高中物理必修一第四章 運動和力的關(guān)系（2024人教版）

第四章運動和力的關(guān)系明顯可見的線索卻把人們引到錯誤的判斷上去愛因斯坦把科學(xué)家探索自然奧秘的努力，比做福爾摩斯偵探小說中警員破案的過程亞里士多德：必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在某個地方伽利略：將人們引入歧途的是摩擦力沒有摩擦力，球?qū)⒂肋h運動下去伽利略的理想斜面實驗視頻or演示實驗為了闡明自己的觀點，伽利略設(shè)計了圖示的斜面實驗：讓一個小球沿斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始運動，小球?qū)ⅰ皼_”上另一個斜面。如果沒有摩擦，小球?qū)⒌竭_原來的高度。如果第二個斜面傾角減小，小球仍將到達原來的高度，但是運動的距離更長。由此可以推斷，當(dāng)斜面最終變?yōu)樗矫鏁r，小球要到達原有高度將永遠運動下去。這說明，力不是維持物體運動的原因。阻力不可能完全消除，第二個斜面也不可能做得無限長，所以，伽利略的實驗是一個“理想實驗”伽利略理想實驗的本質(zhì)是想象著把實際中存在、影響物體運動的摩擦力去掉，抓住事物的本質(zhì)。這種依據(jù)邏輯推理把實際實驗理想化的思想也是研究物理問題的重要方法之一伽利略同時代的法國科學(xué)家笛卡兒也研究了這個問題。他認為，如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。他還認為，這應(yīng)該成為一個原理，是人類整個自然觀的基石。亞里士多德：必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在某個地方。伽利略：若沒有摩擦，球?qū)⒂肋h運動下去。笛卡爾：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。牛頓：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。牛頓第一定律第一節(jié)牛頓第一定律一、牛頓第一定律（Newton’sfirstlaw）一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)牛頓第一定律所描述的狀態(tài)是一種理想狀態(tài)。它是利用邏輯思維進行分析的產(chǎn)物，不可能用實驗直接驗證。牛頓第一定律又叫慣性定律物體這種保持原來勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫作慣性（inertia）。做一做好玩的小實驗：視頻：科技館慣性火車3.慣性是物體的一種屬性，而不是一種力1.一切物體具有慣性。2.質(zhì)量是慣性大小唯一的量度。慣性參考系在桌面上放置一張紙和一個小鋼球，小鋼球靜止在紙面上（圖4.1-2）。如果突然迅速拉動紙的一邊，雖然小鋼球相對桌面的位置幾乎不變，但是如果只關(guān)注紙面及其上的小鋼球時，你會發(fā)現(xiàn)小鋼球相對于紙面向相反的方向運動。當(dāng)紙相對于桌面加速運動時，如果以這張紙為參考系來觀察，小鋼球相對于紙面的運動狀態(tài)在改變。按照牛頓第一定律，小鋼球的運動狀態(tài)發(fā)生改變，說明小鋼球在水平方向上應(yīng)該受到力的作用。但實際上，小鋼球只受到豎直方向的重力和支持力，水平方向幾乎不受力，這不是和牛頓第一定律相矛盾嗎？若以地面為參考系，上述矛盾則不會存在。因為，在紙加速運動的過程中，盡管小鋼球相對于紙面的運動狀態(tài)在改變，但它相對于地面的位置并沒有變化，因而仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)。這與用牛頓第一定律分析得到的結(jié)論是一致的。對于同一個物體的運動，為何會得到兩種不同的分析結(jié)果呢？這是由于我們觀察物體的運動時所選擇的參考系不同。牛頓第一定律是否成立與選擇什么參考系有關(guān)。如果在一個參考系中，一個不受力的物體會保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，這樣的參考系叫作慣性參考系，簡稱慣性系。以加速運動的紙為參考系，牛頓第一定律并不成立，這樣的參考系叫作非慣性系。思考：加速度是描述物體運動狀態(tài)變化快慢的物理量。由前面的學(xué)習(xí)我們知道，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，那么，加速度到底跟哪些因素有關(guān)系呢？a—F合a—ma—F合a—m保持m不變保持F合不變第二節(jié)實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系控制變量法學(xué)生實驗：結(jié)論a正比于F合a反比于m保持m不變保持F合不變前面兩式子可以改寫成：F=Kma。k是比例常數(shù)。如果公式中的物理量選擇合適的單位，可以使k=1，從而使公式簡化。國際單位制中，力的單位是牛頓。牛頓這個單位是根據(jù)牛頓第二定律來這樣定義的：使質(zhì)量1千克的物體產(chǎn)生1米/秒2加速度的力，叫做1牛頓。即：1牛=1千克·米/秒2

可見，如果都用國際單位制的單位，在上式中就可以使k=1，上式簡化成：F=ma這就是牛頓第二定律的公式。牛頓第二定律第三節(jié)一、牛頓第二定律（Newton’ssecondlaw）：1、描述：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。2、公式：F=ma（3）獨立性：每個力都獨立產(chǎn)生各自的加速度，與其它力無關(guān)，物體實際運動的加速度為這些加速度的矢量和，即合力產(chǎn)生合加速度。3、加速度與力（1）瞬時性：加速度和力的關(guān)系是瞬時對應(yīng)，a與F同時產(chǎn)生，同時變化，同時消失；（2）矢量性：加速度的方向總與合外力方向相同.F1=ma1F2=ma2F合=ma例：木箱質(zhì)量2kg，在水平向右的外力F＝4N的水平作用力的作用下由靜止開始沿水平面向右運動，經(jīng)過4S后撤去外力。已知動摩擦因數(shù)μ＝0.1，求經(jīng)過10s木箱發(fā)生的位移？（g＝10m/s2）16m例：一個物體質(zhì)量為5kg，放在地面上，現(xiàn)用一個豎直向上的拉力F令其從靜止開始勻加速上升，在3秒內(nèi)上升的位移為4.5m，求此拉力F的大小。（g＝10m/s2）55N

例：質(zhì)量為60kg的消防隊員從高為2m的平臺上跳下，雙腳著地后他用雙腳彎曲的方法緩沖，使自己的重心又下降了0.5m停下，在著地過程中，地面對他雙腳的平均作用力估計為多大？（g＝10m/s2）5G第五節(jié)

牛頓運動定律的應(yīng)用與第四節(jié)調(diào)換了位置專題：牛二解題步驟① 確定研究對象（隔離個體整體）② 分析運動狀態(tài)、受力建立合適的直角坐標(biāo)系

（通常以a為正方向）④ 列牛頓第二運動定律方程（兩方向）⑤ 列輔助方程

（特例是力全部正交的時候，此時坐標(biāo)系建在力的方向上，分解加速度）X方向上的牛二y方向上的牛二例：如圖所示，質(zhì)量為m的物塊放在水平桌面上，物塊與桌面間的動摩擦因數(shù)為μ。用與水平方向成θ角斜向上、大小為F的拉力F作用與該物塊，使其從靜止開始向右運動。已知重力加速度為g。求：物塊的加速度a例：傾角為θ的斜面不光滑，動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g，已知物體放在斜面上沿斜面加速下滑，求加速度aθmgsinθ－f＝maN－mgcosθ＝0f=μN

質(zhì)量為20kg的物體靜止在水平地面上，物體與地面的動摩擦因數(shù)為0.5，物體受到斜向右上方與水平面成37o夾角的拉力F的作用沿水平面向右運動，物體運動的加速度a為0.5m/s2，g取10m/s2，求：（1）F的大?。?）如果F作用了20s以后撤去，求物體從開始運動到停止運動走過的位移。F傾角為θ=37o的固定斜面動摩擦因數(shù)μ=0.5，g取10m/s2，一個質(zhì)量m=10kg的物體以v0=10m/s的初速度沖上斜面，求：（1）物體在斜面上能上升的最大距離（2）物體返回到斜面底端的速度vv0特例：一人隨自動扶梯以加速度a＝2m/s2沿斜面向上勻加速運動，已知人的質(zhì)量為m＝50kg，扶梯傾角θ＝37o，求人對扶梯的壓力和摩擦力a例質(zhì)量為20kg的物體靜止在水平地面上，物體與地面的動摩擦因數(shù)為0.5，當(dāng)物體受到100N斜向右上方與水平面成37o夾角的拉力作用后，物體被拉動，6s末撤去水平拉力，求物體還能再運動多遠？（0.9m）大家知道，質(zhì)量可以用天平來測量。但是在太空，物體完全失重，用天平無法測量質(zhì)量，那么應(yīng)該如何測量呢？由牛頓第二定律F＝ma可知，如果給物體施加一個已知的力，并測得物體在這個力作用下的加速度，就可以求出物體的質(zhì)量。這就是動力學(xué)測量質(zhì)量的方法。北京時間2013年6月20日上午10時，我國航天員在天宮一號空間實驗室進行了太空授課，演示了包括質(zhì)量的測量在內(nèi)的一系列實驗。用動力學(xué)方法測質(zhì)量質(zhì)量的測量是通過艙壁上打開的一個支架形狀的質(zhì)量測量儀完成的。測量時，航天員把自己固定在支架的一端，另外一名航天員將支架拉開到指定的位置。松手后，支架拉著航天員從靜止返回到艙壁（圖4.3-7）。支架能夠產(chǎn)生一個恒定的拉力F；用光柵測速裝置能夠測量出支架復(fù)位的速度v和時間t，從而計算出加速度a。這樣，就能夠計算出航天員的質(zhì)量m。你能設(shè)計出一種在太空中測量質(zhì)量的方法嗎？羅貫中在《三國演義》中描寫張飛：“身長八尺，豹頭環(huán)眼，燕頷虎須，聲若巨雷，勢如奔馬?！睗h代的度制為1尺=23.1cm

張飛身高八尺8*23.1=184.8cm第四節(jié)力學(xué)單位制：美國國家航空航天局(NASA)在20世紀末發(fā)射一個火星探測器,但它由于飛得靠火星過近,因溫度過高而起火,脫離軌道墜入火星的大氣層。調(diào)查原因時發(fā)現(xiàn)：原來探測器的制造商洛克希德.馬丁公司計算加速時的力使用了英制單位，而噴氣推動實驗室的工程師理所當(dāng)然地認為他們提供的數(shù)據(jù)是以國際單位算出來的，并把這些數(shù)據(jù)直接輸入電腦。就是因為在單位制上的失誤，結(jié)果犯了一個“極端愚蠢的錯誤”，價值1.25億美元的火星探測器毀于一旦。一次因單位失誤而導(dǎo)致的事故2、國際單位制1、基本單位：在物理學(xué)中，只要選定幾個物理量（基本量）的單位（基本單位），就能夠利用物理量之間的關(guān)系推導(dǎo)出其他物理量（導(dǎo)出量）的單位（導(dǎo)出單位）基本單位和導(dǎo)出單位一起就組成了一個單位制（systemofunits）1960年第11屆國際計量大會制訂了一種國際通用的、包括一切計量領(lǐng)域的單位制，叫作國際單位制（LeSystèmeInternationald′Unités，法文），簡稱SI。物理量名稱物理量符號單位名稱單位符號長度L米m質(zhì)量m千克（公斤）kg時間t秒s電流I安[培]①A熱力學(xué)溫度T開[爾文]K物質(zhì)的量n，（v）摩[爾]mol發(fā)光強度I，（Iv）坎[德拉]cd小剛在課余制作中需要計算圓錐的體積，他從一本書中查得圓錐體積的計算公式為小紅說，從單位關(guān)系上看，這個公式肯定是錯誤的。她的根據(jù)是什么？基本單位的定義秒的定義銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間為1s。現(xiàn)在測量時間的最精準(zhǔn)儀器是原子鐘。圖4.4-3為某原子鐘的照片。米的定義米是光在真空中1/299792458s時間間隔所經(jīng)路徑的長度。以上米的定義是1960年國際計量大會上批準(zhǔn)的。與此同時，宣布廢除1889年國際米原器為標(biāo)準(zhǔn)的米的定義。國際米原器是以鉑銥合金制成的。千克的定義國際千克原器的質(zhì)量為1kg。國際千克原器是1889年第一屆國際計量大會批準(zhǔn)制造的，它是一個用鉑銥合金制成的圓柱體，高度和直徑均為39mm。原型保存在巴黎國際計量局。2018年11月16日，第26屆國際計量大會決定，千克由普朗克常量h及米和秒定義。即1kg＝h

/6.62607015×10-34m2·s-1

該決定將于2019年5月20日起生效。此次標(biāo)準(zhǔn)實施后，SI單位中的7個基本單位將全部建立在不變的自然常數(shù)基礎(chǔ)上，保證了SI單位的長期穩(wěn)定性和通用性第六節(jié)：超重和失重一、重力的測量1、測g，天平測m，G=mg2、二力平衡法將待測物體懸掛或放置在測力計上，使它處于靜止?fàn)顟B(tài)。這時物體所受的重力和測力計對物體的拉力或支持力的大小相等，測力計的示數(shù)反映了物體所受的重力大小。例：一質(zhì)量為40kg的小孩站在升降機中的體重計上。（1）當(dāng)升降機以0.5m/s2加速上升時，

體重計的讀數(shù)為()N。(2)當(dāng)升降機以0.5m/s2的加速度減速下降時，

體重計的讀數(shù)為()N(3)當(dāng)升降機以0.5m/s2的加速度加速下降時，體重計的讀數(shù)為()N420420380二、超重和失重1、物體對支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦π∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象，叫作失重（weightlessness）a向下減速上升加速下降GFNaG－FN＝maFN＝G－ma<G若a=g，則FN＝0完全失重2、物體對支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦Υ笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，叫作超重（overweight）a向上加速上升減速下降超重失重典型題質(zhì)量為m的物體在升降機中的臺秤上，視數(shù)為0.8mg，問升降機的運動狀態(tài)？某人在地面上最多舉起60kg的重物，而在一電梯內(nèi)可舉起80kg的重物，則電梯加速度為____？若電梯以2.5m/s2加速上升，則最多又能舉起____kg的物體？一個人站立在磅秤上，在他忽然蹲下到靜止的過程中，磅秤上讀出的示數(shù)如何變化？視頻or學(xué)生實驗

取一只塑料瓶，在下端靠近底邊處鉆一個小孔，用手堵住瓶口，然后往瓶里加滿水?！崞鹌孔?，把堵小孔的手移去，可看到小孔處有水噴射出。一個有趣的實驗視頻

當(dāng)瓶子自由下落時，瓶中的水處于完全失重狀態(tài)，小孔以上部分的水對以下部分的水的沒有壓力，小孔沒有水流出。

這是因為液體受到重力而使內(nèi)部存在壓力，小孔以上部分的水對以下部分的水的壓力造成小孔處的水流出?！屍孔訌哪骋桓咛幾杂上侣?，會發(fā)現(xiàn)什么結(jié)果？這是為什么？航天飛機中的人和物，都處于完全失重狀態(tài)人造地球衛(wèi)星，宇宙飛船、航天飛機繞地

球做圓周運動。近地衛(wèi)星遠離地球的衛(wèi)星航天器中的宇航員g/gg/仍受地球引力地球引力提供圓周運動的向心加速度無法利用天平測質(zhì)量0測力計無法測重力但其它的拉力或壓力仍可測量在宇宙飛船中專題：連結(jié)體問題處理方法：a相同（1）個體A+個體B

對A受力分析，列牛二對B受力分析，列牛二

聯(lián)立（2）整體+個體木塊A和B置于光滑的水平面上它們的質(zhì)量分別為mA=2kg和mB=3kg。如圖所示當(dāng)水平力F=10N作用于左端A上，兩物體一起加速運動時，求AB間的作用力大小若AB與地面之間有摩擦力且動摩擦因數(shù)為0.1，求AB間的作用力大小如圖所示，木塊A質(zhì)量為1kg，木塊B質(zhì)量為2kg，疊放在水平地面上，AB之間動摩擦因數(shù)為0.1，地面光滑，今用水平力F作用于B，保持AB相對靜止的條件是F不超過多少？若力F作用于A呢？如圖所示，木塊A質(zhì)量為1kg，木塊B質(zhì)量為2kg，疊放在水平地面上，AB之間動摩擦因數(shù)μ1為0.1，地面與B之間的動摩擦因數(shù)μ2為0.2，今用水平力F作用于B，保持AB相對靜止的條件是F不超過多少？質(zhì)量為m的物塊A放在質(zhì)量為M的斜面體的斜面上，和斜面體一起在動摩擦因數(shù)為μ的地面上向右做勻加速運動，如圖所示。若物塊與斜面體保持相對靜止，斜面傾角為θ，重力加速度為g，求（1）加速度a（2）推力F小車在水平面上向左作直線運動，車廂內(nèi)用OA、OB兩細線系住小球。球的質(zhì)量m=4kg。線OA與豎直方向成θ

=37o角。g

=10m/s2，求：

（1）小車以5m/s的速度作勻速直線運動，求OA、OB兩繩的張力？

（2）當(dāng)小車改作勻減速直線運動，并在12.5米距離內(nèi)速度降為零的過程中，OA、OB兩繩張力各多大？

（3）小車如何運動時，可使OB繩所受拉力恰好為零？專題：彈簧瞬間——cuttherope如圖所示，兩個質(zhì)量相同的物塊懸掛穩(wěn)定后，突然剪斷AB之間的繩，加速度各為多大？若是剪斷彈簧呢？兩端有約束的彈簧的力瞬間不變(形變不瞬變)AB繩上的力可瞬間變?nèi)鐖D所示，當(dāng)剪斷AB、OB瞬時，求兩圖中小球的加速度。水平傳送帶長L=4m，始終以v=2m/s的速率向右