专题3.1 牛顿三定律的理解及实验【讲】-2022年高考物理一轮复习讲练测

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\l "_Tc73430329" 二. 讲考点、讲题型 PAGEREF _Tc73430329 \h 1
\l "_Tc73430330" 考点一、牛顿第一定律的理解 PAGEREF _Tc73430330 \h 1
\l "_Tc73430331" 考点二、牛顿第二定律的理解 PAGEREF _Tc73430331 \h 3
\l "_Tc73430332" 考点三、牛顿第三定律的理解 PAGEREF _Tc73430332 \h 6
\l "_Tc73430334" 考点四、验证牛顿运动定律 PAGEREF _Tc73430334 \h 8
一．讲考纲、讲方向
二. 讲考点、讲题型
考点一、牛顿第一定律的理解
1．明确了惯性的概念
牛顿第一定律揭示了一切物体所具有的一种固有属性——惯性，即物体保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质．
2．揭示了力的本质
力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因．
3．理想化状态
牛顿第一定律描述的是物体不受外力时的状态，而物体不受外力的情形是不存在的．如果物体所受的合外力等于零，其运动效果跟不受外力作用时相同，物体保持静止状态或匀速直线运动状态．
【典例1】(对力与运动认识的物理学史)
(2020·广东惠州一中模拟) (多选)科学家关于物体运动的研究对树立正确的自然观具有重要作用.下列说法中符合历史事实的是( )
A.亚里士多德认为，必须有力作用在物体上，物体的运动状态才会改变
B.伽利略通过“理想实验”得出结论：运动必具有一定的速度，如果它不受力，它将以这一速度永远运动下去
C.笛卡儿指出，如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向
D.牛顿认为，物体都具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质
【典例2】对惯性的理解
(2021·潍坊模拟) (多选)在水平路面上有一辆匀速行驶的小车，车上固定一盛满水的碗。现突然发现碗中的水洒出，水洒出的情况如图所示，则关于小车的运动情况，下列叙述正确的是
A．小车匀速向左运动 B．小车可能突然向左加速
C．小车可能突然向左减速 D．小车可能突然向右减速
【典例3】对牛顿第一定律理解
（2020.甘肃兰州模拟）关于牛顿第一定律的说法中，正确的是( )
A．由牛顿第一定律可知，物体在任何情况下始终处于静止状态和匀速直线运动状态
B．牛顿第一定律只是反映惯性大小的，因此也叫惯性定律
C．牛顿第一定律反映了物体不受外力作用时的运动规律，因此，物体在不受力时才有惯性
D．牛顿第一定律既揭示了物体保持原有运动状态的原因，又揭示了运动状态改变的原因
【方法总结】
1.惯性的两种表现形式
(1)物体在不受外力或所受的合外力为零时，惯性表现为使物体保持原来的运动状态不变(静止或匀速直线运动).
(2)物体受到外力时，惯性表现为抗拒运动状态的改变，惯性大，物体的运动状态较难改变；惯性小，物体的运动状态较易改变.
2.牛顿第一定律与牛顿第二定律的关系
牛顿第一定律和牛顿第二定律是相互独立的.
(1)牛顿第一定律告诉我们改变运动状态需要力，力是如何改变物体运动状态的问题则由牛顿第二定律来回答.
(2)牛顿第一定律是经过科学抽象、归纳推理总结出来的，而牛顿第二定律是一条实验定律.
考点二、牛顿第二定律的理解
1．牛顿第二定律的五个特性
2．合力、加速度、速度间的决定关系
(1)不管速度是大是小，或是零，只要合力不为零，物体都有加速度。
(2)a＝eq \f(Δv,Δt)是加速度的定义式，a与Δv、Δt无必然联系；a＝eq \f(F,m)是加速度的决定式，a∝F，a∝eq \f(1,m)。
(3)合力与速度同向时，物体加速运动；合力与速度反向时，物体减速运动。
【典例4】牛顿第二定律的矢量性
(2021年湖北省宜昌市高考物理模拟试卷）某校学生乘坐高铁进行研学旅行，当列车做匀加速直线运动时，一学生观察置于车厢内水平桌面上一碗水的水面，观察到的情形与图中相符的是
A. B.
C. D.
【典例5】牛顿第二定律的瞬时性(2021年云南省昆明一中高考物理第六次复习试卷)如图所示，轻绳一端连接一质量为m的物体，另一端固定在左侧竖直墙壁上，轻绳与竖直墙壁间夹角为45°，物体右侧与一轻弹簧相连，轻弹簧另一端固定于右侧竖直墙壁上，此时物体对光滑地面的压力恰好为零，重力加速度g=10 m/s2，则
A. 此时物体受四个力作用
B. 若突然撤去弹簧的瞬间，物体向左加速运动
C. 若突然剪断轻绳的瞬间，物体受2个力作用
D. 若突然剪断轻绳的瞬间，物体的加速度大小为10 m/s2
【典例6】牛顿第二定律的独立性 (2021·莱州一模)（单选）为了让乘客乘车更为舒适，某探究小组设计了一种新的交通工具，乘客的座椅能随着坡度的变化而自动调整，使座椅上表面始终保持水平，如图所示。当此车加速下坡时，一位乘客正盘腿坐在座椅上，则下列说法正确的是( )
A．乘客所受合外力可能竖直向下
B．支持力可能大于重力
C．若乘客未接触座椅靠背，则应受到向前(水平向左)的摩擦力作用
D．可能处于超重状态
【典例7】力和运动的定性关系
(2021年江苏省无锡市高考物理质检试卷）如图，一足够长且倾角为30°的光滑斜面固定在地面上，一根劲度系数为k的弹簧，一端连在斜面底部的固定挡板上．质量分别为m和2m的物块A和B叠放在一起，压在弹簧上，处于静止状态．对B施加一沿斜面向上的外力，使B以0.5g(g为重力加速度)的加速度沿斜面匀加速运动，则两物块分离时的速度大小为
A. gm2kB. g3m2kC. g2m2kD. g23m2k
【方法总结】
解题的思路和关键
(1)选取研究对象进行受力分析；
(2)应用平行四边形定则或正交分解法求合力；
(3)根据F合＝ma求物体的加速度a.
考点三、牛顿第三定律的理解
1．作用力与反作用力的“三同、三异、三无关”
(1)“三同”：①大小相同；②性质相同；③变化情况相同。
(2)“三异”：①方向不同；②受力物体不同；③产生效果不同。
(3)“三无关”：①与物体的种类无关；②与物体的运动状态无关；③与物体是否和其他物体存在相互作用无关。
2．相互作用力与平衡力的比较
【典例8】牛顿第三定律的理解
(2021年1月浙江省普通高校招生选考物理试卷)如图所示，电动遥控小车放在水平长木板上面，当它在长木板上水平向左加速运动时，长木板保持静止，此时( )
A. 小车只受重力、支持力作用
B. 木板对小车的作用力方向水平向左
C. 木板对小车的作用力大于小车对木板的作用力
D. 木板对小车的作用力与小车对木板的作用力大小一定相等
【典例9】作用力与反作用力
（2021江苏省模拟题）甲、乙两人在冰面上“拔河”.两人中间位置处有一分界线，约定先使对方过分界线者赢得胜利．若不计绳的质量，冰面可看成光滑平面，则下列说法正确的是( )
A. 甲对绳的拉力与绳对甲的拉力是一对平衡力
B. 甲对绳的拉力与乙对绳的拉力是作用力与反作用力
C. 甲对绳的拉力与绳对甲的拉力大小相等
D. 若乙收绳的速度比甲快，则乙能赢得“拔河”比赛的胜利
【方法总结】
应用牛顿第三定律需注意的三个问题
1．定律中的“总是”说明对于任何物体，在任何情况下牛顿第三定律都是成立的。
2．作用力与反作用力虽然等大反向，但因所作用的物体不同，所产生的效果(运动效果或形变效果)往往不同。
3．作用力与反作用力只能是一对物体间的相互作用力，不能涉及第三个物体。
考点四、验证牛顿运动定律
一、实验原理与操作
注意事项
1．平衡摩擦力：平衡摩擦力时，要调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。此时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车给任何牵引力，要让小车拖着纸带匀速运动。
2．实验条件：M≫m。只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。
3．一先一后：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。
二、数据处理与误差分析
1．数据处理
(1)计算加速度：先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。
(2)作图像找关系
①作a­F图像：根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画a­F图像。如果图像是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与作用力成正比。
②作a­eq \f(1,M)图像：根据记录的各组对应的加速度a与小车和小车上砝码总质量M，建立直角坐标系，描点画a­eq \f(1,M)图像，如果图像是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。
2．误差分析
(1)因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为研究对象得m′g＝(m＋m′)a
以小车为研究对象得F＝ma
求得F＝eq \f(m,m＋m′)·m′g＝eq \f(1,1＋\f(m′,m))·m′g＜m′g
本实验用小盘和砝码的总重力m′g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。
(2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。
【典例10】实验原理与操作
(2021·宁德一模)某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”的实验过程是：
甲 乙
(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1 s，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)。
(2)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，进行多次测量。根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图线，如图所示。图中直线没有通过原点，其主要原因是____________________________。
(3)保持沙和沙桶质量不变，改变小车中砝码质量，进行多次测量，得到小车加速度a、质量m及其对应的eq \f(1,m)的数据如表中所示：
a.请在坐标纸中画出a­eq \f(1,m)图线：
b．根据作出的a­eq \f(1,m)图象可以得到的结论是
_______________________________________________________
_______________________________________________________
_____________________________________________________。
【典例11】对数据处理和误差的考查
(2021．宁夏模拟)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：
图(a)
(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑．
(2)将n(依次取n＝1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s­t图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.
(3)对应于不同的n的a值见下表．n＝2时的s­t图象如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.
(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出a­n图象．从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．
(5)利用a­n图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8 m/s2)．
(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(填入正确选项前的字母)．
A．a­n图线不再是直线
B．a­n图线仍是直线，但该直线不过原点
C．a­n图线仍是直线，但该直线的斜率变大
三、创新实验
【典例12】
(2021·黄冈二模)图甲所示为测量木块与水平桌面之间动摩擦因数μ的实验装置示意图。提供的器材有光电计时器、固定有遮光片的木块(图中未画出遮光片)、游标卡尺、米尺、8个质量均为m的钩码以及细线等。实验操作过程如下：
①按图甲所示组装好实验装置，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s。
②将细线一端与木块相连，另一端跨过定滑轮挂上钩码，其余钩码都叠放在木块的凹槽中，调整轻滑轮，使细线水平。
③让木块从光电门的左侧由静止释放，分别测出遮光片经过光电门A和B所用的时间ΔtA和ΔtB，记下悬挂钩码的个数n。
④将木块上的钩码逐个移到悬挂钩码端，重复实验操作③。
⑤测出每种情况对应的加速度a，作出a­n图象如图丙所示。

甲 乙 丙
回答下列问题：
(1)测量d时，某次游标卡尺(主尺的分度值为1 mm)的示数如图乙所示，其读数为________cm。
(2)木块的加速度a可用d、s、ΔtA和ΔtB表示为a＝
_____________________________________________________。
(3)根据图丙中的a­n图象，动摩擦因数可表示为μ＝________。(选用图象中的截距b、p和重力加速度g表示)
(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于________(填“偶然误差”或“系统误差”)。
【方法总结】
1．平衡摩擦力：平衡摩擦力时，要调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。此时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车给任何牵引力，要让小车拖着纸带匀速运动。
2．实验条件：M≫m。只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。
3．一先一后：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。
考点内容
考题统计
考查方向
备考方案
惯性的本质
2020全国卷Ⅱ，T23，6分
2019全国卷Ⅰ，T22, 6分
2019全国卷Ⅱ，T22, 6分
2019全国卷Ⅲ，T22, 6分
考查牛顿运动定律及运动和力的关系。
考查探究加速度与所受合外力关系的实验及根据牛顿运动定律设计性实验。
物理观念
1.理解质量的含义，惯性概念
2.理解和掌握牛顿运动定律
科学思维
应用“理想实验”“控制变量”思想方法分析问题
科学探究
通过实验探究加速度与力和质量的关系
牛顿运动三定律的理解及应用
作用力和反作用力
实验：探究加速度与力、质量的关系
对应名称
比较内容
作用力和反作用力
一对平衡力
不同点
受力物体
作用在两个相互作用的物体上
作用在同一物体上
依赖关系
同时产生、同时消失
不一定同时产生、同时消失
叠加性
两力作用效果不可抵消，不可叠加，不可求合力
两力作用效果可相互抵消，可叠加，可求合力，合力为零
力的性质
一定是同性质的力
性质不一定相同
相同点
大小、方向
大小相等、方向相反、作用在同一条直线上
实验次数
1
2
3
4
5
6
7
8
小车加速度
a/(m·s－2)
1.90
1.72
1.49
1.25
1.00
0.75
0.50
0.30
小车和砝码质量
m/kg
0.25
0.29
0.33
0.40
0.50
0.71
1.00
1.67
eq \f(1,m)/kg－1
4.00
3.45
3.03
2.50
2.00
1.41
1.00
0.60
n
1
2
3
4
5
a/(m·s－2)
0.20
0.58
0.78
1.00
实验目的和原理的创新
(1)将实验装置的平面改为斜面
(2)将探究加速度与物体受力、物体质量的关系改为测定动摩擦因数
实验器材的创新
利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度
(1)用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度
(2)利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦阻力
(3)用力传感器测滑块的拉力，无需满足m≪M
实验过程的创新
(1)结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由vB2－vA2＝2ax得出位移，算出物块的加速度
(2)结合牛顿第二定律mg－μMg＝(M＋m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数