持原来的运动状态不变，直到有外力迫使它改变这状态为止。
那么，什么是物体运动状态的改变？
导致物体运动状态发生改变的原因是什么呢？
这就是我们本节课要共同学习的问题。
二、新课教学
1、力是物体产生加速度的原因。
【实例】（目的：
阐明何谓运动状态改变和运动状态改变的原因）
（a）列车出站时，在机车牵引力作用下，由静止开始运动，并且速度不断增大。
（b）列车进站时，由于受到阻力的作用，速度不断减小，最后停下来。
（c）抛出的手榴弹，射出的炮弹，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不断发生改变；
结论：
（a）物体的运动状态的改变,指的是物体的速度发生了变化。
包括三种情形：
速度大小改变；速度方向改变；或速度大小和方向改变。
（b）力是使物体运动状态发生改变的原因。
（c）力是使物体产生加速度的原因。
2、质量是物体惯性大小的量度。
【实例】用相同的牵引力分别拉一辆空车和一辆装满货物的车，使它们由静止开始运动，它们的运动情况改变相同吗？
分析：
改变情况不相同。
空车的质量小，在较短的时间内可以达到某一速度，产生的加速度大，运动状态容易改变；装满货物的车，质量大，要在较长的时间内才能得到相同的速度，产生的加速度小，运动状态难改变。
结论：
质量是物体惯性大小的量度
（即质量大的物体惯性大，运动状态难改变，质量小的物体惯性小，运动状态易改变）
引言过渡：
惯性的大小在实际中是经常要加以考虑的，请同学们阅读课文P49最后一段，并解答以下问题。
（1）当我们要求物体的运动状态容易改变时，应该怎么办？
举例说明。
（2）当我们要求物体的运动状态不易改变时，应该怎么办？
举例说明。
【例1】如果物体的运动状态发生了变化，说明物体的（D）
A、速度方向一定发生了变化；
B、速度大小一定发生了变化；
C、物体一定具有加速度，且加速度一定变化；
D、物体受到外力一定不为零；
评析：
运动状态发生变化，可能是速度大小发生变化，可能是速度方向发生变化，也可能是速度的大小、方向都发生变化，故AB错；只要物体的运动状态发生变化，则物体的速度必发生变化，物体必定具有加速度，但物体的加速度不一定变化；例如当物体做匀变速直线运动时，加速度恒定，而速度时刻改变；据牛顿第一定律可知，力是改变物体运动状态的原因，故D正确。
【例2】关于惯性，下列哪些说法是正确的是（C、D）
A、惯性除了跟物体质量有关外，还跟物体速度有关。
B、物体只有在不受外力作用的情况下才能表现出惯性。
C、乒乓球可快速抽杀，是因为乒乓球的惯性小的缘故。
D、战斗机投入战斗时，必须丢掉副油箱，减小惯性以保证其运动的灵活性。
评析：
质量是决定惯性大小的唯一因素，故AB错；质量是物体惯性大小的量度，质量越小，惯性越小，运动状态越易改变，故C、D正确
三、小结
1、本节课我们主要学习了：
（1）什么是物体运动状态的改变？
（2）力是物体运动状态改变的原因；
（3）惯性是物体固有的属性，质量是惯性大小的量度。
2、拓展：
（1）当物体不受外力或所受合外力为零时，惯性表现为运动状态不变；
（2）当物体所受合外力不为零时，惯性则表现为改变物体运动状态的难易程度。
四、作业：
《基训》第三章第二节
第三节牛顿第二定律
教学目标：
1、理解加速度与力和质量的关系；
2、理解牛顿第二定律的内容，知道定律的确切含义；
3、知道得到牛顿第二定律的实验过程。
教学过程
一、导入新课
1．提问：
什么是物体运动状态的改变？
物体运动状态发生改变的原因是什么？
2．引入新课：
通过上节课的学习，我们已知道：
物体运动状态改变时产生加速度，而产生的加速度又和物体的质量及所受力的大小有关，那么：
加速度跟物体所受力的大小及物体质量之间有什么关系呢？
本节课我们就来研究这个问题。
二、新课教学
1、加速度和力的关系：
[多媒体演示]
（1）研究表明：
对质量相同的物体来说，物体的加速度跟作用在物体上的力成正比。
[多媒体演示定量分析]
2、加速度和质量的关系：
[多媒体演示]
（1）实验表明：
在相同的力作用下，物体的加速度跟物体的质量成反比
[多媒体演示定量分析]
a1/a2=m2/m1或a∝
3、牛顿第二运动定律
（1）综合上述实验中得到的结果，我们对力、质量和加速度得到下述结论：
物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且加速度的方向跟引起这个加速度的力的方向相同。
（2）公式表示：
a∝
或者F∝ma即：
F=kma
说明：
①力的单位（牛顿）的定义：
使质量为1千克的物体产生1m/s2的加速度的力叫做1牛顿。
②如果每个物理量都采用国际单位，k＝1；
（3）推广：
上面我们研究的是物体受到一个力作用的情况，当物体受到几个力作用时，上述关系可推广为：
物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同。
即
（4）介绍F合和a的瞬时对应关系
只有物体受到力的作用，物体才具有加速度；力恒定不变，加速度也恒定不变；力随着时间改变，加速度也随着时间改变；力停止作用，加速度也随即消失。
三、小结
1、本节课的研究方法——控制变量法
2、牛顿第二运动定律确定了a和F之间的大小关系，也确定的a和F的方向关系
四、作业：
P.53
（1）~（8）作在课本上
牛顿第二定律习题课
复习：
牛顿第二定律是怎样表述的？
其数学表达式是怎样的？
习题分析：
【例1】P52。
一个物体，质量是2kg，受到互成1200角的两个力F1和F2的作用，这两个力的大小都是10N，这个物体产生的加速度是多大？
分析：
应先求出合力F合，（特别注意讨论该研究对象受到几个力作用）而合力的大小可以用作图法求解，也可以用计算法求解。
然后由牛顿第二定律求出物体的加速度
【例2】汽车的质量是4.0×103kg，牵引力是4.8×103N，从静止开始运动，经过10秒前进了40m，求汽车所受的阻力？
分析：
已知物体的运动情况求解受力（阻力）情况，根据运动学公式求出加速度，再由牛顿第二定律求解出未知力（阻力）
【例3】如图所示，质量为m的物体P与车厢的竖直面间的动摩擦因数为μ，要使P物体不下滑，（假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）车厢的加速度最小值为多少？
方向怎样？
《三味组合》P174.3T
分析：
要使物体P不下滑，必有物体P受到的静摩擦力等于重力。
车厢提供的最大静摩擦力最小不得小于其物体受到的重力。
mg≤f=μN
对物体P：
由牛顿第二定律N=ma
mg≤μma
a≥g/μ
作业：
《基训》第三节牛顿第二定律
（1）~（8）
第四节牛顿第三定律
教学目标
1、明确物体间的作用是相互的，知道作用力和反作用力的概念
2、掌握牛顿第三定律的内容，正确理解其确切含义
3、能正确区分平衡力与作用力反作用力
4、通过实例分析，弄清作用力与反作用力的特点
教学用具
小木塞两个，小磁铁两根，水，大水盘一只，同型号弹簧秤2把
教学过程
一、引力新课
常言道：
“一个巴掌拍不响”现在请大家比赛拍巴掌，看谁拍得最响。
”之后，请拍得最响的同学谈感受：
两只巴掌都拍疼了，变红了。
这说明了什么？
由此引进新课。
[板书]第四节牛顿第三定律
二、新课教学
1、力是物体间的相互作用
通过分析拍巴掌后会痛、巴掌变红了，说明两手之间存在作用力，并且是相互的，同时的。
【演示】在水面放两个软木塞,木塞上各放一个小磁铁.当同名磁极相对时,互相排斥,两木塞向相反方向运动；当异名磁极相对时，互相吸引，两木塞做相向运动。
说明：
两磁铁间存在相互作用力，且均为磁场力。
结论：
力是两物体间的相互作用，我们把这一对相互作用力称为作用力和反作用力，且作用力与反作用力的性质相同，同时存在，同时消失（变化）。
2、作用力和反作用力的关系
设问：
作用力和反作用力之间有什么关系呢？
【演示】把两个相同的弹簧秤A和B连结在一起，用手拉弹簧秤A，可以看到两个弹簧秤的指针同时移动，弹簧秤B的示数指出了弹簧秤A对它的拉力F的大小，而弹簧秤A的示数指出了弹簧秤B对它的拉力F'的大小。
可以看到改变手拉弹簧秤的力，弹簧秤的示数随之改变，但两个弹簧秤示数总是相等，方向相反。
结论
牛顿第三定律：
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，作用在一条直线上。
这就是牛顿第三定律。
3、作用力和反作用力与平衡力的区别
【例1】如图所示,分析物体的受力情况,并找出它们的反作用力.
利用本例题比较平衡力和作用力与反作用力的异同点:
一对平衡力
一对作用力和反作用力
共同点
大小相等、方向相反、作用在同一条直线上
不
同
点
①两个力作用在同一物体上；
①两个力作用在相互作用的两个物体上；
②两个力性质不一定相同；
②两个力的性质一定相同
③一个力的产生、变化、消失不一定影响另一个力；
③两个力同时产生，同时变化，同时消失；
④两个力共同作用，效果是使物体平衡；
④两个力各有各的作用效果；
4、牛顿第三定律在生活、生产中的广泛应用
（1）人走路时用脚蹬地，脚对地在施加一个作用力，地面同时给脚一个反作用力，使人前进。
（2）轮船的螺旋桨旋转时，用力向后推水，水同时给螺旋桨一个反作用力，推动轮船前进。
（3）汽车的发动机驱动后轮转动，由于轮胎和地面间有摩擦，车轮向后推地面，地面给车轮一个向前的反作用力，使车前进。
学生课堂讨论：
马拉车的作用力和车拉马的反作用力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上，为什么马还能拉着车前进？
三、作业：
课本P55~P56
（2）（3）（5）
第五节力学单位制
教学目标
1、知道什么是单位制，什么是基本单位，什么是导出单位；
2、知道力学中的三个基本单位。
培养学生在计算中采用国际单位，从而使运算过程的书写简化
教学重点：
1、什么是基本单位，什么是导出单位；
2、力学中的三个基本单位。
教学过程
一、导入新课
前边我们已经学过许多物理量，它们的公式各不相同，并且我们知道，有的是通过有关的公式找到它们之间的联系的：
那么各个物理量的单位之间有什么区别？
它们又是如何构成单位制的呢？
本节课我们就来共同学习这个问题。
二、新课教学：
1、基本单位和导出单位：
分析：
①对于公式
，如果位移s的单位用米，时间t的单位用秒；我们既可以由公式得到v、s、t之间的数量关系，又能够确定它们单位之间的关系，即可得到速度的单位是米每秒。
②公式F＝ma，当质量用千克做单位，加速度用米每二次方秒做单位时，求出的力的单位就是千克米每二次方秒，也就是牛，
总结：
物理公式在确定物理量的数量的同时，也确定了物理量的单位关系。
基本单位和导出单位：
⑴在物理学中，所选定的几个基本物理量的单位作为基本单位；
在力学中，选长度、质量和时间这三个基本物理量的单位作为基本单位
⑵根据物理公式中其他物理量和这个物理量之间的关系，推导出其他物理量的单位，叫导出单位；
从根本上说，所有的物理量都是由基本物理量构成的。
在力学范畴内，所用的力学量都是由长度、质量、时间这三个基本物理量组成的，因此基本物理量的单位选定也就决定了其它物理量的导出单位
例：
1）我们选定位移的单位米，时间的单位秒，就可以利用
推导得到速度的单位m/s。
2）再由公式
，可以推导出加速度的单位：
m/s2。
3）如果再选定质量的单位千克，利用公式F＝ma就可以推导出力的单位是牛。
⑶基本单位和导出单位一起构成单位制。
力学中基本单位：
长度的单位—米（或厘米）；时间的单位—秒；质量的单位—千克（或克）。
在力学中，选长度、质量和时间这三个物理量的单位作为基本单位，利用物理公式可以导出其余的物理量的单位。
选择这三个物理量的不同单位，可以组成不同的力学单位制。
在国际单位制（SI制）中，取米、秒、千克作为基本单位。
由于基本单位的选择不同，历史上，力学中出现了厘米·克·秒制和米·千克·秒制两种不同的单位制，工程技术领域还有英尺·秒·磅等单位制。
【例1】一个原来静止的物体，质量是7千克，在14牛的恒力作用下，5秒末的速度是多大？
5秒内通过的路程是多大？
解析：
1、本题中，物体的受力情况是已知的，需要明确物体的运动情况，物体的初速度v0=0，在恒力的作用下产生恒定的加速度，所以它作初速度为零的匀加速直线运动，已知物体的质量m和所受的力F，据牛顿第二定律F＝ma求出加速度a，即可用运动学共识求解得到最终结果。
2、题中己知量的单位都用国际单位制表示时，计算的结果也是用国际单位制表示的。
既然如此，在统一各已知量的单位后，就不必一一写出各物理的单位，只在数字后面写出正确单位就可以了。
【例2】一列1.2×103t的火车,由静止匀加速开动6min速度达到54km/h,若运动中阻力为车重的5×10-3倍.求:
：
（1）火车的加速度；
（2）机车的牵引力（g=10m/s2）
评析：
在利用牛顿第二定律解题时，只有当质量的单位取kg，加速度的单位取m/s2时，对应的合外力的单位才是N，所以在运算前应先将各物理量单位换为国际制单位。
（参考答案：
火车的加速度为1/24m/s2;机车的牵引力为1.1×105N）
三、小结
1、通过本节课的学习，我们知道了什么是导出单位，什么是基本单位，什么是单位制，以及统一单位后，解题过程的正确书写方法。
2、牛顿运动定律的应用主要有两种类型：
四、作业P.57
（2）（3）（5）
第六节牛顿运动定律的应用
教学目标
1、进一步学习分析物体的受力情况，并能结合物体的运动情况进行受力分析
2、掌握应用牛顿运动定律解决问题的基本思路和方法
3、学会如何从牛顿运动定律入手，求解有关物体运动状态参量
4、学会根据物体运动状态参量的变化，求解有关物体的受力情况
教学过程
一、引入新课
牛顿第二定律确定了运动和力的关系，使我们能够把物体的运动情况和受力情况联系起来。
1、如果已知物体的受力情况，由牛顿第二定律求出加速度，再由运动学公式就可以知道物体的运动情况；2、相反地，已知物体的运动情况，知道了加速度，由牛顿第二定律就可以求出未知的力。
二、新课教学
【例1】如图所示,质量为4kg的物体静止于水平面上,物体与水平面间的动摩擦因数为0.5,物体受到大小为20Ｎ,与水平方向成300角斜向上的拉力F作用时沿水平面做匀加速运动,求物体的加速度以及求物体10秒末的速度（ｇ取10m/s2）
解析:
以物体为研究对象,其受力情况如图所示,建立平面直角坐标系把F沿两坐标轴方向分解,则两坐标轴上的合力分别为
以上三式代入数据可解得
物体的加速度a=0.58m/s2.
小结:
当物体的受力情况较复杂时,根据物体所受力的具体情况和运动情况建立合适的直角坐标系,利用正交分解法来解.
【例2】静止在水平地面上的物体的质量为2kg,在水平恒力F推动下开始运动,4s末它的速度达到4m/s,此时将F撤去,又经6s物体停下来,如果物体与地面的动摩擦因数不变,求F的大小.
解析:
物体的整个运动过程分为两段,前4s物体做匀加速运动,后6s物体做匀减速运动.
前4s内物体的加速度为
①
设摩擦力为Fμ,由牛顿第二定律得
②
后6s内物体的加速度为
③
物体所受的摩擦力大小不变,由牛顿第二定律得
④
由②④可求得水平恒力F的大小为
小结:
解决动力学问题时,受力分析是关键,对物体运动情况的分析同样重要,特别是像这类运动过程较复杂的问题,更应注意对运动过程的分析.
在分析物体的运动过程时,一定弄清整个运动过程中物体的加速度是否相同,若不同,必须分段处理,加速度改变时的瞬时速度即是前后过程的联系量.分析受力时要注意前后过程中哪些力发生了变化,哪些力没发生变化.
作业：
1、阅读P60：
阅读材料《用动力学方法测质量》
2、P.60
（1）~（4）
牛顿运动定律应用习题课
复习牛顿第二定律
（1）内容:
物体的加速度与所受合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度方向跟合力方向相同.
（2）表大式:
或
应用:
例题分析
【例3】将质量为m=4kg的物体靠在竖直墙壁上,当用F=80N的力斜向上推物体时,如图所示，物体恰好沿墙匀速上滑，已知F与竖直方向的夹角为370，要使物体以a=8m/s2的加速度下滑，则推力将减小到多大？
（g=10m/s2）
【例4】一斜面AB长为10ｍ,倾角为30°,一质量为２kg的小物体（大小不计）从斜面顶端A点由静止开始下滑,如图所示（ｇ取10m/s2）
（1）若斜面与物体间的动摩擦因数为0.5,求小物体下滑到斜面底端B点时的速度及所用时间.
（2）若给小物体一个沿斜面向下的初速度,恰能沿斜面匀速下滑,则小物体与斜面间的动摩擦因数μ是多少?
解析:
（1）以小物体为研究对象,其受力情况如图所示,建立直角坐标系,把重力Ｇ沿ｘ轴和ｙ轴方向分解：
设小物体下滑到斜面底端时的速度为ｖ,所用时间为ｔ,小物体由静止开始匀加速下滑,
由
得
由
得
（2）小物体沿斜面匀速下滑时,处于平衡状态,其加速度ａ＝０,则在图示的直角坐标系中
由牛顿第二定律,得
所以：
小结:
若给物体一定的初速度,当μ＝tgθ时,物体沿斜面匀速下滑；当μ＞tgθ（μmgcosθ＞mgsinθ）时,物体沿斜面减速下滑；当μ＜tgθ（μmgcosθ＜mgsinθ）时,物体沿斜面加速下滑.
作业：
《基训》
第七节超重和失重
教学目标：
1、了解超重和失重现象
2、运用牛顿第二定律研究超重和失重的原因。
教学重点：
超重和失重的实质
教学难点：
在超重和失重中有关对支持物的压力和对悬挂物拉力的计算。
教学步骤：
一、导入新课
自从人造地球卫星和宇宙飞船发射成功以来，人们经常谈到超重和失重，那么：
什么是超重和失重呢，本节课我们就来研究这个问题。
二、新课教学：
1、超重现象和失重现象
实例分析
【实例一】升降机以0.5m/s2的加速度匀加速上升，站在升降机里的人的质量是50kg，人对升降机地板的压力是多大？
如果人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？
分析题意：
1）人和升降机以共同的加速度上升，因而人的加速度是已知的，题中给出了人的质量，为了能够应用牛顿第二定律，应该把人作为研究对象。
2）对人进行受力分析：
人在升降机中受到两个力：
重力G和地板
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