第三单元牛顿运动定律.docx
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第三单元牛顿运动定律
第三单元牛顿运动定律
一、概述
本单元的知识全部属于基础型课程，由牛顿运动定律、国际单位制、经典力学的局限性等组成。
其中牛顿运动定律是力学中的重要规律，牛顿第一定律、牛顿第二定律反映了运动和力的关系，牛顿第三定律反映了物体相互作用的规律，它们与其他力学、电学等知识联系紧密，是学习机械能、电磁运动的基础。
在本单元学习中，要经历伽利略斜面理想实验的学习，感悟理想实验在物理研究中的重要意义。
要运用控制变量的方法来设计探究加速度与力、加速度与质量的关系的实验。
要在牛顿第三定律及其应用的学习中，体验物理知识在生产、生活中的价值。
要了解经典力学的适用范围和局限性，体会人类对自然的探索是不断深入的，领略科学家严谨的科学态度和创新精神。
本单元基础型课程需13课时，拓展型课程内容学习需要4课时。
二、学习内容与要求
（一）内容与水平
编号
基础型
拓展型
学习水平
3.1.1
牛顿第一定律惯性
B
3.1.2
用DIS研究加速度与力的关系，加速度与质量的关系（学生实验）
C
3.1.3
牛顿第二定律
C
3.1.4
牛顿第三定律
B
3.1.5
国际单位制
A
3.1.6
牛顿对科学的贡献
A
3.1.7
经典力学的局限性
A
3.1.8
爱因斯坦对科学的贡献
A
（二）导图：
（三）要求
3.1.1理解牛顿第一定律。
①知道惯性是一切物体固有的属性；②知道伽利略斜面理想实验，感受理想实验的科学方法；③理解牛顿第一定律的内容；④能用牛顿第一定律和惯性概念解释简单的实际现象。
3.1.2设计“DIS研究加速度与力的关系、加速度与质量的关系”的实验。
①知道实验目的和器材；②能选择合适的实验器材，运用控制变量等方法，设计用DIS探究加速度与物体受力、物体质量关系的实验方案；③能参照设计的实验步骤，独立完成相关操作；④会根据实验数据描点作出a-F图像、a-m图像；⑤能将a-m图像转换成a-1/m图像，使之成为一条直线；⑥能根据实验数据得出相关结论。
3.1.3掌握牛顿第二定律。
①知道牛顿第二定律的内容；②理解力是使物体运动状态变化的原因；③理解力是产生加速度的原因；④理解质量是惯性大小的量度；⑤能用牛顿第二定律进行简单计算；⑥能联系运动学等规律用牛顿第二定律解决具体实际问题。
3.1.4理解牛顿第三定律。
①知道力的作用总是相互的；②能在具体情景中分析作用力和反作用力；③会画作用力和反作用力的示意图；④知道作用力和反作用力的性质总是相同的；⑤理解牛顿第三定律的内容。
3.1.5知道国际单位制。
①知道国际单位制；②知道基本单位、导出单位；③知道用基本单位表示物理量的单位；④知道在计算物理问题时应把物理量的单位化作国际单位。
3.1.6知道牛顿对科学的贡献。
①知道牛顿的生平和在物理学、天文学、数学等领域取得的巨大成就；②知道牛顿定律在经典力学中的地位。
3.1.7知道经典力学的局限性。
①知道经典力学的发展历程和巨大成就；②知道经典力学的适用范围和局限性。
3.1.8知道爱因斯坦对科学的贡献。
①知道爱因斯坦的生平和在物理学等领域取得的巨大成就；②知道爱因斯坦创立的相对论对人类认识世界的影响。
说明：
用牛顿第二定律计算，仅限于受到恒力作用的单个物体，且物体质量不变。
三、学习指引（基础型）
（一）实验指要
学生实验：
“用DIS研究加速度与力的关系，加速度与质量的关系”
1．主要器材：
DIS（位移传感器、数据采集器、计算机等）、带滑轮的轨道、小车、钩码、小车配重片、天平等。
2．实验要点：
（1）本实验采用控制变量法探究物理规律。
一是保持小车质量不变，探究加速度与力的关系；二是在受力一定的情况下，探究加速度与小车质量的关系。
（2）本实验没有要求平衡摩擦力，因此，实验时应保持轨道水平，小车与轨道的摩擦力要足够小。
（3）实验过程中，系小车的细线应与轨道平行，悬挂钩码的质量应始终远小于小车的质量。
（4）在处理实验数据时，要规范描点作出a-F图像、a-m图像，并能将a-m图像转换成a-1/m图像，使之成为一条直线，然后根据图像归纳得出结论。
（二）应用示例
例题1当汽车突然刹车停止时，汽车里的乘客会向前倾倒，这是因为汽车已经停止而乘客由于惯性要保持原来的运动速度前进。
由此可以推断出，汽车突然停止时，汽车没有惯性，乘客才有惯性。
判断这个推断是否正确，并简述理由。
分析：
惯性是物体的一种属性，无论它的大小、处于何种运动状态，一切有质量的物体都有惯性。
而物体运动状态是否变化，却不能由物体本身的惯性来决定，而是看物体所受的合外力。
分析汽车：
汽车停止，是因为汽车刹车过程中汽车受到的合外力不外零，汽车的运动状态迅速由运动变为静止，这个过程中汽车总要滑行一段距离，也是由汽车的惯性引起的。
分析乘客：
乘客的脚与车厢间存在摩擦力，随着汽车运动状态的改变而改变，而乘客的上身由于惯性要保持原来的运动，因此，突然刹车时汽车里的乘客会向前倾。
解答：
认为乘客有惯性是正确的；而汽车没有惯性是不正确的。
说明：
本题考查惯性。
要求知道惯性的概念，并用惯性的概念解释实际现象。
因此学习水平为：
理解（B）。
例题2磁悬浮列车是连接上海浦东国际机场的重要交通工具之一，列车运行最高时速430km/h。
若列车从车站开出，可视作匀加速直线运动，经过3min就可达最高时速。
则一位质量为60kg的乘客在列车加速过程中受到合力有多大？
分析：
用牛顿第二定律解决实际问题常常与运动学规律紧密联系，加速度a是力与运动之间联系的纽带。
本题已知磁悬浮列车的运动情况，可先通过运动学公式求出加速度，然后运用牛顿第二定律求出乘客的受力情况。
解答：
所以：
说明：
本题考查联系运动学等规律用牛顿第二定律解决简单的问题。
因此学习水平为：
掌握（C）。
例题3如图3-1所示，一小孩坐在雪橇上，他们的总质量为40kg，大人用大小为50N、方向与水平面θ=37°角斜向上的拉力拉雪橇，使其由静止开始运动．设雪橇和小孩受到的阻力为20N，取sin37°=0.6，cos37°=0.8．求：
（1）雪橇和小孩运动的加速度大小；
（2）经过4s雪橇在雪地留下的痕迹的长度．
分析：
运用牛顿第二定律解题的一般步骤：
先确定研究对象，再对研究对象进行受力分析和运动状态分析，最后运用牛顿第二定律和运动学公式求解。
本题研究对象为雪橇和小孩整体，对雪橇和小孩的受力分析如图3-2所示，因拉力F斜向上，对F进行正交分解，其在水平方向的分力为
，最后建立方程可求出加速度的大小。
解答：
（1）
，
。
（2）
。
说明：
本题考查用牛顿第二定律进行计算；并联系运动学等规律用牛顿第二定律解决简单的问题。
因此学习水平为：
掌握（C）。
学习内容：
3.1.1牛顿第一定律惯性.
学习要求：
3.1.1①知道惯性是一切物体固有的属性；④能用牛顿第一定律和惯性概念解释简单的实际现象.
学习水平：
理解（B）.
学习内容：
3.1.3牛顿第二定律.
学习要求：
3.1.3③理解力是产生加速度的原因；⑥能联系运动学等规律用牛顿第二定律解决简单的问题.
学习水平：
掌握（C）.
学习内容：
3.1.3牛顿第二定律.
学习要求：
3.1.3⑤能用牛顿第二定律进行简单计算；⑥能联系运动学等规律用牛顿第二定律解决简单的问题.
学习水平：
掌握（C）.
四、评价示例（基础型）
（一）评价建议
单元评价包括日常作业评价、实验评价、单元测试和活动评价等几部分，其中日常作业评价和单元测试的方式与方法具体可参考第一单元；实验评价如“DIS研究加速度与力的关系、加速度与质量的关系”（实验方案设计、实验结果和分析过程等）可由教师完成评价；活动评价如课题研究、文献综述等可由学生、家长和教师根据活动过程中的批判性思考、同伴协作和团队合作、演讲表现等方面，完成对学生的学习兴趣、学习习惯和学业成果等维度的评价。
（二）活动示例
1.分析与计算——牛顿第二定律的简单应用
从身边的各种运动现象中发现和提炼出问题，运用牛顿第二定律，结合初速度为零的匀加速直线运动规律，对物体进行受力分析和运动状态分析，根据物体的受力确定物体的运动状态，根据物体的运动状态确定其受力。
如对汽车等交通工具的起动问题进行分析和计算。
2.研究与制作——水火箭
以火箭发射、卫星回收的资料为背景，制作一个靠喷水推进的模拟火箭。
可先搜集有关资料，了解水火箭的制作要领，设计制作时着重解决：
如何保证小火箭尽可能稳定升高，如何确定瓶内盛水的多少、瓶内空气压强大小与火箭升空高度的关系等。
开展自制水火箭飞行高度的表演与评比，交流各自的体会和改进水火箭性能的意见。
3.阅读与交流——从牛顿到爱因斯坦
以小组合作的形式，分别对“牛顿的贡献与局限”、“爱因斯坦的贡献”等主题开展自主学习。
通过资料的搜集、整理，开展实验、制作等活动，完成学习报告；制作演示文稿进行交流。
（三）检测
填空题
1．惯性是物体的一种属性，他与物体的运动状态_________（选填“有关”或“无关”），_________是惯性大小的量度。
2．如图3-3所示，两位同学用弹簧测力计在电梯中做实验。
他们先将测力计挂在固定于电梯壁的钩子上，然后将一质量为0.5kg的物体挂在测力计挂钩上。
若电梯上升时测力计的示数为6N，则电梯加速度的大小为_________m/s2，加速度方向向________（选填“上”或“下”）。
3．一艘在太空中的宇宙飞船，开动推进器后受到的推力为900N，开动3s后速度增加了0.9m/s，则宇宙飞船的质量为_________kg。
4．一个质量为2kg的物体受到几个共点力的作用处于静止状态，若同时撤去一个方向向东、大小为3N的力和一个方向向北、大小为4N的力，物体的加速度大小为_________m/s2，物体运动的方向为_________；
5．用2N的水平力拉一个物体沿水平面运动时，物体可获得1m/s2的加速度；用3N的水平力拉物体沿原地面运动，加速度是2m/s2，那么改用4N的水平力拉物体，物体在原地面上运动的加速度是_________m/s2，物体在运动中受到的恒定阻力大小为_________N。
选择题
6．如图所示，伽利略的理想斜面实验（）
A．证明了力是维持物体运动的原因
B．证明了沿斜面滚下的小球，到了水平面上就做匀速直线运动
C．证明了沿斜面滚下的小球，能滚到另一个斜面上相同的高度
D．证明了维持物体运动不需要力
7．下列单位中属于国际单位制的基本单位的是（）
A．千克B．牛顿C．米/秒D．米/秒2
8．根据牛顿运动定律，以下选项中正确的是（）
A．人只有在静止的车厢内，竖直向上高高跳起后，才会落在车厢的原来位置。
B．人在沿直线匀速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在经起点的后方
C．人在沿直线加速前进的车厢内，竖直向上高高挑起后，将落在起跳点的后方
D．人在沿直线减速前进的车厢内，竖直向上高高跳起后，将落在起跳点的后方
9．原来静止在光滑水平面上的物体，在刚受到一个水平力作用的瞬间（）
A．物体立刻获得加速度，但速度仍等于零
B．物体立刻获得速度，但加速度为零
C．物体立刻获得加速度，也同时也获得速度
D．物体的加速度和速度都要经过少许时间才能获得
10．如图3-5所示，一倾角为α的光滑斜面在水平面上向左做匀加速直线运动，物体m与斜面相对静止，则斜面运动的加速度a为（）
A．gsinαB．gcosα
C．gtanαD．gcotα
11．下列关于力学发展的事例中符合史实的（）
A．牛顿三大运动定律是经典力学体系的基础
B．牛顿力学能适用微观领域中的力学现象
C．牛顿力学提出光速是自然界中速度的极限
D．相对论的提出否定了牛顿力学
实验题
12．如图3-6（a）所示为利用DIS做验证牛顿第三定律实验的操作示意图，该实验所用的传感器为____________。
图（b）为实验时在电脑显示屏界面上出现的结果，观察图（b）我们可以得出关于作用力与反作用力关系的结论是________________________。
13．在“用DIS研究加速度与力的关系、加速度与质量的关系”实验中，保持小车质量不变，改变小车所受的作用力，测得了下表所示的5组数据，并已在坐标平面上画出部分数据点，如图3-7所示：
组别
1
2
3
4
5
F/N
0
1.1
2.2
3.3
4.4
a/m·s-2
0
0.5
1.0
1.5
2.0
（1）在图3-7中画出第4组数据对应的数据点，然后作出a-F的关系图线；
由图线可以得到结论：
在质量一定的情况下，加速度a与作用力F成_____比；
（3）当研究加速度与质量的关系时，应保持______________不变，改变小车的质量来进行实验。
14．在“用DIS实验研究加速度与质量的关系”实验中，我们用了如图3-8所示的装置，请完成下列问题：
（1）下列做法中正确的是（）
（A）要控制小车和钩码的质量都不变
（B）要控制小车的质量不变，改变钩码的质量
（C）要控制钩码的质量不变，改变小车的质量
（D）小车和钩码的质量都要改变
（2）实验中测得了下表所示的五组数据，并已在坐标平面上画出部分数据点，在图3-9中画出第四组数据对应的数据点，然后作出a-m的关系图像；
组别
1
2
3
4
5
a（m·s-2）
0.33
0.28
0.25
0.22
0.20
m（kg）
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
（3）为进一步确定加速度与质量的关系，应画a—_________图像；
（4）本实验得到的结论是________________________________________。
计算题
15．随着磁悬浮技术的发展，将来可能设计利用磁悬浮技术起飞的飞机，其起飞速度可达150m/s的。
假设飞机的总质量为5×103kg，沿水平直轨道以2m/s2的加速度由静止开始匀加速运动达到最大速度，且不考虑阻力的影响。
求：
（1）飞机所需动力F的大小；
（2）飞机由静止至最大速度所用时间t及滑行的位移s。
16．如图所示，质量为60kg的滑雪运动员，在倾角为30°的斜坡顶端从静止开始匀加速下滑90m到达坡底，用时10s。
求：
（1）运动员下滑过程中的加速度大小；
（2）运动员到达坡底时的速度大小；
（3）运动员下滑过程中所受阻力的大小。
综合题
17．如图3-11（a），用升降机从静止开始竖直向上搬运重为50N的物体，物体相对升降机静止。
若物体所受弹力F与时间t的变化关系如图（b）所示，试分析说明物体在各段时间内做什么运动？
五、学习指引（拓展型）
应用示例
例题1在平直轨道上行驶列车的车厢顶板上，用细线悬挂着一个小球，如图3-12所示，在下列情况下可对车厢的运动情况得出怎样的判断：
（1）细线竖直：
；
（2）细线向左方偏斜：
；
（3）细线向右方偏斜：
；
分析：
应先对小球进行受力分析，作用在小球上的力只有两个：
地球对它的重力mg，细线对它的拉力T。
根据这两个力的合力，可判断小球的加速度方向，从而可知车厢的加速度方向。
但物体运动方向与其受力方向或加速度方向无直接关系，无法推断车厢的运动方向，因此每种加速度情况有两种运动方向。
（1）当细线竖直时，小球所受的重力mg与细线对它的拉力T在一直线上，且竖直方向，那么水平方向不可能有合外力，根据因此小球必处于受力平衡，车厢只能是静止或作匀速直线运动。
（2）细线向左方偏斜时，小球所受的重力mg与细线对它的拉力T不在一直线上，小球一定受到向右的水平合外力作用，而产生水平向右的加速度。
但是，只确定车厢有向右的加速度，是不能判断车厢的运动方向的，可能向右加速、也可能向左减速。
因此，判断车厢做向右加速或向左减速。
（3）分析方式如同
（2）中叙述。
解答：
（1）车厢静止、向左匀速运动或向右匀速运动。
（2）车厢作向右加速运动或向左减速运动。
（3）车厢作向左加速运动或向右减速运动。
说明：
本题考查力是产生加速度的原因，通过对物体进行受力分析，得到其合外力的方向就能确定其加速度的方向。
因此学习水平为：
理解（B）。
例题2一质量为m=60kg的学生在听到火警信号时从高h=8m的楼上沿绳子从静止开始下滑，他双手用力握紧绳子产生360N的摩擦力，使自己匀加速下滑，下滑1s时这位学生运动的速度多大？
这位学生下滑1s后双手用更大的力握紧绳，使自己做匀减速运动，到达地面时速度恰好为零，则他匀减速运动过程受到的摩擦力多大？
（已知g=10m/s2）
分析：
该学生沿绳子从静止开始下滑到滑到地面的过程，可以分成两段考虑。
第1秒内的过程是已知力求运动规律，先根据受力分析，求出学生所受的合外力，再根据牛顿第二定律，求出1秒内的加速度，最后依据运动学公式求出下滑1秒时的速度。
1秒后的运动过程是已知运动求力，根据运动状态分析求出加速度，再根据牛顿第二定律和受力分析求出某一个具体的力——摩擦力。
解答：
（1）学生沿绳子开始下滑1秒内，
mg－Ff＝ma1
a1＝
＝
m/s2＝
＝4m/s2
1秒末的速度v＝a1t＝4×1m/s＝4m/s
（2）学生1秒内下降的距离
s＝
a1t2＝
×4×12＝2m
v2＝2a2（h－s）
a2＝
＝
m/s2＝
m/s2
Ff′－mg＝ma2
Ff′＝ma2+mg＝（60×
+60×10）N＝680N
说明：
本题在学习了初速不为零的匀变速直线运动的基础上，考查牛顿第二定律与运动规律的简单综合应用。
因此学习水平为：
掌握（C）。
学习内容：
3.1.3牛顿第二定律.
学习要求：
3.1.3②知道力是产生加速度的原因；⑤能用牛顿第二定律解决简单的动力学问题.
学习水平：
理解（B）.
学习内容：
3.1.3牛顿第二定律.
学习要求：
3.1.3④理解牛顿第二定律的内容及其表达式；⑤能用牛顿第二定律解决简单的动力学问题.
学习水平：
掌握（C）.
六、评价示例（拓展型）
（一）活动示例
研究与测量——滑动摩擦因数
以小组合作的形式，开展“滑动摩擦因数”的研究。
根据已有经验和认识，讨论制定测定滑动摩擦因数的方案，开展实验可行性评估，优化方案，选择器材，确定实验步骤和处理数据的方法，并撰写研究报告，制作演示文稿进行交流和评比。
（二）检测
填空题
1．一位同学住在21层高楼，每天乘电梯上下楼。
他利用实验仪器得到电梯从21楼直达1楼的v－t图像如图所示。
根据图像可知，在0－4s时间内，这位同学处于________（选填“超重”或“失重”）状态。
若位同学的质量为54kg，那么在12s－18s这段时间内，他受到的支持力为________N。
2．如图所示的a-F图像中，实线甲和乙分别表示在两地、各自在保持物体质量不变的情况下，用竖直向上的力匀加速提升物体时，物体加速度a的大小与拉力F的大小之间的关系。
由图可以判断甲地的重力加速度________乙地的重力加速度，甲地的物体质量________乙地的物体质量（选填“＞”、“＝”或“＜”）。
3．某人在以2m/s2的加速度加速下降的升降机中，最多能举起80kg的物体，那么他在地面上最多能举起________kg的物体；若此人在升降机中最多只能举起40kg的物体，则此时升降机运动的加速度大小为________m/s2，方向________。
（g=10m/s2）
4．一滑块以4m/s的速度在光滑水平面上向左滑行。
从某一时刻起，滑块受一大小为4N，方向向右的水平力，经过4s滑块的运动方向变为向右，速度大小仍为4m/s。
则这段时间内滑块水平位移为_________m；滑块的质量为_________kg。
单选题
5．在某停车场，甲、乙两辆同型号的车发生了碰撞事故。
甲车司机背部受伤，乙车司机胸部受伤。
根据两位司机的伤情，可以判定（）A．甲车车头撞了静止的乙车车尾B．甲车车尾撞了静止的乙车车尾C．乙车车头撞了静止的甲车车尾D．乙车车头撞了静止的甲车车头
6．如图所示，固定在小车上的支架的斜杆与竖直杆的夹角为θ，在斜杆下端固定一质量为m的小球，杆对球的作用力为F，则小车（）
A．静止时，F=mgcosθ，方向沿斜杆向上
B．以水平向右加速度a运动时，F=mg/cosθ，方向沿斜杆向上
C．以水平向右加速度a运动时，F=mg/sinθ，方向垂直斜杆向上
D．以水平向右加速度a运动时，
，方向斜向右上方，与竖直方向的夹角为
7．雨滴从高空由静止下落，由于受到的空气阻力随雨滴速度的增大而增大，在此下落过程中雨滴的（）
A．加速度不断减小，速度不断减小，
B．加速度不断减小，速度不断增大，加速度为零时，速度最大
C．雨滴经历先加速后匀速再减速运动
D．速度的变化越来越小
8．利用DIS系统和力传感器可以测量快速变化的力的瞬时值。
如图是用这种方法获得的弹性绳中拉力F随时间t的变化图线。
实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后放手让小球自由下落。
由图线所提供的信息，可得（）
A．t2时刻小球速度最大
B．t1~t2期间小球速度先增大后减小
C．t3时刻小球速度最小
D．t1与t4时刻小球速度一定相同
计算题
9．一质量为2kg的物体在水平推力F的作用下沿水平面做直线运动，一段时间后撤去F，其运动的v-t图像如图3-17所示。
求：
（g=10m/s2）
（1）物体与水平面间的动摩擦因数；
（2）水平推力F的大小；
（3）0-10s内物体运动位移的大小。
10．风洞实验室中可产生水平方向的、大小可调节的风力。
现将一套有小球的细直杆放入风洞实验室，小球孔径略大于细杆直径，如图3-18所示。
（1））当杆在水平方向上固定时，调节风力的大小，使小球在杆上作匀速运动，这时小球所受的风力为小球所受重力的0.5倍，求小球与杆间的动摩擦因数。
（2）保持小球所受风力不变，使杆与水平方向间夹角为37°并固定，则小球从静止出发在细杆上滑下距离s需要多少时间?
综合题
11．如图3-19，用AB、BC两根细绳把质量为m＝1kg的小球悬挂于车内，AB绳与竖直方向的夹角为α＝37，BC绳与竖直方向的夹角为＝53。
当小车向右做加速度不断增大的加速运动时，试分析AB、BC两绳的拉力变化情况。
（g＝10m/s2）
参考答案：
学习训练（基础型）
填空题
1．无关质量
2．2m/s2上
3．3000
4．2.5南偏西37o
5．31
选择题
6．D7．A8．C9．A10．C11．A
实验题
12．力传感器大小时时相等、方向相反、同时产生同时消失
13．
（1）略
（2）正（3）钩码质量
14．
（1）C
（2）略（3）1/m（4）在受力不变时，小车的加速度与其质量成正比
计算题
15．
（1）1×104N
（2）75s5625m
16．
（1）1.8m/s2
（2）18m/s（3）192N
综合题
17．
（1）在0~3s内，因弹力F大于重力且不变，所以物体向上做匀加速运动；
（2）在3~10s内，因弹力F等于重力，所以物体向上做匀速运动；
（3）在10~13s内，因弹力F小于重力且不变，所以物体向上做匀减速运动。
学习训练（拓展型）
填空题
1．失重585N
2．＜＜
3．646向上
4．02
选择题
5．C6．D7．B8．B
计算题
9．
（1）0.2
（2）6N46m
10．
（1）0
升级会员 