专题(16)牛顿第二定律的应用(解析版)

2021年高考物理一轮复习考点全攻关

专题（16）牛顿第二定律的应用（解析版）

双基过关：

一、动力学的两类基本问题

1．由物体的受力情况求解运动情况的基本思路

先求出几个力的合力，由牛顿第二定律(F合＝ma)求出加速度，再由运动学的有关公式求出速度或位移． 2．由物体的运动情况求解受力情况的基本思路

已知加速度或根据运动规律求出加速度，再由牛顿第二定律求出合力，从而确定未知力．

3．应用牛顿第二定律解决动力学问题，受力分析和运动分析是关键，加速度是解决此类问题的纽带，分析流程如下： 受力情况F合F合＝ma加速度a运动学公式运动情况v、x、t

自测1 假设汽车突然紧急制动后所受到的阻力的大小与汽车所受的重力大小差不多，当汽车以20 m/s的速度行驶时突然制动，它还能继续滑动的距离约为( )

A．40 m B．20 m

C．10 m

D．5 m

【答案】B

解析 a＝Ffm＝mgm＝g＝10 m/s2，由v2＝2ax得x＝v22a＝2022×10 m＝20 m，B对．

二、瞬时问题

1．牛顿第二定律的表达式为：F合＝ma，加速度由物体所受合外力决定，加速度的方向与物体所受合外力的方向一致．当物体所受合外力发生突变时，加速度也随着发生突变，而物体运动的速度不能发生突变．

2．轻绳、轻杆和轻弹簧(橡皮条)的区别

(1)轻绳和轻杆：剪断轻绳或轻杆断开后，原有的弹力将突变为0.

(2)轻弹簧和橡皮条：当轻弹簧和橡皮条两端与其他物体连接时，轻弹簧或橡皮条的弹力不能发生突变．

【自测2】如图1，A、B、C三个小球质量均为m，A、B之间用一根没有弹性的轻质细绳连在一起，B、C之间用轻弹簧拴接，整个系统用细线悬挂在天花板上并且处于静止状态．现将A上面的细线剪断，使A的上端失去拉力，则在剪断细线的瞬间，A、B、C三个小球的加速度分别是(重力加速度为g)( )

图1

A．1.5g，1.5g,0 B．g，2g，0 C．g，g，g D．g，g，0

【答案】A 解析 剪断细线前，由平衡条件可知，A上端的细线的拉力为3mg，A、B之间细绳的拉力为2mg，轻弹簧的拉力为mg.在剪断A上面的细线的瞬间，轻弹簧中拉力不变，小球C所受合外力为零，所以C的加速度为零；A、B小球被细绳拴在一起，整体受到二者重力和轻弹簧向下的拉力，由牛顿第二定律得3mg＝2ma，解得a＝1.5g，选项A正确．

二、超重和失重

1．超重

(1)定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象．

(2)产生条件：物体具有向上的加速度．

2．失重

(1)定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象．

(2)产生条件：物体具有向下的加速度．

3．完全失重

(1)定义：物体对支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力)等于0的现象称为完全失重现象．

(2)产生条件：物体的加速度a＝g，方向竖直向下．

4．实重和视重

(1)实重：物体实际所受的重力，它与物体的运动状态无关．

(2)视重：当物体在竖直方向上有加速度时，物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力将不等于物体的重力．此时弹簧测力计的示数或台秤的示数即为视重．

自测3 图2甲是某人站在力传感器上做下蹲、起跳动作的示意图，点O表示人的重心．图乙是根据传感器采集到的数据画出的F－t图线，两图中a～g各点均对应，其中有几个点在图甲中没有画出．取重力加速度g＝10 m/s2，根据图象分析可知( )

图2

A．人的重力为1 500 N B．c点位置人处于失重状态

C．e点位置人处于超重状态 D．d点的加速度小于f点的加速度

【答案】C

解析 开始时人处于平衡状态，人对传感器的压力是500 N，根据平衡条件与牛顿第三定律可知，人的重力也是500 N，故A错误；c点时人对传感器的压力大于其重力，处于超重状态，故B错误；e点时人对传感器的压力大于其重力，处于超重状态，故C正确；人在d点：a1＝Fd－Gm＝1 500－50050010 m/s2＝20 m/s2，人在f点：a2＝G－0m＝50050010 m/s2＝10 m/s2，可知d点的加速度大于f点的加速度，故D错误．

命题热点一：瞬时问题的两类模型

1．两种模型

加速度与合外力具有瞬时对应关系，二者总是同时产生、同时变化、同时消失，具体可简化为以下两种模型：

2．解题思路

分析瞬时变化前后物体的受力情况⇒列牛顿第二定律方程⇒求瞬时加速度

【例1】(多选)如图3所示，质量均为m的木块A和B用一轻弹簧相连，竖直放在光滑的水平面上，木块A上放有质量为2m的木块C，三者均处于静止状态．现将木块C迅速移开，若重力加速度为g，则在木块C移开的瞬间( )

图3

A．弹簧的形变量不改变

B．弹簧的弹力大小为mg

C．木块A的加速度大小为2g

D．木块B对水平面的压力大小迅速变为2mg

【答案】AC

解析 由于弹簧弹力不能突变，所以撤去C的瞬间，弹簧的形变量不变，故A正确；开始整体处于平衡状态，弹簧的弹力等于A和C的重力，即F＝3mg，撤去C的瞬间，弹簧的形变量不变，即弹簧的弹力不变，仍为3mg，故B错误；撤去C瞬间，弹簧弹力不变，A受到的合外力大小等于C的重力，对木块A，由牛顿第二定律得：2mg＝ma，解得：a＝2g，方向竖直向上，故C正确；撤去C的瞬间，弹簧的弹力不变，仍为3mg，对B，由平衡条件得：3mg＋mg＝FN，解得：FN＝4mg，故由牛顿第三定律可知，木块B对水平面的压力大小为4mg，故D错误．

【变式1】如图4所示，在倾角为θ＝30°的光滑固定斜面上，物块A、B质量均为m.物块A静止在轻弹簧上端，物块B用细线与斜面顶端相连，A、B靠在一起，但A、B之间无弹力．已知重力加速度为g，某时刻将细线剪断，下列说法正确的是( )

图4

A．细线剪断前，弹簧的弹力为mg

B．细线剪断前，细线的拉力为mg

C．细线剪断瞬间，弹簧的弹力发生变化

D．细线剪断瞬间，物块B的加速度大小为14g

【答案】D

解析 细线剪断前，由于A、B之间无弹力，对A分析可以得到弹簧的弹力：F＝mgsin θ＝

12mg，对B分析可以得到FT＝mgsin θ＝12mg，故A、B错误；细线剪断瞬间，弹簧的弹力不变，故C错误；细线剪断瞬间，对A、B系统，加速度大小：a＝2mgsin θ－F2m＝14g，故D正确．

【变式2】如图5所示，A球质量为B球质量的3倍，光滑固定斜面的倾角为θ，图甲中，A、B两球用轻弹簧相连，图乙中A、B两球用轻质杆相连，系统静止时，挡板C与斜面垂直，弹簧、轻杆均与斜面平行，重力加速度为g，则在突然撤去挡板的瞬间有( )

图5

A．图甲中A球的加速度大小为gsin θ

B．图甲中B球的加速度大小为2gsin θ

C．图乙中A、B两球的加速度大小均为gsin θ

D．图乙中轻杆的作用力一定不为零

【答案】C

解析 设B球质量为m，则A球的质量为3m.撤去挡板前，题图甲、乙中挡板对B球的弹力大小均为4mgsin

θ，因弹簧弹力不能突变，而轻杆的弹力会突变，所以撤去挡板瞬间，题图甲中A球所受的合力为零，加速度为零，B球所受合力大小为4mgsin θ，加速度大小为4gsin θ；题图乙中，撤去挡板的瞬间，A、B两球整体受到的合力大小为4mgsin θ，A、B两球的加速度大小均为gsin θ，则每个球受到的合力大小均等于自身重力沿斜面向下的分力，轻杆的作用力为零，C正确．

命题热点二：超重与失重现象

1．对超重和失重的理解

(1)不论超重、失重或完全失重，物体的重力都不变，只是“视重”改变．

(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．

(3)尽管物体的加速度不是竖直方向，但只要其加速度在竖直方向上有分量，物体就会处于超重或失重状态．

2．判断超重和失重的方法

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

从加速度的角度判断 当物体具有向上的加速度时，物体处于超重状态；具有向下的加速度时，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

从速度变化的角度判断 ①物体向上加速或向下减速时，超重

②物体向下加速或向上减速时，失重

【例2】压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小、某实验小组在升降机水平地面上利用压敏电阻设计了判断升降机运动状态的装置．其工作原理图如图6甲所示，将压敏电阻、定值电阻R、电流显示器、电源连成电路、在压敏电阻上放置一个绝缘重物，0～t1时间内升降机停在某一楼层处，t1时刻升降机开始运动，从电流显示器中得到电路中电流i随时间t变化情况如图乙所示，则下列判断不正确．．．的是( )

图6

A．t1～t2时间内绝缘重物处于超重状态

B．t3～t4时间内绝缘重物处于失重状态

C．升降机开始时可能停在1楼层，从t1时刻开始，经向上加速、匀速、减速，最后停在高楼层

D．升降机开始时可能停在高楼层，从t1时刻开始，经向下加速、匀速、减速，最后停在1楼

【答案】D

【变式3】如图7，跳高运动员起跳后向上运动，越过横杆后开始向下运动，则运动员越过横杆前、后在空中所处的状态分别为( )

图7

A．失重、失重 B．超重、超重

C．失重、超重 D．超重、失重

【答案】A

解析 运动员在空中运动的过程中，加速度总是竖直向下的，则运动员越过横杆前、后在空中所处的状态都是失重状态，故选A.

【变式4】如图8所示，固定在水平面上的斜面体C上放有一个斜劈A，A的上表面水平且放有物块B.若A、B运动过程中始终保持相对静止．以下说法正确的是( )

图8

A．若C斜面光滑，A和B由静止释放，在向下运动时，B物块可能只受两个力作用

B．若C斜面光滑，A和B以一定的初速度沿斜面减速上滑，则B处于超重状态

C．若C斜面粗糙，A和B以一定的初速度沿斜面减速上滑，则B受水平向左的摩擦力

D．若C斜面粗糙，A和B以一定的初速度沿斜面加速下滑，则B处于超重状态

【答案】C

解析 若C斜面光滑，A和B由静止释放，在向下运动时，整体加速度方向沿斜面向下，如图所示，

可知，B受到重力、支持力和水平向左的摩擦力共三个力作用，故选项A错误；若C斜面光滑，A和B以一定的初速度沿斜面减速上滑，则整体加速度方向如图所示，此时B具有竖直向下的分加速度，即处于失重状态，故选项B错误；若C斜面粗糙，A和B以一定的初速度沿斜面减速上滑，则整体加速度方向如图所示，由于B具有水平向左的分加速度，则根据牛顿第二定律可知B受水平向左的摩擦力，故选项C正确；若C斜面粗糙，A和B以一定的初速度沿斜面加速下滑，则整体加速度方向如图所示，此时B具有竖直向下的分加速度，即处于失重状态，故选项D错误．

命题热点三：动力学两类基本问题

1．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；速度是各物理过程间相互联系的桥梁．

2．常用方法