第五節(jié)牛頓運(yùn)動(dòng)定律

第五節(jié)牛頓運(yùn)動(dòng)定律第1頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

一、牛頓第一定律長期以來，人們?cè)谘芯课矬w運(yùn)動(dòng)的原因時(shí)，根據(jù)直覺認(rèn)為，要使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，必須推或拉它。當(dāng)不再推或拉時(shí)，運(yùn)動(dòng)的物體便會(huì)停下。根據(jù)這類經(jīng)驗(yàn)，在公元前4世紀(jì)，古希臘的哲學(xué)家亞里士多德得出結(jié)論：必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)；沒有力的作用，物體就保持靜止。由于這一論斷符合人們的常識(shí)，以至在其后的兩千年里，大家都奉為經(jīng)典。第2頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三直到16世紀(jì)末，意大利的伽利略對(duì)亞里士多德的論斷表示了懷疑。他注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾動(dòng)時(shí)，它的速度增大，而向上滾動(dòng)時(shí)，它的速度減小。他由此猜想：當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)該不增不減。實(shí)際上伽利略發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球在水平面上滾動(dòng)時(shí)，球的速度越來越慢，最后停下來。伽利略認(rèn)為，這是由于摩擦阻力的緣故，因?yàn)樗€觀察到，水平表面越光滑，球便會(huì)滾得越遠(yuǎn)。于是，他推斷：若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。第3頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三英國的物理學(xué)家牛頓在伽利略等人研究的基礎(chǔ)上，并根據(jù)自己的研究，系統(tǒng)地總結(jié)了力學(xué)的知識(shí)，提出了三條運(yùn)動(dòng)定律，其中第一條定律的內(nèi)容是：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這就是牛頓第一定律。由于我們把物體總保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性。因此，牛頓第一定律又叫做慣性定律。正在行駛的汽車急剎車時(shí)，車上乘客的下半身由于受到力的作用隨車停止，而上半身由于慣性還要以原來的速度前進(jìn)，于是乘客就會(huì)向前面傾倒。如果汽車在高速運(yùn)行時(shí)突然停止，汽車?yán)锏娜司蜁?huì)由于慣性繼續(xù)向前沖，直至撞到方向盤或擋風(fēng)玻璃上，造成嚴(yán)重的傷害。因此，汽車的前排座位上通常都要配置安全帶，高級(jí)汽車中還有安全氣囊以保證乘車者的安全。第4頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三牛頓第一定律告訴我們，物體如果不受外力，它將保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由此可以知道，如果物體受到外力作用，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必將改變。

二、牛頓第二定律列車出站時(shí)，在機(jī)車牽引力的作用下，由靜止開始運(yùn)動(dòng)，并且速度不斷增大；列車進(jìn)站時(shí)，由于受到阻力的作用，速度不斷減小，最后停止下來；拋出的鉛球、射出的炮彈，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不斷發(fā)生改變，做曲線運(yùn)動(dòng)?？梢?，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，是由于受到了力的作用，力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，加速度的大小與哪些因素有關(guān)呢？物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，物體具有加速度，所以，力是使物體產(chǎn)生加速度的原因。當(dāng)m一定時(shí)，當(dāng)F一定時(shí)，第5頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三演示實(shí)驗(yàn)加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系一、加速度和力的關(guān)系二、加速度和質(zhì)量的關(guān)系質(zhì)量相同的物體，物體的加速度與其所受的力成正比。在相同外力作用下，物體的加速度與其質(zhì)量成反比。第6頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三通過上述實(shí)驗(yàn)，我們可以得出如下結(jié)論：物體的加速度跟所受的外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟外力的方向相同。這就是牛頓第二定律。用數(shù)學(xué)公式表示為由牛頓第二定律可以看出，質(zhì)量不同的物體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度不同，或者說它們的慣性大小不同。在外力相同的情況下，質(zhì)量大的物體獲得的加速度小，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變，即慣性大；質(zhì)量小的物體獲得的加速度大，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變，即慣性小。因此，質(zhì)量是物體慣性的大小的量度。由于火車的質(zhì)量巨大，要將高速火車停下來是很困難的，需要很長的時(shí)間和路程來減速，我國的高速列車甚至需要2km以上的距離來停止，所以，在列車經(jīng)過的路口采取提前禁行的措施是非常必要的。第7頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

[例題1]吊車要在10s內(nèi)將地面上的貨物吊到10m高處，貨物的質(zhì)量是2.0×103kg，假設(shè)貨物被勻加速吊起，問吊車?yán)|繩對(duì)貨物的拉力是多少？分析

以貨物為研究對(duì)象。貨物勻加速向上運(yùn)動(dòng)，可判斷貨物受到的合力向上。由貨物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，我們可以求出它的加速度。再對(duì)貨物進(jìn)行受力分析，如右圖所示，貨物受到兩個(gè)力的作用：豎直向上的拉力F和豎直向下的重力G，應(yīng)用牛頓第二定律即可解出拉力的大小。

解

由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式及

，得由貨物的受力分析，可知F合＝F－G=maF＝G+ma=mg+ma=(2.0×103×9.8+2.0×103×0.20)N=2.0×104N第8頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

演示實(shí)驗(yàn)（點(diǎn)擊以下畫面可播放）

三、牛頓第三定律初中我們學(xué)過，力是物體間的相互作用。兩個(gè)物體之間的作用總是相互的，一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體有力的作用，后一個(gè)物體一定同時(shí)對(duì)前一個(gè)物體有力的作用。物體間相互作用的這一對(duì)力，通常叫做作用力和反作用力。我們把其中的一個(gè)力叫做作用力，另一個(gè)力就叫做反作用力。第9頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

DIS實(shí)驗(yàn)室

用傳感器研究作用力與反作用力將DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的兩個(gè)力傳感器分別與計(jì)算機(jī)連接好。先用手推、拉每個(gè)力傳感器的測(cè)量端，測(cè)量端受力的大小將實(shí)時(shí)地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。

用兩只手分別握住兩個(gè)力傳感器，將它們的測(cè)量端連接在一起。當(dāng)兩只手分別用力互拉時(shí)，兩測(cè)量端受力的情況都實(shí)時(shí)地顯示在屏幕上，如下圖所示。第10頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三人走路時(shí)，腳總是不斷地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同時(shí)，腳也受到了向前的摩擦力，從而使人向前運(yùn)動(dòng)；騎自行車時(shí)，人用力地蹬踏使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)地面產(chǎn)生向后的摩擦力，地面對(duì)后輪產(chǎn)生向前的摩擦力，推動(dòng)自行車前進(jìn)；噴氣式飛機(jī)的引擎與火箭動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理相似，都是燃燒燃料并高速排放氣體。大量實(shí)驗(yàn)證明：兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。這就是牛頓第三定律。用公式可表示為：

F=－F＇

上式中，F(xiàn)、F＇分別表示作用力和反作用力，負(fù)號(hào)表示它們的方向相反。作用力和反作用力總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)消失。作用力與反作用力總是同種性質(zhì)的力。如：作用力是吸引力，反作用力也一定是吸引力；作用力是彈力，反作用力也是彈力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。作用力和反作用力總是分別作用在兩個(gè)物體上，各自產(chǎn)生各自的作用效果，不能平衡，不能抵消。第11頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三練習(xí)1-5

1.現(xiàn)代高級(jí)轎車中不但有安全帶，還有安全氣囊，請(qǐng)查閱資料，了解它們的作用。安全帶的作用，是在發(fā)生碰撞時(shí)將人牢牢地固定在座位上，從而有效避免或減輕巨大的慣性和沖力對(duì)駕乘者帶來的傷害。安全氣囊在碰撞前迅速在車與人之間打開一個(gè)充滿氣體的氣墊，緩和駕乘者受到的沖擊并吸收碰撞能量，進(jìn)一步減輕對(duì)駕乘者的傷害。安全氣囊必須與安全帶配合使用。如果碰撞之前沒有系好安全帶，瞬間充氣的安全氣囊將與具有巨大向前慣性的駕乘者正面相撞，氣囊快速膨脹所發(fā)出的巨大沖擊力，將重重地撞擊駕乘者的頭部及胸部，會(huì)對(duì)駕乘者造成很大的傷害。第12頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

2.“長征二號(hào)”捆幫式運(yùn)載火箭是為了適應(yīng)我國航天事業(yè)發(fā)展，由我國的航天科學(xué)家自主研制成功的。它有4個(gè)助推器，起飛時(shí)有8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，推力達(dá)到5.92×106N，火箭起飛質(zhì)量為4.6×105kg，則它的起飛加速度最大是多少？答：3.1

m/s2。

3.

2007年4月18日我國鐵路實(shí)施第六次大面積提速后，“和諧號(hào)”CRH系列國產(chǎn)化動(dòng)車組列車最高速度可達(dá)250km/h。某動(dòng)車組列車采用四節(jié)動(dòng)車和四節(jié)拖車固定編組形式，總質(zhì)量3×105kg，啟動(dòng)牽引力為2×105N，受到的空氣阻力為8×104N，假設(shè)在啟動(dòng)過程中牽引力、阻力都不變，問它啟動(dòng)時(shí)的加速度是多少？答：1.0×103N。答：0.4

m/s2。

4.

2008年9月25日晚9時(shí)10分許，中國自行研制的第三艘載人飛船神舟七號(hào)，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場(chǎng)由“長征二號(hào)F”運(yùn)載火箭發(fā)射升空。點(diǎn)火第12s時(shí)，火箭到達(dá)了距地面高度約為216m處。假設(shè)其中一位航天員的質(zhì)量為80kg，火箭升空時(shí)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，那么在此過程中，該航天員受到的支持力為多少？第13頁，共14頁，2023年，2月20日，星期三

5.馬向前拉車時(shí)，車也向后拉馬，這兩個(gè)力大小相等，方向相反，彼此平衡，合力為零，所以馬無論如何也拉不動(dòng)車。這種說法錯(cuò)在哪里？答：馬向前拉車時(shí)，車也向后拉馬，這兩個(gè)力大小相等，方向相反。但由于馬拉車的力作用在車上，車?yán)R的力作用在馬上，因此不能平衡，不能抵消，而是各自產(chǎn)生各自的效果。馬向