高中物理必修第一冊(cè)(人教版)學(xué)生用書(shū)-第四章-5-牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用

5.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用新課程標(biāo)準(zhǔn)理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象，解決有關(guān)問(wèn)題．核心素養(yǎng)目標(biāo)科學(xué)思維真實(shí)情境下，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決綜合問(wèn)題．科學(xué)探究利用生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題，探究、論證運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感受物理和生活、科學(xué)、技術(shù)的聯(lián)系，培養(yǎng)探索自然的內(nèi)在動(dòng)力．必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)——突出基礎(chǔ)性素養(yǎng)夯基一、力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系牛頓第二定律確定了物體________和力的關(guān)系；加速度的大小與物體________的大小成正比，與物體的________成反比；加速度的方向與物體________的方向相同．二、從受力確定運(yùn)動(dòng)情況如果已知物體的受力情況，可以由________求出物體的加速度，再通過(guò)__________的規(guī)律確定物體的運(yùn)動(dòng)情況．【情境思考】玩滑梯是小孩非常喜歡的活動(dòng)，如果滑梯的傾角為θ，一個(gè)小孩從靜止開(kāi)始下滑，小孩與滑梯間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，滑梯長(zhǎng)度為L(zhǎng)，怎樣求小孩滑到底端的速度和需要的時(shí)間？答：三、從運(yùn)動(dòng)情況確定受力如果已知物體的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)________規(guī)律求出物體的加速度，結(jié)合受力分析，再根據(jù)______________求出力．【情境思考】如圖為戰(zhàn)士正在進(jìn)行拉輪胎體能訓(xùn)練．思考：如果戰(zhàn)士以很大的速度勻速運(yùn)動(dòng)，輪胎有可能離開(kāi)地面嗎？答：關(guān)鍵能力·合作探究——突出綜合性素養(yǎng)形成探究點(diǎn)一從受力確定運(yùn)動(dòng)情況歸納總結(jié)1.問(wèn)題概述已知物體受力情況確定運(yùn)動(dòng)情況，指的是在受力情況已知的條件下，判斷出物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或求出物體的速度、位移和時(shí)間．2．解題思路3．解題步驟(1)選定研究對(duì)象，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，并畫(huà)出受力示意圖．(2)根據(jù)平行四邊形定則，應(yīng)用合成法或正交分解法，求出物體所受的合外力．(3)根據(jù)牛頓第二定律列方程，求出物體運(yùn)動(dòng)的加速度．(4)結(jié)合物體運(yùn)動(dòng)的初始條件(即初速度v0)，分析運(yùn)動(dòng)情況并畫(huà)出運(yùn)動(dòng)草圖，選擇合適的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，求出待求的運(yùn)動(dòng)學(xué)量——任意時(shí)刻的速度v、一段運(yùn)動(dòng)時(shí)間t以及對(duì)應(yīng)的位移x等．典例示范例1滑冰車是兒童喜歡的冰上娛樂(lè)項(xiàng)目之一．如圖所示為小明媽媽正與小明在冰上做游戲，小明與冰車的總質(zhì)量是40kg，冰車與冰面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.05.在某次游戲中，假設(shè)小明媽媽對(duì)冰車施加了40N的水平推力，使冰車從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)10s后，停止施加力的作用，使冰車自由滑行．(假設(shè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中冰車始終沿直線運(yùn)動(dòng)，小明始終沒(méi)有施加力的作用)．求：(1)冰車的最大速率．(2)冰車在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑行總位移的大?。棠憬鉀Q問(wèn)題第三步：物理模型轉(zhuǎn)化遷移拓展1請(qǐng)根據(jù)【例1】中的情境，試求冰車一共滑行了多長(zhǎng)時(shí)間？遷移拓展2請(qǐng)根據(jù)【例1】中的情境，假設(shè)小明媽媽對(duì)冰車施加了40N的水平推力，使冰車從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)5s后，停止施加力的作用，則冰車自由滑行的時(shí)間是多少？針對(duì)訓(xùn)練1如圖所示，在海濱游樂(lè)場(chǎng)里有一種滑沙運(yùn)動(dòng)．某人坐在滑板上從斜坡的高處A點(diǎn)由靜止開(kāi)始滑下，滑到斜坡底端B點(diǎn)后，沿水平的滑道再滑行一段距離到C點(diǎn)停下來(lái)．如果人和滑板的總質(zhì)量m＝60kg，滑板與斜坡滑道和水平滑道間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ＝0.5，斜坡的傾角θ＝37°(sin37°＝0.6，cos37°＝0.8)，斜坡與水平滑道間是平滑連接的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中空氣阻力忽略不計(jì)，重力加速度g取10m/s2.求：(1)人(含滑板)從斜坡上滑下的加速度為多大；(2)若由于場(chǎng)地的限制，水平滑道的最大距離BC為L(zhǎng)＝20.0m，則人(含滑板)從斜坡上滑下的距離應(yīng)不超過(guò)多少．探究點(diǎn)二從運(yùn)動(dòng)情況確定受力導(dǎo)學(xué)探究房屋屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)要考慮很多因素，其中很重要的一點(diǎn)是要考慮排水問(wèn)題，如果某地降雨量較大，為了使雨滴能盡快地淌離房頂，設(shè)雨滴沿房頂下淌時(shí)做無(wú)初速度、無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)．(1)那么該如何設(shè)計(jì)屋頂?shù)钠露龋?2)某同學(xué)設(shè)計(jì)了以下幾種坡度的屋頂(房屋的寬度一定)，試分析哪一種排水效果最好？答：歸納總結(jié)1.問(wèn)題概述已知物體運(yùn)動(dòng)情況確定受力情況，指的是在運(yùn)動(dòng)情況(如物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、時(shí)間、加速度或位移)已知的條件下，要求得出物體所受的力．2．解題思路3．解題步驟(1)選定研究對(duì)象，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行運(yùn)動(dòng)情況分析和受力分析，并畫(huà)出運(yùn)動(dòng)草圖及受力示意圖．(2)選擇合適的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，求出物體的加速度．(3)根據(jù)牛頓第二定律列方程，求物體所受的合外力．(4)根據(jù)力的合成法或正交分解法，由合外力求出待求力或與力有關(guān)的量．典例示范例2一輛汽車在恒定牽引力作用下由靜止開(kāi)始沿直線運(yùn)動(dòng)，4s內(nèi)通過(guò)8m的距離，此后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車又運(yùn)動(dòng)了2s停止，已知汽車的質(zhì)量m＝2×103kg，汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的阻力大小不變，求：(1)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)汽車的速度大?。?2)汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的阻力大??；(3)汽車牽引力的大小．教你解決問(wèn)題第一步：第一遍讀題確定,研究對(duì)象汽車第二步：第二遍讀題建構(gòu),物理模型過(guò)程第三步：物理模型轉(zhuǎn)化針對(duì)訓(xùn)練2冰壺是冬奧會(huì)的正式比賽項(xiàng)目，冰壺在冰面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員可以通過(guò)刷冰減小冰壺與冰面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，從而控制冰壺的滑行距離．如圖，在2022年北京冬奧會(huì)上，已知從冰壺的投擲點(diǎn)到“大本營(yíng)”中心的距離為40m，“大本營(yíng)”的直徑為3.66m．在某次比賽中，質(zhì)量為19kg的冰壺被推出后，做初速度為4m/s的勻減速直線運(yùn)動(dòng)，在它停下的最后1s內(nèi)位移為0.1m．(g＝10m/s2，冰壺可看成質(zhì)點(diǎn))求：(1)冰壺與冰面之間的摩擦力；(2)30s內(nèi)冰壺的位移大小．5．牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)一、加速度所受合力質(zhì)量所受的合力二、牛頓第二定律運(yùn)動(dòng)學(xué)情境思考：提示：首先分析小孩的受力，利用牛頓第二定律求出其下滑的加速度，然后根據(jù)公式v2＝2ax和x＝12at2三、運(yùn)動(dòng)學(xué)牛頓第二定律情境思考：提示：輪胎不可能離開(kāi)地面．關(guān)鍵能力·合作探究探究點(diǎn)一【例1】【解析】(1)以冰車及小明為研究對(duì)象，由牛頓第二定律得F－μmg＝ma1①vm＝a1t②由①②得vm＝5m/s.(2)冰車勻加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有x1＝12a1t2冰車自由滑行時(shí)有μmg＝ma2④vm2＝2a2x又x＝x1＋x2⑥由③④⑤⑥得x＝50m.【答案】(1)5m/s(2)50m遷移拓展1解析：撤去推力后，冰車在摩擦力作用下做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，最終速度為0由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：0＝vm－a2t′解得t′＝10s，所以t總＝t＋t′＝20s.答案：20s遷移拓展2解析：由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得v′m＝a1t1解得v′m＝2.5m/s停止施加力，冰車做勻減速直線運(yùn)動(dòng)由牛頓第二定律得μmg＝ma2又0＝v′m－a2t″，解得t″＝5s.答案：5s針對(duì)訓(xùn)練1解析：(1)人(含滑板)在斜坡上受力如圖甲所示，建立如圖所示的坐標(biāo)系，設(shè)人(含滑板)在斜坡上滑下的加速度為a1，由牛頓第二定律得mgsinθ－Ff1＝ma1，F(xiàn)N1－mgcosθ＝0，由摩擦力計(jì)算公式得Ff1＝μFN1，聯(lián)立解得a1＝2m/s2.(2)人(含滑板)在水平滑道上受力如圖乙所示，由牛頓第二定律得Ff2＝ma2，F(xiàn)N2－mg＝0由摩擦力計(jì)算公式得Ff2＝μFN2，聯(lián)立解得人(含滑板)在水平滑道上運(yùn)動(dòng)的加速度大小為a2＝5m/s2設(shè)人(含滑板)從斜坡上滑下的距離為L(zhǎng)AB，對(duì)AB段和BC段分別由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式得vB2－0＝2a1L聯(lián)立解得LAB＝50m.答案：(1)2m/s2(2)50m探究點(diǎn)二提示：(1)雨滴在屋頂上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，要求雨滴盡快淌離房頂，也就是運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可表示出雨滴的加速度，再利用牛頓第二定律表示出加速度，進(jìn)而可確定屋頂?shù)钠露龋?2)設(shè)屋檐的底角為θ，底邊長(zhǎng)為2L，雨滴做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，位移大小x＝12at2，而x＝Lcosθ，根據(jù)牛頓第二定律得加速度a＝gsinθ，聯(lián)立以上各式得t＝4Lgsin2θ.當(dāng)θ＝45°時(shí)，sin2θ＝【例2】【解析】(1)汽車開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則x0＝v0+0解得v0＝2x0(2)汽車滑行減速過(guò)程中加速度a2＝0-v0t2由牛頓第二定律得－Ff＝ma2，解得Ff＝4×103N.(3)開(kāi)始加速過(guò)程中加速度