2020届高考物理总复习 第3章 牛顿运动定律 专题讲座三 牛顿运动定律的综合应用课件 教科版

专题讲座三牛顿运动定律的综合应用核心探究演练提升核心探究分类探究·各个击破考点一超重与失重1.物体的超、失重2.判断超重和失重现象的三个技巧(1)从受力的角度判断当物体受向上的拉力(或支持力)大于重力时,物体处于超重状态;小于重力时处于失重状态,等于零时处于完全失重状态.(2)从加速度的角度判断当物体具有向上的加速度时处于超重状态,具有向下的加速度时处于失重状态,向下的加速度为重力加速度时处于完全失重状态.(3)从速度变化角度判断①物体向上加速或向下减速时,超重.②物体向下加速或向上减速时,失重.3.超重和失重现象的两点说明(1)不论超重、失重或完全失重,物体的重力都不变,只是“视重”改变.(2)当物体处于完全失重状态时,重力只有使物体产生a=g的加速度效果,不再有其他效果.此时,平常一切由重力产生的物理现象都会完全消失,如物体悬浮空中、天平失效、液体不再产生压强和浮力、“天宫二号”中的航天员躺着和站着睡觉一样舒服等.【典例1】(2018·南京金陵中学模拟)图(甲)是某人站在力传感器上做下蹲、起跳动作的示意图,中间的点表示人的重心.图(乙)是根据传感器采集到的数据画出的力—时间图线.两图中a～g各点均对应,其中有几个点在图(甲)中没有画出.取重力加速度g=10m/s2.根据图像分析可知()BA.人的重力为1500NB.c点位置人处于超重状态C.e点位置人处于失重状态D.d点的加速度小于f点的加速度〚核心点拨〛(1)力传感器上显示的是压力,静止时重力等于压力的大小,只有比较合力的大小才能比较加速度的大小.(2)压力大于重力就是超重,压力小于重力就是失重.解析:由图可知人的重力为500N,故A错误;c点位置人的支持力750N500N,处于超重状态,故B正确;e点位置人的支持力650N500N,处于超重状态,故C错误;d点的加速度为Fmgm=150050050m/s2=20m/s2,f点的加速度为a=g=10m/s2,所以,d点的加速度大于f点的加速度,故D错误.【典例2】摩天大楼中一部直通高层的客运电梯,行程超过百米.电梯的简化模型如图1所示.考虑安全、舒适、省时等因素,电梯的加速度a随时间t变化的.已知电梯在t=0时由静止开始上升,a-t图像如图2所示.电梯总质量m=2.0×103kg.忽略一切阻力,重力加速度g取10m/s2.(1)求电梯在上升过程中受到的最大拉力F1和最小拉力F2;解析:(1)电梯向上做匀加速运动时拉力最大,由牛顿第二定律得F1-mg=ma1所以F1=mg+ma1=2.0×103×(10+1.0)N=2.2×104N电梯向上做匀减速运动时拉力最小,由牛顿第二定律得mg-F2=ma2故F2=mg-ma2=2.0×103×(10-1.0)N=1.8×104N.答案:(1)2.2×104N1.8×104N(2)类比是一种常用的研究方法.对于直线运动,教科书中讲解了由v-t图像求位移的方法.请你借鉴此方法,对比加速度和速度的定义,根据图2所示a-t图像,求电梯在第1s内的速度改变量Δv1和第2s末的速率v2;解析:(2)第1s内速度改变量Δv1为at图像中所围的“面积”Δv1=12×1×1.0m/s=0.5m/sv2=Δv2=121.02m/s=1.5m/s.答案:(2)0.5m/s1.5m/s(3)求电梯以最大速率上升时,拉力做功的功率P;再求在0～11s时间内,拉力和重力对电梯所做的总功W.解析:(3)电梯在第11s时速度达到最大,此时a=0,拉力F=mg=2.0×104Nv11=9111.02m/s=10m/s所求功率P=Fv11=2.0×105W由动能定理,总功为W=Ek2-Ek1=12m211v-0=12×2.0×103×102J=1.0×105J.答案:(3)2.0×105W1.0×105J多维训练1.[由“视重”判断超重、失重现象](多选)如图所示是某同学站在力传感器上做下蹲—起立的动作时记录的压力F随时间t变化的图线.由图线可知该同学()A.体重约为650NB.做了两次下蹲—起立的动作C.做了一次下蹲—起立的动作,且下蹲后约2s起立D.下蹲过程中先处于超重状态后处于失重状态AC解析:当该同学站在力传感器上静止不动时,其合力为零,即压力示数等于该同学的体重,由图线可知,该同学的体重约为650N,A正确;每次下蹲,该同学都将经历先向下做加速(加速度方向向下)、后减速(加速度方向向上)的运动,即先经历失重状态,后经历超重状态,示数F先小于体重,后大于体重;每次起立,该同学都将经历先向上做加速(加速度方向向上)、后减速(加速度方向向下)的运动,即先经历超重状态,后经历失重状态,示数F先大于体重,后小于体重.由图线可知,C正确,B,D错误.2.[超重、失重问题的分析和计算]空中缆车是旅游景点给游客准备的上山和进行空中参观的交通工具,如图所示,一质量为m的游客乘坐空中缆车沿着坡度为30°的钢绳索上行.开始时缆车平稳匀速上行,由于故障,缆车以a=的加速度减速上行,下列判断中正确的是()A.缆车平稳匀速上行和减速上行时,缆车对游客的摩擦力平行钢绳索向上B.缆车平稳匀速上行和减速上行时,游客对缆车的作用力均竖直向下C.缆车减速上行时,缆车对游客的作用力比平稳匀速上行时的大D.缆车减速上行时,缆车对游客的支持力比平稳匀速上行时的小D2g解析:缆车平稳匀速上行时,游客仅受重力mg和支持力N1,其合力为零,即N1=mg.当缆车减速上行时,游客受重力mg、支持力N2、水平向左的摩擦力f.将加速度按水平和竖直方向分解,如图所示,则有mg-N2=masin30°,N2=34mg,f=macos30°=34mg.缆车对游客的作用力F=222Nf=32mg.故D正确.考点二应用整体法与隔离法处理连接体问题1.方法选取(1)整体法的选取原则若连接体内各物体具有相同的加速度,且不需要求物体之间的作用力,则可以把它们看成一个整体,分析整体受到的合外力,应用牛顿第二定律求出加速度(或其他未知量).(2)隔离法的选取原则若连接体内各物体的加速度不相同,或者需要求出系统内各物体之间的作用力,则需要把物体从系统中隔离出来,应用牛顿第二定律列方程求解.(3)整体法、隔离法的交替运用若连接体内各物体具有相同的加速度,且需要求物体之间的作用力,则可以选用整体法求出加速度,然后再用隔离法选取合适的研究对象,应用牛顿第二定律求作用力.即“先整体求加速度,后隔离求内力”.2.连接体问题的具体类型(1)通过滑轮和绳的连接体问题:若要求绳的拉力,绳跨过定滑轮,连接的两物体虽然加速度大小相同但方向不同,故采用隔离法.(2)水平面上的连接体问题:这类问题一般多是连接体(系统)中各物体保持相对静止,即具有相同的加速度.解题时,一般整体法、隔离法交替应用.(3)斜面体及其上面物体组成的系统的问题:当物体具有沿斜面方向的加速度,而斜面体相对于地面静止时,解题时一般采用隔离法分析;若物体随斜面体共同加速运动,一般整体法、隔离法交替应用.【典例3】(多选)质量分别为M和m的物块形状大小均相同,将它们通过轻绳跨过光滑定滑轮连接,如图(甲)所示,绳子平行于倾角为α的斜面,M恰好能静止在斜面上,不考虑M,m与斜面之间的摩擦.若互换两物块位置,按图(乙)放置,然后释放M,斜面仍保持静止.则下列说法正确的是()A.轻绳的拉力等于MgB.轻绳的拉力等于mgC.M运动的加速度大小为(1-sinα)gD.M运动的加速度大小为gMmMBC〚核心点拨〛(1)M和m一起加速时,求它们的加速度时以整体为研究对象比较快捷.(2)求轻绳的拉力,适合隔离M或m为研究对象.解析:M静止在斜面上时,对M由平衡条件有Mgsinα=mg;互换位置后,对M和m组成的系统有Mg-mgsinα=(M+m)a,解得a=(1-sinα)g,对m有T-mgsinα=ma,解得T=mg,故A,D错误,B,C正确.【例题拓展】在典例3图(乙)中,若保持质量为m的物块相对于斜面位置不动,则应使斜面体由静止开始沿水平方向运动,试确定斜面体的运动情况(设滑轮足够小).解析:由于质量为m的物块相对于斜面位置不动,轻绳拉力Tmgsinα,则斜面体只有向右匀加速运动,设加速度为a,对质量为M的物块,有T=Mg,质量为m的物块受力如图所示,则Tcosα-Nsinα=ma,Tsinα+Ncosα-mg=0,由此解得a=cosMgm-gtanα,即斜面体以大小为cosMgm-gtanα的加速度向右做匀加速直线运动.答案:斜面体以大小为cosMgm-gtanα的加速度向右做匀加速直线运动方法技巧解决滑轮类连接体问题的注意要点(1)细绳跨过滑轮时,绳中各处张力处处相同.(2)两物体通过定滑轮连接时,其速度、加速度大小相等,方向不同;两物体通过动滑轮连接时,绳对滑轮的作用力F≤2T(T为绳的张力),两物体间位移、速度、加速度关系由几何关系确定.多维训练1.[滑轮类的连接体问题]如图所示,一根轻绳跨过光滑定滑轮,两端分别系一个质量为m1,m2的物块.m1放在地面上,m2离地面有一定高度.当m2的质量不同时,m1的加速度a的大小也将随之改变.以下四个图像,最能准确反映a与m2间的关系的是()D解析:当m2≤m1时,系统静止,a=0;当m2m1时,对整体有m2g-m1g=(m1+m2)a,即a=212mmmg-112mmmg=1211mmg-112mmmg.可见m2增大时,a增大,当m2非常大时,a趋近于g.选项D正确.2.[水平面上的连接体问题](2018·吉林长春质检)如图所示,质量均为m的A,B两物块置于水平地面上,物块与地面间的动摩擦因数均为μ,物块间用一恰好伸直的水平轻绳相连,现用水平力F向右拉物块A,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g.下列说法中不正确的是()A.当0F≤μmg时,绳中拉力为0B.当μmgF≤2μmg时,A,B物体均静止C.当F2μmg时,绳中拉力等于D.无论F多大,绳中拉力都不可能等于2F3FD解析:因为最大静摩擦力等于滑动摩擦力,当0F≤μmg时,A受到拉力与静摩擦力的作用,二者平衡,绳子拉力为0,A正确;当μmgF≤2μmg时,A,B整体受到拉力和摩擦力的作用,二者平衡,A,B整体处于静止状态,B正确;当F2μmg时,整体将开始加速运动,对整体有a=22Fmgm,对B,则有F拉=ma+μmg,即F拉=2F,C正确;当水平力F=32μmg时,绳子的拉力可为3F,D错误.3.[斜面上的连接体问题](2018·山东济南调研)如图所示,物体A和B叠放在固定光滑斜面上,A,B的接触面与斜面平行.当A,B以相同的速度沿斜面向上运动时,关于物体A的受力个数,正确的是()A.2B.3C.4D.5B解析:由于A,B一起运动,加速度相同,以A,B整体为研究对象,由牛顿第二定律得(mA+mB)gsinθ=(mA+mB)a,即a=gsinθ,隔离B物体,设A对B的摩擦力沿斜面向下,大小为f,由牛顿第二定律得f+mBgsinθ=mBa,则f=0,故A,B间无摩擦力,物体A受重力、斜面的支持力、B对A的压力共3个力,选项B正确.考点三动力学中的图像问题1.常见四类动力学图像及解题办法v-t图像根据图像的斜率判断加速度的大小和方向,进而根据牛顿第二定律求解合外力F-a图像首先要根据具体的物理情境,对物体进行受力分析,然后根据牛顿第二定律推导出两个量间的函数关系式,根据函数关系式结合图像,明确图像的斜率、截距或面积的意义,从而由图像给出的信息求出未知量a-t图像要注意加速度的正负,正确分析每一段的运动情况,然后结合物体受力情况根据牛顿第二定律列方程F-t图像要结合物体受到的力,根据牛顿第二定律求出加速度,分析每一时间段的运动性质2.解题策略(1)问题实质是力与运动的关系,解题的关键在于弄清图像斜率、截距、交点、拐点、面积的物理意义.(2)应用物理规律列出与图像对应的函数方程式,进而明确“图像与公式”“图像与物体”间的关系,以便对有关物理问题作出准确判断.【典例4】(多