4、F可以突变,a可以突变,但v不能突变。
3、力的独立性原理。
2、F与a的瞬时性。
[定义]:物体加速度的大小跟合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向相同。
比例式:或。
等式:其中k是比例系数。(公式中的F是合外力,而ma是作用效果,不要看成力,它们只是大小相等)
力的单位
K是比例常数,那k应该是多少呢?
这里要指出的是,在17世纪,人类已经有了一些基本物理量的计量标准,但还没有规定多大的力为一个单位力,当然也没有力的单位牛顿。科学家们在做与力有关的实验时并没有准确计算力的大小,利用的仅仅是简单的倍数关系。比如当挂一个钩码时,质量为1kg的小车产生大小为2m/s2的加速度,当挂两个钩码时,此时小车受力是第一次的两倍,实验结果是小车产生大小为4m/s2的加速度,由此可以得出物体的加速度与所受的合外力成正比(因为还没有规定一个单位的力是多大,所以你也无法知道一个钩码是几个单位的力。比如只有当我们规定了多长的距离为一个单位长度(1m)后才能知道一根棒有几个单位长度即几米。)。
由于单位力的大小还没有规定,所以k的选择有一定的任意性,只要是常数,它就能正确表示F与m、a之间的比例关系。(或者反过来讲,如果我们当时已经规定了力的单位为N,并且规定一个钩码的重量为1N,那么公式中的k就不具有随意性。在计算时质量的单位用kg,加速度的单位用m/s2,当F m a三者都取值为单位1时有:1N=k*1kg*1m/s2 而我们知道1kg*1m/s2表示使质量为1kg的物体产生1m/s2的力,对照上例应该是半个钩码,那k 就应该等于2。如果当时规定两个钩码重量为1N时,那k应该是4。而当规定半个钩码重为1N时,k就是1了。所以由于没有规定1N的力是多大,k的值任意的,只要常数就行。
既然k是任意取的,那取1将会使公式最简便。当k值取定后,力的单位理所当然也定下来了:一个单位力=1*1kg*1m/s2,即规定了1N的力是使质量为1kg的物体产生1m/s2加速度的力。用手托住两个鸡蛋大约就是1N。
从上可知力的单位是kg*m/s2,后来为了纪念牛顿,把kg*m/s2称做“牛顿”,用N表示。
公式:
例1、一物体质量为1kg的物体静置在光滑水平面上,0时刻开始,用一水平向右的大小为2N的力F1拉物体,则
(1) 物体产生的加速度是多大?2S后物体的速度是多少?
(2) 若在3秒末给物体加上一个大小也是2N水平向左的拉力F2,则物体的加速度是多少?4秒末物体的速度是多少?
(3) 3S内物体的加速度2m/s2是由力F1产生的,3S后物体的加速度为0,那是说3S后F1不再产生加速度了?
解:(1)受力分析知:物体所受的合外力为F1=2N,则根据公式有;从0时刻开始做初速度为0,加速度为2m/s2的匀加速直线运动,据得2S末速度为4m/s。
(2)3S末加上F2后,物体所受的合外力为0,则据有加速度为0;从3S末开始物体做匀速直线运动,4S末速度是4m/s。
(3)可以用平等四边形定则进行分解合成的不仅仅是力,所有的矢量均可以用平等四边形定则进行分解合成,当然也包括加速度。3S后F1仍然产生2m/s2的加速度,不过F1产生的加速度与F2产生的加速度相互抵消,所以总的加速度是0。
[牢记]:物体受到几个力的作用时,每个力各自独立地使物体产生一个加速度,就像其他力不存在一样,这个性质叫做力的独立性原理。物体的合加速度等于各个分力分别产生的加速度的矢量和;也等于合外力与质量的比值。
例2:光滑水面上,一物体质量为1kg,初速度为0,从0时刻开始受到一水平向右的接力F,F随时间变化图如下,要求作出速度时间图象。
[牢记]:加速度与合外力存在着瞬时对应关系:某一时刻的加速度总是与那一时刻的合外力成正比;有力即有加速度;合外力消失,加速度立刻消失;所以加速度与力一样,可以突变,而速度是无法突变的。
例3、牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例吗?
[牢记]:牛顿第一定律说明物体的运动不需要力来维持,力是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律定义了力。正因为知道了在没有力的情况下物体是静止或匀速的,人们才能去研究物体在有力的情况下是如何运动的。所以牛一是牛二的基础,牛二是牛一的扩展。
总结分析
[牢记]:
1、F与a的同向性。
6.总结
告诉学生我们本节课学的牛顿第二定律是把力和运动联系起来的桥梁,是我们解决许多力学乃至整个物理问题的一个重要武器,是我们学习物理的一个重点,要求大家很好地理解、掌握、应用它。而这节课所用的电脑辅助的实验归纳法是人们研究自然、社会的一种常用方法,列表法和图象法是处理实验数据的常用方法,我们还学了用数学公式来表达物理规律的方法,希望大家熟悉并能运用这些方法。
5.应用巩固练习
通过三道典型的问答和计算题,巩固学生对牛顿第二定律中各物理量的意义和加速度方向与合外力方向一致的理解,为进一步用牛顿第二定律解决实际问题打下基础。
4.分析归纳结论
引导学生分析实验结果,得出F=kma,在国际单位制中,定义1N=1kg·m/s2就可以得出牛顿第二定律F=ma。然于进行合理的外推,当物体受几个力作用而做加速运动时,F应为合力。由于力和加速度都是矢量,引导学生通过实例得到加速度的方向与合外力的方向一致。
3.进行实验探索
请两位同学上台操作,其他同学边观察、边思考,教师控制电脑。先保持物体质量为200g不变,测出拉力分别为0.05N、0.10N0.15N和0.20N时的加速度,填入表中和a-F图上,显示投影在大屏幕上,引导学生得出a∝F的结论。然后再保持拉力为0.10N不变,测出物体的质量分别为200g、282g、332g和382g时的加速度,填入表中和a-m图上。在a-m图上可看到随m的增大a逐渐减小,但它们的关系不明确。引导学生大胆猜测a与m成反比,再画出 a-1/m图,得到结论a∝1/m。
2.设计实验方案
在引入课题后,启发学生思考:我们如何来研究F、m、a三者之间的关系?引导学生得出用实验法先确定m,研究a与F的关系;再确定F,研究a与m的关系,最后得出三者的定量关系。由于教材(必修第一册,人教版)中牛顿第二定律实验不足(夹子很难同时夹住两细线;由于线的弹力,小车要反冲后才能停下,实验误差大),我设计了用电脑辅助来探索a与F、m关系的实验,如附图。遮光片宽度L,通过光电门时间分别t1和t2,两只光电门间距为s。当滑块通过光电门时,光电门产生一个脉冲,通过计时器中的三极管放大后,从计算机LPT口输入,调用计算机定时中断来计算时间,然后利用公式
计算出加速度的值,结果显示在表格中,同时在坐标图上标上点,实验结束后,程序提供一个画直线模块,可用光标来控制直线的斜率。
1.问题引入新课
光滑水平面上的物体受水平拉力作用而做加速运动,引导学生分析物体的质量,加速度,拉力三者之间的定性关系,鼓励学生进行猜测,它们成正比、成反比、不成比例等。然后指明本节课我们大家一起来探索得出三者之间的定量关系,从而导出课题--牛顿第二定律。这样导入的用意是提高学生学习的兴趣和参于探索的积极性。
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