2024高考物理大一轮复习课件 第三章 第2讲 牛顿第二定律的基本应用

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牛顿第二定律的基本应用
1.掌握动力学两类基本问题的求解方法.2.会利用牛顿第二定律对超重、失重、瞬时加速度问题进行分析计算.
考点二　超重和失重问题
考点三　动力学两类基本问题
1.两种模型合外力与加速度具有因果关系，二者总是同时产生、同时变化、同时消失，当物体所受合外力发生变化时，加速度也随着发生变化，而物体运动的速度　　　发生突变.
例1　如图所示，物块1的质量为3m，物块2的质量为m，两者通过弹簧相连，整个系统置于水平放置的光滑木板上，并处于静止状态.现将木板沿水平方向突然抽出，设抽出的瞬间，物块1、2的加速度大小分别为a1、a2.重力加速度为g.则有A.a1＝0，a2＝g B.a1＝g，a2＝gC.a1＝0，a2＝4g D.a1＝g，a2＝4g
开始时，对物块1分析，处于平衡状态，弹簧的弹力大小F＝3mg，抽出木板的瞬间，弹簧的弹力不变，物块1所受的合力仍然为零，则加速度a1＝0；抽出木板的瞬间，弹簧的弹力不变，对物块2分析，受重力和弹簧向下的弹力，根据牛顿第二定律得a2＝ ＝4g，故C正确，A、B、D错误.
例2　(多选)如图所示，质量为m的小球被一根轻质橡皮筋AC和一根绳BC系住，当小球静止时，橡皮筋处在水平方向上，绳与竖直方向的夹角为θ，重力加速度为g，下列判断中正确的是A.在AC被突然剪断的瞬间，BC对小球的拉力不变B.在AC被突然剪断的瞬间，小球的加速度大小为gsin θC.在BC被突然剪断的瞬间，小球的加速度大小为D.在BC被突然剪断的瞬间，小球的加速度大小为gsin θ
设小球静止时BC绳的拉力为F，AC橡皮筋的拉力为FT，由平衡条件可得Fcs θ＝mg，Fsin θ＝FT，解得F＝ ，FT＝mgtan θ，在AC被突然剪断的瞬间，AC的拉力突变为零，BC上的拉力F突变为mgcs θ，重力垂直于绳BC的分量提供加速度，即mgsin θ＝ma，解得a＝gsin θ，B正确，A错误；
在BC被突然剪断的瞬间，橡皮筋AC的拉力不变，小球的合力大小与BC被剪断前BC的拉力大小相等，方向沿BC方向斜向下，根据牛顿第二定律有 ＝ma′，故加速度大小a′＝ ，C正确，D错误.
例3　(多选)如图所示，水平轻弹簧两端拴接两个质量均为m的小球a和b，拴接小球的细线P、Q固定在天花板上，两球静止，两细线与水平方向的夹角均为37°.现剪断细线P.弹簧的劲度系数为k，重力加速度大小为g，取sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8.下列说法正确的是
C.剪断与a球连接处的弹簧的瞬间，细线P的拉力变小D.剪断与a球连接处的弹簧的瞬间，小球a的加速度大小为0.8g
剪断细线P前，对小球a进行受力分析，小球a受竖直向下的重力、水平向右的弹簧弹力以及沿细线P向上的拉力.根据共点力平衡有FTsin 37°＝mg，FTcs 37°＝kx，联立解得x＝ ，故A正确；
剪断细线P的瞬间，弹簧的弹力不变，所以小球b处于静止状态，所受合力为零，加速度为0，故B错误；
1.实重和视重(1)实重：物体实际所受的重力，与物体的运动状态　　　(选填“无关”或“相关”).(2)视重：当物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上时，弹簧测力计或台秤的示数称为视重.
2.超重、失重和完全失重的对比
1.加速上升的物体处于超重状态.(　　)2.减速上升的升降机内的物体，物体对地板的压力大于物体的重力.(　　)3.加速度大小等于g的物体处于完全失重状态.(　　)4.物体处于超重或失重状态时其重力并没有发生变化.(　　)5.根据物体处于超重或失重状态，可以判断物体运动的速度方向.(　　)
1.判断超重和失重的方法
(1)从受力的角度判断当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时，物体处于超重状态；小于重力时，物体处于失重状态；等于零时，物体处于完全失重状态.(2)从加速度的角度判断当物体具有向上的(分)加速度时，物体处于超重状态；具有向下的(分)加速度时，物体处于失重状态；向下的加速度等于重力加速度时，物体处于完全失重状态.
2.对超重和失重现象的理解(1)发生超重或失重现象时，物体所受的重力没有变化，只是压力(或拉力)变大或变小了(即“视重”变大或变小了).(2)在完全失重的状态下，一切由重力产生的物理现象都会完全消失，如天平失效、浸在水中的物体不再受浮力作用、液柱不再产生压强等.
考向1　对超、失重现象的理解
例4　“蹦极”是一项非常刺激的体育运动.某人身系弹性绳自高空P点自由下落，图中a点是弹性绳的原长位置，c是人所到达的最低点，b是人静止地悬吊着时的平衡位置，空气阻力不计， 则人从P点落下到最低点c的过程中A.人从a点开始做减速运动，一直处于失重状态B.在ab段绳的拉力小于人的重力，人处于超重状态C.在bc段绳的拉力大于人的重力，人处于超重状态D.在c点，人的速度为零，其加速度也为零
在Pa段绳还没有被拉长，人做自由落体运动，所以处于完全失重状态，在ab段绳的拉力小于人的重力，人受到的合力向下，有向下的加速度，处于失重状态；在bc段绳的拉力大于人的重力，人受到的合力向上，有向上的加速度，处于超重状态，故A、B错误，C正确；在c点，人的速度为零，绳的形变量最大，绳的拉力最大，人受到的合力向上，有向上的加速度，故D错误.
考向2　超、失重现象的图像问题
例5　(多选)(2023·河南省模拟)在直升机竖直降落的过程中，开始时飞机匀速降落，飞行员对座椅的压力情况如图所示，取重力加速度大小g＝10 m/s2，下列说法正确的是A.飞行员的质量为70 kgB.飞行员在t1时刻的加速度方向向下C.飞行员在t2时刻的加速度方向向下D.从图中可知飞行员在这两次规避障碍过程中的加速度的最大值为6 m/s2
由题图可知，飞行员受到的重力大小为500 N，则质量为50 kg，A错误；飞行员在t1时刻对座椅的压力小于其受到的重力，合力方向向下，加速度方向向下，B正确；飞行员在t2时刻对座椅的压力大于其受到的重力，合力方向向上，加速度方向向上，C错误；由题图可知，飞行员在t1时刻受到的合力最大，则有mg－F＝mamax，代入数据解得amax＝6 m/s2，D正确.
考向3　超、失重现象的分析和计算
例6　跳楼机可以使人体验失重和超重(如图所示).现让升降机将座舱送到距地面H＝78 m的高处，然后让座舱自由下落，落到距地面h＝30 m的位置时开始制动，使座舱均匀减速，座舱落到地面时刚好停下，在该体验中，小明将质量m＝10 kg的书包平放在大腿上(不计空气阻力，g取10 m/s2).
(1)当座舱静止时，请用所学知识证明书包的重力G与书包对小明大腿的压力大小F相等.
设小明大腿对书包的支持力大小为FN，因为物体处于静止状态，则FN＝G根据牛顿第三定律有FN＝F，所以G＝F.
(2)当座舱落到距地面h1＝50 m的位置时，求小明对书包的作用力大小F1；
座舱自由下落到距地面h＝30 m的位置时开始制动，所以当座舱距地面h1＝50 m时，书包处于完全失重状态，则有F1＝0.
(3)求跳楼机制动后(匀减速阶段)加速度a的大小；
座舱自由下落高度为H－h＝78 m－30 m＝48 m，座舱开始制动时，已获得速度vm，由运动学公式得vm2＝2g(H－h)座舱制动过程做匀减速直线运动，则有vm2＝2ah，联立可得a＝16 m/s2，方向竖直向上，故跳楼机制动后(匀减速阶段)加速度a的大小为16 m/s2.
(4)当座舱落到距地面h2＝15 m的位置时，求小明对书包的作用力大小F2.
由牛顿第二定律得F2－mg＝ma，代入数据得F2＝260 N，故当座舱落到距地面h2＝15 m的位置时，小明对书包的作用力大小为260 N.
1.动力学问题的解题思路
2.解题关键(1)两类分析——物体的受力分析和物体的运动过程分析；(2)两个桥梁——加速度是联系运动和力的桥梁；连接点的速度是联系各物理过程的桥梁.
例7　(2023·四川金堂县淮口中学高三检测)如图所示，ABC是一雪道，AB段为长L＝80 m、倾角θ＝37°的斜坡，BC段水平，AB与BC平滑相连.一个质量m＝75 kg的滑雪运动员(含滑雪板)，从斜坡顶端以v0＝2.0 m/s的初速度匀加速滑下，经时间t＝5.0 s到达斜坡底端B点.滑雪板与雪道间的动摩擦因数在AB段和BC段均相同(运动员可视为质点).取g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8.求：(1)运动员在斜坡上滑行时的加速度大小a；
答案　5.6 m/s2
代入数据解得a＝5.6 m/s2
(2)滑雪板与雪道间的动摩擦因数μ；
在斜坡上运动员受力如图甲所示，建立如图甲所示的直角坐标系，根据牛顿第二定律，x方向上有mgsin θ－Ff＝ma，y方向上有FN－mgcs θ＝0，Ff＝μFN，联立解得μ＝0.05.
(3)运动员滑上水平雪道后，在t′＝2.0 s内滑行的距离x.
运动员滑到B点时的速度vB＝v0＋at＝30 m/s在水平雪道上运动员受力如图乙所示，建立如图乙所示的直角坐标系，设运动员的加速度为a′，根据牛顿第二定律，x方向上有－μFN′＝ma′，
例8　(多选)如图所示，Oa、Ob和ad是竖直平面内三根固定的光滑细杆，O、a、b、c、d位于同一圆周上，c为圆周的最高点，a为最低点，O′为圆心.每根杆上都套着一个小滑环(未画出)，两个滑环从O点无初速度释放，一个滑环从d点无初速度释放，用t1、t2、t3分别表示滑环沿Oa、Ob、da到达a或b所用的时间.下列关系正确的是A.t1＝t2 B.t2>t3C.t1aOb，由x＝ at2可知，t2>tca，即t2>t1＝t3，故B、C、D正确.
1.质点从竖直圆环上沿不同的光滑弦上端由静止开始滑到圆环的最低点所用时间相等，如图甲所示；
2.质点从竖直圆环上最高点沿不同的光滑弦由静止开始滑到下端所用时间相等，如图乙所示；3.两个竖直圆环相切且两环的竖直直径均过切点，质点沿不同的光滑弦上端由静止开始滑到下端所用时间相等，如图丙所示.
1.(2020·山东卷·1)一质量为m的乘客乘坐竖直电梯下楼，其位移s与时间t的关系图像如图所示.乘客所受支持力的大小用FN表示，速度大小用v表示.重力加速度大小为g.以下判断正确的是A.0～t1时间内，v增大，FN>mgB.t1～t2 时间内，v减小，FNβ>θ.现让一小物块先后从三条轨道顶端由静止下滑至底端，则小物块在每一条倾斜轨道上滑动时所经历的时间关系为A.tAB＝tCD＝tEFB.tAB>tCD>tEFC.tAB