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第1節(jié)牛頓第一定律 牛頓第三定律
【高考目標導航】
考綱點擊備考指導
1. 牛頓運動定律、牛頓定律的應(yīng)用 Ⅱ
2. 超重和失重 Ⅰ
3. 單位制 Ⅰ
實驗四：驗證牛頓運動定律1.理解牛頓第一定律、牛頓第三定律，認識慣性和作用力、反作用力的特點
2.熟練掌握牛頓第二定律，會用牛頓定律分析解決兩類典型的動力學問題
【考綱知識梳理】
一、牛頓第一定律
1.內(nèi)容：一切物體總保持靜止狀態(tài)或者勻速直線運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。
2.意義：
⑴揭示了力與運動的關(guān)系：力不是使物體運動的原因，而是改變物體運動狀態(tài)的原因，從而推翻了亞里士多德“沒有力物體不能運動”的錯誤觀點。
⑵揭示了任何物體都有保持靜止或運動直線運動的性質(zhì)------慣性
3.慣性
（1）定義：物體所具有的保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)叫慣性。
（2）說明：①慣性是物體本身的固有屬性。與物體受力情況無關(guān)，與物體所處的地理位置無關(guān)，一切物體都具有慣性。
②質(zhì)量是物體慣性大小的唯一量度，質(zhì)量大慣性大。
③慣性不是一種力，慣性不是一種力，慣性的大小反映了改變物體運動狀態(tài)的難易程度。
二、牛頓第三定律
1.內(nèi)容：兩個物體之間的作用力與反作用力總是大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。
2.表達式：
3.說明：作用力與反作用力有“三同、三不同”。
⑴三同：大小相同、性質(zhì)相同、同時存在消失具有同時性
⑵三不同：方向不同、作用對象不同、作用的效果不同。
【要點名師透析】
一、牛頓第一定律(即慣性定律)的理解
1.明確了慣性的概念
牛頓第一定律揭示了物體所具有的一個重要屬性——慣性，即物體總保持原來的靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì).
2.揭示了力的本質(zhì)
牛頓第一定律對力的本質(zhì)進行了定義：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，而不是維持物體運動的原因，物體的運動并不需要力來維持.
3.揭示了不受力作用時物體的運動狀態(tài)
牛頓第一定律描述的只是一種理想狀態(tài)，而實際中不受外力作用的物體是不存在的，當物體受外力但所受合力為零時，其運動效果跟不受外力作用時相同，物體都將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變.
注意：在理解牛頓第一定律時，注意以下兩點：
(1)牛頓第一定律不能用實驗直接驗證，而是通過伽利略斜面實驗等大量事實推理得出的.
(2)牛頓第一定律并非牛頓第二定律的特例，而是不受任何外力的理想化情況.
【例1】伽利略在著名的斜面實驗中，讓小球分別沿傾角不同、阻力很小的斜面從靜止開始滾下，他通過實驗觀察和邏輯推理，得到的正確結(jié)論有( )
A.傾角一定時，小球在斜面上的位移與時間成正比
B.傾角一定時，小球在斜面上的速度與時間成正比
C.斜面長度一定時，小球從頂端滾到底端時的速度與傾角無關(guān)
D.斜面長度一定時，小球從頂端滾到底端所需的時間與傾角無關(guān)
【答案】選B.
【詳解】(1)傾角一定時,小球位移與時間的關(guān)系.當傾角一定時,分析位移、速度與時間的關(guān)系,由于斜面傾角一定,則小球下滑的加速度為定值,由x= at2可知位移與時間的平方成正比,又由v=at知速度與時間成正比,故A錯,B對.(2)斜面長度一定時,小球運動時間與傾角的關(guān)系.當斜面長度一定時,分析小球滾到底端的速度及所需時間與傾角的關(guān)系,由于斜面傾角越大,小球下滑的加速度越大,則由 可知傾角越大,小球到達底端時的速度越大;又由 得傾角越大,小球到底端所需時間越短,故C、D均錯.
二、對牛頓第三定律的理解和應(yīng)用
1.作用力與反作用力的關(guān)系
作用力與反作用力的關(guān)系可為“三同、三異、三無關(guān)”.
2.應(yīng)用牛頓第三定律時應(yīng)注意的問題
(1)定律中的“總是”二字說明對于任何物體，在任何條件下牛頓第三定律都是成立的.
(2)牛頓第三定律只對相互作用的兩個物體成立,因為大小相等、方向相反、作用在兩個物體上且作用在同一條直線上的兩個力,不一定是作用力和反作用力.
(3)牛頓第三定律說明了作用力和反作用力中,若一個產(chǎn)生或消失,則另一個必然同時產(chǎn)生或消失,否則就違背了“相等關(guān)系”.
3.作用力與反作用力和一對平衡力的區(qū)別
【例證2】(2011?深圳模擬)如圖所示為雜技 “頂竿”表演的示意圖：一人站在地上，肩上扛一質(zhì)量為M的豎直竹竿，當竿上一質(zhì)量為m的人以加速度a加速下滑時，竿對“底人”的壓力大小為( )
A.(M+m)g B.(M+m)g-ma
C.(M+m)g+ma D.(M-m)g
【答案】選B.
【詳解】對竿上的人分析：受重力mg、摩擦力Ff，有mg-Ff=ma、Ff=m(g-a),竿對人有摩擦力，人對竿也有反作用力——摩擦力，且大小相等，方向相反，對竿分析：受重力Mg、竿上的人對竿向下的摩擦力Ff′、頂竿的人對竿的支持力FN，有Mg＋Ff′=FN，又因為竿對“底人”的壓力和“底人”對竿的支持力是一對作用力與反作用力，由牛頓第三定律，得到FN′=Mg+Ff′=(M+m)g-ma.B項正確.
【感悟高考真題】
1.（2011?江蘇物理?T9）如圖所示，傾角為α的等腰三角形斜面固定在水平面上，一足夠長的輕質(zhì)綢帶跨過斜面的頂端鋪放在斜面的兩側(cè)，綢帶與斜面間無摩擦�，F(xiàn)將質(zhì)量分別為M、m(M>m)的小物塊同時輕放在斜面兩側(cè)的綢帶上。兩物塊與綢帶間的動摩擦因數(shù)相等，且最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小相等。在α角取不同值的情況下，下列說法正確的有
A．兩物塊所受摩擦力的大小總是相等
B．兩物塊不可能同時相對綢帶靜止
C．M不可能相對綢帶發(fā)生滑動
D．m不可能相對斜面向上滑動
【答案】選AC.
【詳解】當物塊與絲綢之間的動摩擦因數(shù) 時，M、m恰好相對于綢帶靜止，M相對于斜面向下運動，m相對于斜面向上運動，由于斜面光滑且不計綢帶質(zhì)量，此時綢帶等效為一根輕繩；當 時情況相同；當 時，m會相對于斜面向下滑動，M相對于綢帶靜止，沿斜面向下滑動，無論何種情況綢帶綢帶對兩物體的摩擦力大小均相等，故A、C正確，B、D錯誤。
2.（09?安徽?17）為了節(jié)省能量，某商場安裝了智能化的電動扶梯。無人乘行時，扶梯運轉(zhuǎn)得很慢；有人站上扶梯時，它會先慢慢加速，再勻速運轉(zhuǎn)。一顧客乘扶梯上樓，恰好經(jīng)歷了這 兩個過程，如圖所示。那么下列說法中正確的是 （ C ）
A. 顧客始終受到三個力的作用
B. 顧客始終處于超重狀態(tài)
C. 顧客對扶梯作用力的方向先指向左下方，再豎直向下
D. 顧客對扶梯作用的方向先指向右下方，再豎直向下
解析：在慢慢加速的過程中顧客受到的摩擦力水平向左，電梯對其的支持力和摩擦力的合力方向指向右上，由牛頓第三定律，它的反作用力即人對電梯的作用方向指向向左下；在勻速運動的過程中，顧客與電梯間的摩擦力等于零，顧客對扶梯的作用僅剩下壓力，方向沿豎直向下。
【考點模擬演練】
1.如圖所示，一向右運動的車廂頂上懸掛兩單擺M和N,它們只能在圖示平面上擺動,某一瞬時出現(xiàn)圖示情景,由此可知車廂的運動及兩單擺相對車廂運動的可能情況是()
A.車廂做勻速直線運動,M在擺動,N靜止
B.車廂做勻速直線運動,M在擺動,N也在擺動
C.車廂做勻速直線運動,M靜止,N在擺動
【答案】AB
【詳解】由牛頓第一定律,當車廂做勻速直線運動時,相對于車廂靜止的小球,其懸掛應(yīng)在豎直方向上,故M球一定不能在圖示情況下相對車廂靜止,說明M正在擺動;而N既有可能相對于車廂靜止,也有可能是相對小車擺動恰好達到圖示位置,知A\,B正確,C錯,當車廂做勻加速直線運動時,物體運動狀態(tài)改變,合外力一定不等于零,故不會出現(xiàn)N球懸線豎直的情況,D錯，故應(yīng)選A、B.
2．我國《道路交通安全法》中規(guī)定：各種小型車輛前排乘坐的人(包括司機)必須系好安全帶，這是因為
(　　)
A．系好安全帶可以減小慣性
B．是否系好安全帶對人和車的慣性沒有影響
C．系好安全帶可以防止因車的慣性而造成的傷害
D．系好安全帶可以防止因人的慣性而造成的傷害
【答案】D
【詳解】根據(jù)慣性的定義知：安全帶與人和車的慣性無關(guān)，A錯，B選項不符合題目要求，故B項不對，系好安全帶主要是防止因剎車時，人具有向前的慣性而造成傷害事故，C錯D對．
3．如圖8所示，甲運動員在球場上得到籃球之后，甲、乙以相同的速度并排向同一方向奔跑，甲運動員要將球傳給乙運動員，不計空氣阻力，問他應(yīng)將球向什么方向拋出(　　)
圖8
A．拋出方向與奔跑方向相同，如圖中箭頭1所指的方向
B．拋出方向指向乙的前方，如圖中箭頭2所指的方向
C．拋出方向指向乙，如圖中箭頭3所指的方向
D．拋出方向指向乙的后方，如圖中箭頭4所指的方向
【答案】C
【詳解】以乙為參考系，甲是相對靜止的，相當于并排坐在汽車里的兩個人．甲要將球傳給乙，只要沿3方向拋出就行了．以地面為參考系時，不但要考慮乙向前的速度v，還要考慮甲拋出球時，由于慣性，球有一個向前的速度分量v，所以當甲向3方向拋出球時，正好可以到達乙的手中．
4. (2011?無錫模擬)一列以速度v勻速行駛的列車內(nèi)有一水平桌面，桌面上的A處有一小球.若車廂內(nèi)的旅客突然發(fā)現(xiàn)(俯視圖)小球沿如圖所示的虛線從A點運動到B點，則由此可以判斷列車的運行情況是( )
A.減速行駛，向北轉(zhuǎn)彎 B.減速行駛，向南轉(zhuǎn)彎
C.加速行駛，向南轉(zhuǎn)彎 D.加速行駛，向北轉(zhuǎn)彎
【答案】選B.
【詳解】小球具有慣性,相對于列車向前運動，故列車在減速，相對于列車向北運動，故列車向南轉(zhuǎn)彎.
5.下面是摘自上個世紀美國報紙上的一篇小文章：阿波羅登月火箭在脫離地球飛向月球的過程中，飛船內(nèi)宇航員通過無線電與在家中上小學的兒子湯姆通話.宇航員：“湯姆，我們現(xiàn)在已關(guān)閉了所有發(fā)動機，正向月球飛去.”湯姆：“你們關(guān)閉了所有發(fā)電機，那么靠什么力量推動火箭向前運動？”宇航員猶豫了半天，說：“我想大概是伽利略在推動火箭向前運動吧.”若不計星球?qū)�火箭的作用力，由上述可知下列說法正確的是()
A.湯姆問話所體現(xiàn)的物理思想是“力是維持物體運動的原因”
B.宇航員答話所體現(xiàn)的物理思想是“力是維持物體運動的原因”
C.宇航員答話所體現(xiàn)的物理思想是“物體運動不需要力來維持”
D.宇航員答話的真實意思是火箭正在依靠慣性飛行
【答案】A
【詳解】上小學的湯姆，對于力和運動的認識，只能憑經(jīng)驗感覺，不會認識到力是改變物體運動的原因.
6.如圖所示，體積相同的小鐵球（如圖中黑色球所示）和小塑料球（如圖中白色球所示）分別用細線系于兩個帶蓋的盛水的瓶子中，當兩瓶和車一起加速向右運動時，會發(fā)生的現(xiàn)象最接近圖中的哪一種情景()
【答案】B
【詳解】由于系統(tǒng)加速度向右，而水具有慣性，只會出現(xiàn)如題圖A、B所示的水面.同樣體積的鐵球、水、塑料球中，鐵球的慣性最大，塑料球的慣性最小，因而兩球的相對位置如圖B所示.
7.(2011?泉州模擬)一個榔頭敲在一塊玻璃上把玻璃打碎了.對這一現(xiàn)象，下列說法正確的是( )
A.榔頭敲玻璃的力大于玻璃對榔頭的作用力，所以玻璃才碎裂
B.榔頭受到的力大于玻璃受到的力，只是由于榔頭能夠承受比玻璃更大的力才沒有碎裂
C.榔頭和玻璃之間的作用力應(yīng)該是等大的，只是由于榔頭能夠承受比玻璃更大的力才沒有碎裂
D.因為不清楚玻璃和榔頭的其他受力情況，所以無法判斷它們之間的相互作用力的大小
【答案】選C.
【詳解】這里要明確作用力和反作用力的作用效果的問題，因為相同大小的力作用在不同的物體上效果往往不同，所以不能從效果上去比較作用力與反作用力的大小關(guān)系.故選項C正確.
8.(2011?海口模擬)用計算機輔助實驗系統(tǒng)做驗證牛頓第三定律的實驗,點擊實驗菜單中“力的相互作用”.把兩個力探頭的掛鉤鉤在一起,向相反方向拉動,觀察顯示器屏幕上出現(xiàn)的結(jié)果如圖所示.觀察分析兩個力傳感器的相互作用力隨時間變化的曲線,可以得到以下實驗結(jié)論( )
A.作用力與反作用力同時存在
B.作用力與反作用力作用在同一物體上
C.作用力與反作用力大小相等
D.作用力與反作用力方向相反
【答案】選A、C、D.
【詳解】由題圖可知：兩個力傳感器的相互作用力屬于作用力和反作用力，它們同時存在、大小相等、方向相反、作用在兩個物體上，故A、C、D正確.
9.(2011?無錫模擬)有人設(shè)計了一種交通工具,在平板車上裝了一個電風扇,風扇運轉(zhuǎn)時吹出的風全部打到豎直固定在小車中間的風帆上,靠風帆受力而向前運動,如圖所示.對于這種設(shè)計,下列分析中正確的是( )
A.根據(jù)牛頓第二定律,這種設(shè)計能使小車運行
B.根據(jù)牛頓第三定律,這種設(shè)計能使小車運行
C.這種設(shè)計不能使小車運行,因為它違反了牛頓第二定律
D.這種設(shè)計不能使小車運行,因為它違反了牛頓第三定律
【答案】選D.
【詳解】風扇吹出風時,風對風扇葉片產(chǎn)生向右的作用力,風扇運轉(zhuǎn)時吹出的風打到風帆上時，風會給風帆一個向左的作用力，根據(jù)牛頓第三定律,對于整個裝置而言，作用力和反作用力大小相等,屬于內(nèi)力，小車不會前進.
10．(2011?東北四校聯(lián)考)
如右圖所示，小車上有一直立木板，木板上方有一槽，槽內(nèi)固定一定滑輪，跨過定滑輪的輕繩一端系一重球，另一端系在輕質(zhì)彈簧測力計上，彈簧測力計固定在小車上，開始時小車處于靜止狀態(tài)，輕繩豎直且重球恰好緊挨直立木板，假設(shè)重球和小車始終保持相對靜止，則下列說法正確的是(　　)
A．若小車勻加速向右運動，彈簧測力計讀數(shù)及小車對地面壓力均不變
B．若小車勻加速向左運動，彈簧測力計讀數(shù)及小車對地面壓力均不變
C．若小車勻加速向右運動，彈簧測力計讀數(shù)變大，小車對地面壓力變小
D．若小車勻加速向左運動，彈簧測力計讀數(shù)變大，小車對地面壓力不變
【答案】B
【詳解】小車勻加速向右運動時重球?qū)�飛離木板后與小車一起加速，二者保持相對靜止，此時彈簧拉力大于重球重力，其讀數(shù)變大．小車勻加速向左運動時重球受到木板向左的支持力，豎直方向上彈簧拉力仍與重力保持平衡，其讀數(shù)不變．取整個系統(tǒng)分析由平衡條件可知小車對地面的壓力保持不變，始終等于系統(tǒng)重力，綜上可知B項正確．
11.如圖所示，在臺秤上放半杯水，臺秤示數(shù)為G′＝50 N，另用掛在支架上的彈簧測力計懸掛一邊長a＝10 cm的金屬塊，金屬塊的密度ρ＝13×103 kg/m3，當把彈簧測力計下的金屬塊平穩(wěn)地浸入水深b＝4 cm時，彈簧測力計和臺秤的示數(shù)分別為多少？(水的密度是ρ水＝103 kg/m3，g取10 m/s2)
【答案】26 N　54 N
【詳解】金屬塊的重力為：
G金＝ρga3＝3×103×10×0.13 N＝30 N
金屬塊所受水的浮力為
F浮＝ρ水ga2b＝103×10×0.12×0.04 N＝4 N
彈簧測力計的示數(shù)為FT＝G金－F�。�26 N
臺秤的示數(shù)為FN＝G金＋F浮＝54 N
12．如圖所示，高為h的車廂在平直軌道上勻減速向右行駛，加速度大小為a，車廂頂部A點處有油滴滴落到車廂地板上，車廂地板上的O點位于A點的正下方，則油滴落地點必在O點的左方還是右方？離O點距離為多少？
【答案】右　agh
【詳解】設(shè)油滴離開車廂頂部時，車速為v0，油滴因慣性此時也具有水平速度v0，對地做平拋運動，油滴落到車廂上的時間為t，這段時間油滴水平位移為x1＝v0t，車的水平位移為x2＝v0t－12at2，油滴落在O點的右方，距O點Δx＝x1－x2＝12at2，而t＝2hg得Δx＝agh.


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