专题六、系统牛顿第二定律

系统中牛顿第二定律及其在整体法中的应用一、创新拓展 若系统由2个物体组成，两物体受到的外力分别为Ｆ1，Ｆ2,两物体的质量分别为ｍ1，ｍ2，对应的加速度分别为ａ1，ａ2,. 该系统受到的合外力为Ｆ，则对两个物体用牛顿第二定律有：Ｆ1=m 1 a 1 , F 2= m 2 a 2, 上式两边相加得：F 1+F 2=m 1 a 1+ m 2 a 2 即F= m 1 a 1+ m 2 a 2 这就是系统中的牛顿第二定律的数学表达式，其表述为：系统受到的合外力等于系统内各物体的质量与其加速度乘积的矢量和。

其正交分解的表达式为：F x =m 1 a 1x +m 2 a 2x ；F y =m 1 a 1y +m 2 a 2y . 若系统内有n 个物体，则系统中的牛顿第二第律的数学表达式为：F =m 1 a 1 +m 2 a 2 +…+m n a n 或正交分解式为F x =m 1 a 1x +m 2 a 2x +…+m n a nx ； F y =m 1 a 1y +m 2 a 2y +…+m n a ny二、应用范例整体法是物理中常用的一种思维方法。

它是将几个物体看作一个整体来作为研究对象即系统，这样就暂时回避了这些物体间的相互作用的内力，只考虑整体受到的外力，整体法列出的方程数目较少，解题变的简明快捷。

但运用整体法的条件是暂不求物体间的相互作用力，各个物体的加速度要相同，没有相对运动。

当各个物体的加速度不相同时，运用整体法求解就遇到了困难。

由于系统中的牛顿第二定律对系统中的物体无论有无相对运动，都可以求解，不受各个物体的加速度一定相同的限制。

对于由多个物体组成的系统，如果所求问题暂不涉及或不涉及系统内的作用力，系统中只有一个物体有加速度，而其它物体无加速度（静止或匀速），或者多个物体的加速度在同一直线上，不会出现繁琐的矢量运算时，可以运用系统中的牛顿第二定律求解。

故系统中的牛顿第二定律在原整体法的基础上使解题的范围扩大，给整体法赋予了新的生命力，对于解答多体动力学问题，简单方便，迅速准确，能起到出奇制胜的效果。

系统的牛顿第二定律与整体法在静力学、动力学问题中，涉及到系统外力时，我们往往采用整体法处理，但是很多资料并没有讲清楚整体法的适用条件，以及背后的理论基础，甚至限定只允许在几个物体相对静止时使用整体法，使得整体法的适用范围大大缩小。

本文则从系统的牛顿第二定律入手，奠定整体法解决静力学、动力学问题的理论基础，并通过实例展示整体法的广阔应用空间。

一、系统的牛顿第二定律 1、推导如图所示，两个物体组成一个系统，外界对系统内物体有力的作用（系统外力），系统内物体之间也有相互作用（系统内力），则对1：12111F F m a += 对2：21222F F m a += 其中，2112F F =-联立，得：121122F F m a m a +=+这个方程中，等式左边只剩下系统外力，等式右边则是各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢量相加。

上述推导中，研究对象只有两个，但是很容易将上述结论推广到任意多个研究对象，方法仍然是分别对各个物体列动力学方程，然后相加——由于内力总是成对出现，且每对内力总是等大反向，因此相加的结果仍然是：等式左边只剩下系统外力，等式右边则是各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢量相加。

这个结论就是系统的牛顿第二定律，其通式为：112233...Fm a m a m a =+++∑外或者：112233...x x x xFm a m a m a =+++∑外，112233...y y y y F m a m a m a =+++∑外2、理解系统的牛顿第二定律表达式左边只有系统外力，因此它只适用于处理系统外力相关问题，一旦涉及系统内力，则只能用隔离法。

系统的牛顿第二定律表达式右边为“各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢量相加”，因此并不要求各个部分相对静止——各个部分有相对速度、相对加速度时，仍然可以选系统为研究对象，使用整体法处理问题。

如果系统内各个部分是相对静止的——即各个部分的加速度、速度均相同，则系统的牛顿第二定律方 程可以简化为：123(...)Fm m m a =+++∑外，这就是我们熟悉的几个物体相对静止时的整体动力学方程。

牛顿第二定律专题1．考纲解读2.考点整合考点一牛顿第二定律1.定律内容：物体的加速度跟物体成正比，跟物体的成反比，加速度的方向跟合外力的方向 .2.牛顿第二定律的矢量性、瞬时性、独立性.“矢量性”是指加速度的方向取决，“瞬时性”是指加速度和合外力存在着关系，合外力改变，加速度相应改变，“独立性”是指作用在物体上的每个力都独立的产生各自的加速度，合外力的加速度即是这些加速度的矢量和.3.牛顿第二定律的分量式：ΣFx=max，ΣFy=may[特别提醒]：F是指物体所受到的合外力，即物体所有受力的合力.加速度与合外力是瞬时对应关系，即有合外力就有加速度，没有合外力就没有加速度.【例1】如图所示，小车上固定着三角硬杆，杆的端点固定着一个质量为m的小球．当小车水平向右的加速度逐渐增大时，杆对小球的作用力的变化（用F1至F4变化表示）可能是下图中的（OO'沿杆方向）【解析】对小球进行受力分析，小球受重力和杆对小球的弹力，弹力在竖直方向的分量和重力平衡，小球在水平方向的分力提供加速度，故C正确.【答案】C【方法点评】本题考查牛顿第二定律，只要能明确研究对象，进行受力分析，根据牛顿第二定律列方程即可.考点二力、加速度和速度的关系在直线运动中当物体的合外力（加速度）与速度的方向时，物体做加速运动，若合外力（加速度）恒定，物体做运动，若合外力（加速度）变化，则物体做运动，当物体的合外力（加速度）方向与速度的方向时，物体做减速运动.若合外力（加速度）恒定，物体做运动，若合外力（加速度）变化，则物体做运动.[特别提醒]：要分析清楚物体的运动情况，必须从受力着手，因为力是改变运动状态的原因，求解物理问题，关键在于建立正确的运动情景，而这一切都必须从受力分析开始.[例2] 如图3-12-1所示，自由下落的小球下落一段时间后，与弹簧接触，从它接触弹簧开始，到弹簧压缩到最短的过程中，小球的速度、加速度的变化情况如何？最低点的加速度是否比g大？（实际平衡位置，等效成简谐运动）图3－12－1[解析]小球接触弹簧后受两个力，向下的重力mg和向上的弹力.（如图3－12－2（a）所示刚开始时，当<mg时，小球合力向下，，合力不断变小，因而加速度减小，由于a方向与v0同向，因此速度继续变大.当＝mg时，如图3－12－2（b）所示，合力为零，加速度为零，速度达到最大值.之后小球由于惯性仍向下运动，继续压缩弹簧，但>mg，合力向上，由于加速度的方向和速度方向相反，小球做加速度增大的减速运动，因此速度减小到零弹簧被压缩到最短.如图3－12－2（c）所示[答案]小球压缩弹簧的过程，合外力的方向先向下后向上，大小是先变小至零后变大，加速度的方向也是先向下后向上，大小是先变小后变大，速度的方向始终向下，大小是先变大后变小. （还可以讨论小球在最低点的加速度和重力加速度的关系）[方法技巧]要分析物体的运动情况一定要从受力分析着手，再结合牛顿第二定律进行讨论、分析.对于弹簧类问题的求解，最好是画出弹簧的原长，现在的长度，这样弹簧的形变长度就一目了然，使得求解变得非常的简单明了.考点三瞬时问题瞬时问题主要是讨论细绳（或细线）、轻弹簧（或橡皮条）这两种模型.细绳模型的特点：细绳不可伸长，形变，故其张力可以，弹簧（或橡皮条）模型的特点：形变比较，形变的恢复需要时间，故弹力 .[特别提醒]求解瞬时问题，首先一定要分清类型，然后分析变化之前的受力，再分析变化瞬间的受力,这样就可以很快求解.[例3]如图5所示，质量为m的小球被水平绳AO和与竖直方向成θ角的轻弹簧系着处于静止状态，现用火将绳AO烧断，在绳AO烧断的瞬间，下列说法正确的是（）A.弹簧的拉力B.弹簧的拉力C.小球的加速度为零D.小球的加速度[解析]烧断OA之前，小球受3个力，如图所示，烧断细绳的瞬间，绳子的张力没有了，但由于轻弹簧的形变的恢复需要时间，故弹簧的弹力不变，A正确。

F 2F 12F 1F 21 211 2 3...)a 系统的牛顿第二定律与整体法详解在静力学、动力学问题中，涉及到系统外力时，我们往往采用整体法处理，但是很多资料并没有讲清 楚整体法的适用条件，以及背后的理论基础，甚至限定只允许在几个物体相对静止时使用整体法，使得整 体法的适用范围大大缩小。

本文则从系统的牛顿第二定律入手，奠定整体法解决静力学、动力学问题的理 论基础，并通过实例展示整体法的广阔应用空间。

一、系统的牛顿第二定律 1、推导如图所示，两个物体组成一个系统，外界对系统内物体有力的作用（系统外力），系统内物体之间也 有相互作用（系统内力），则对 1： F 1 + F 21 m 1a 1 对 2： F + F =2 12m 2a 2其中， F 21 = -F 12联立，得： F 1 + F 2= m 1a 1 +m 2a 2这个方程中，等式左边只剩下系统外力，等式右边则是各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢量相 加。

上述推导中，研究对象只有两个，但是很容易将上述结论推广到任意多个研究对象，方法仍然是分别 对各个物体列动力学方程，然后相加——由于内力总是成对出现，且每对内力总是等大反向，因此相加的结果仍然是：等式左边只剩下系统外力，等式右边则是各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢量相加。

这个结论就是系统的牛顿第二定律，其通式为：或者： ∑ F = ∑ F 外 = m 1a 1 + m 2a 2 + m 3a 3 + ...， ∑2、理解外xm 1a 1x + m 2a 2 x + m 3a 3 x + ... F 外y = m 1a 1 y + m 2a 2 y + m 3a 3 y + ... 系统的牛顿第二定律表达式左边只有系统外力，因此它只适用于处理系统外力相关问题，一旦涉及系 统内力，则只能用隔离法。

系统的牛顿第二定律表达式右边为“各个部分的质量乘以相应的加速度然后矢 量相加”，因此并不要求各个部分相对静止——各个部分有相对速度、相对加速度时，仍然可以选系统为 研究对象，使用整体法处理问题。

系统的牛顿第二定律及应用一、系统的牛顿第二定律若将系统受到的每一个外力，系统内每一物体的加速度均沿正交坐标系的x轴与y轴分解，则系统的牛顿第二定律的数学表达式如下：F1x+F2x+…=m1a1x+m2a2x+…F1y+F2y+…=m1a1y+m2a2y+…与采用隔离法、分别对每一物体应用牛顿第二定律求解不同的是，应用系统的牛顿第二定律解题时将使得系统内物体间的相互作用力变成内力，因而可以减少不必求解的物理量的个数，导致所列方程数减少，从而达到简化求解的目的，并能给人以一种赏心悦目的感觉，现通过实例分析与求解，说明系统的牛顿第二定律的具体应用，并力图帮助大家领略到应用系统的牛顿第二定律求解的优势。

二、系统的牛顿第二定律的应用1、求系统所受到的外力例1 在图1中，A为电磁铁，C为胶木秤盘，A和C（包括支架）的总质量为M。

B为铁片，质量为m。

整个装置用轻绳悬挂于O点。

当电磁铁通电，铁片被吸引上升的过程，轻绳上的拉力F的大小为（）A、F＝MgB、Mg<F<(m+M)gC、F=(m+M)gD、F>(m+M)g分析与解以A、B、C系统为研究对象，它受到的外力为竖直向下的重力（m+M）g，绳对系统竖直向上的拉力F（电磁铁A与铁片B间的相互引力为内力）。

A、C的加速度为0，铁片上升时向上的加速度不为0。

若以竖直向上方向为正向，设某时刻铁片B向上的加速度为a，则由系统的牛顿第二定律得F－(m+M)g=ma∴F=(m+M)g+ma>(m+M)g因此，应选正确答案D。

例2 如图2所8示，一根长为l的轻杆，两端各固定一个质量均为m 的小球A和B。

若轻杆以它的中点O为轴在竖直平面内转动，求轻杆转到竖直位置时，杆对轴的作用力。

分析与解取小球A、B及杆为研究对象，它受到竖直向下的重力2mg，轴对它竖直向上的弹力N.A、B在最低点与最高点时向心加速度恰为反向。

若取竖直向上方向为正向，由系统的牛顿第二定律得：N－2mg=maA +maB∵aA =－aB∴N=2mg由牛顿第三定律知杆对轴的弹力大小为2mg，方向竖直向下。

贞眉内容系统牛顿第二定律（质点系牛顿第二定律）主讲：黄冈中学教师郑成1、质虽M=10kg的木楔ABC伸止于粗糙水平地rfn•上，如图，动摩擦因数u =0.02.在木楔的倾角a =30° 的斜面上.有一质Sm=L0kg的物块，由静止开始沿斜ifii下湖W滑行至Al.4m时.速度v=l-4m/s. 在这过程木楔没有动•求地面对木楔的摩擦力的大小、方向和地面对木楔的支持力.（g=10m/s2）解法（隔离法〉先隔离物块根据运动学公式得:—a =——---v^=2as 2x14 =0・7m/s2<gsin o =5m/s^可见物块m受到沿斜而向上的滑动摩擦力.对物休m为对盘YF* = mg sin 30° -/ = yna = f = 43N 码=N-初gcos3Cr = 0=>N=5 筋N对斜面M：假设地面对M静摩擦力向右:而 N- =N='"'^N, f ，=f=43N^f^=_Nsjn30 4-fcos30" =-0.61N说明地tfti 对斜面M 的静摩擦力f«=0-61N.负号表示方向水平向左.可求出地面对斜面M 的支持力N «N sin30° -N' cos30° -Mg=O nN“=fsin30° + Ncos30° +Mg=109,65N<(M + m)g=110N W m 有沿斜ifii 向下的加速度分S ・故整休可看作失重状态常规方法可采用隔离法.也可采用对系统到牛顿第一定律方程.解法一：系统牛顿第二定律:a = — = 0,7m/s^ 把物块m 和斜面M 严I 作一个系统•则：2s X ： f ift=MxO +macos30、=0,61N 水平向左 屮(M + m)g-N xMxO+masin3O°m=(M + m)g-ma sin30° =109,56N方法一：卅连接体各物休加速度不同时, * =miaix+m2a2)c+…+ mnaru » =miaiy+m2a2y+・・・ + mnany例2：如图所示.一质S为M的楔形木块放在水平桌面上.它的顶角为90° •两底角为a和P： a. b为两个位于斜面上质S均为m的小木块.已知所有接触tfli都是光滑的，现发现a、b沿斜面下滑，而楔形木块静止不动，求楔形木块对水平桌面的圧力和静摩擦力解法一：隔离法N it=mg + mgcosPsina +mgcosa sin0 =Mg+mg(sin2a d-cos^a )=Mg + mg(M+2m)g-N沪MxO+mgsirPa d-mgsin^pN 雄=(M + m)gNa=mgcosa Nb=mgcosP解法一：系统牛顿第二定律列方程:向右为正方向：f «= MxO + mgsin a cos a — mgsin P cos P =0。

系统的牛顿第二定律牛顿第二定律是经典力学中的一个基本原理，描述了物体运动的规律。

它是由英国物理学家艾萨克·牛顿在17世纪晚期发表的。

这个定律不仅对学习力学和物理有着重要意义，也广泛应用于工程学、天文学等领域。

牛顿第二定律的基本表述是：当一个物体受到力作用时，它的加速度与作用在它身上的力成正比，与物体的质量成反比。

具体地，物体的加速度等于作用在它身上的力与物体质量的比值，即 F=ma。

其中，F代表物体所受的力，m代表物体的质量，a代表物体的加速度。

牛顿第二定律可以解释为什么物体在受到力的作用下会发生加速度。

当一个物体受到外力时，根据定律，它将产生与作用力大小和方向相同的加速度。

同时，物体的质量越大，它对相同大小的外力产生的加速度越小，反之亦然。

我们可以举个例子来理解这个原理：如果我们用相同的力推动一辆小汽车和一辆大货车，小汽车会比大货车产生更大的加速度，因为小汽车的质量较小。

牛顿第二定律在实际应用中具有重要的指导意义。

首先，它可以用于解析和计算物体的运动状态。

通过已知物体的质量和作用力，我们可以计算出物体的加速度，并根据时间的变化来描述它的运动轨迹。

在工程学中，牛顿第二定律是设计和优化机械系统的基础，例如汽车、火箭等。

其次，基于牛顿第二定律，我们可以理解和解决力学中的许多实际问题，例如摩擦力、空气阻力等。

这些力都可以通过施加在物体上的力来计算，并进一步研究如何减小这些力对物体运动的影响。

除了对物体运动有指导意义外，牛顿第二定律还与牛顿第一定律和牛顿第三定律相互联系。

牛顿第一定律指出，当物体受到外力平衡时，它将保持静止或匀速运动。

牛顿第三定律指出，任何两个物体之间的相互作用力大小相等、方向相反。

通过结合这三个定律，我们可以深入理解物体之间的作用力、加速度和运动之间的关系，从而更全面地研究物体的运动规律。

总结起来，牛顿第二定律是研究物体运动的基本定律之一。

它描述了力、质量和加速度之间的关系，为我们理解物体运动提供了重要的工具。

系统中牛顿第二定律及其在整体法中的应用一、创新拓展 若系统由2个物体组成，两物体受到的外力分别为Ｆ1，Ｆ2,两物体的质量分别为ｍ1，ｍ2，对应的加速度分别为ａ1，ａ2,. 该系统受到的合外力为Ｆ，则对两个物体用牛顿第二定律有：Ｆ1=m 1 a 1 , F 2= m 2 a 2, 上式两边相加得：F 1+F 2=m 1 a 1+ m 2 a 2 即F= m 1 a 1+ m 2 a 2 这就是系统中的牛顿第二定律的数学表达式，其表述为：系统受到的合外力等于系统内各物体的质量与其加速度乘积的矢量和。

其正交分解的表达式为：F x =m 1 a 1x +m 2 a 2x ；F y =m 1 a 1y +m 2 a 2y . 若系统内有n 个物体，则系统中的牛顿第二第律的数学表达式为：F =m 1 a 1 +m 2 a 2 +…+m n a n 或正交分解式为F x =m 1 a 1x +m 2 a 2x +…+m n a nx ； F y =m 1 a 1y +m 2 a 2y +…+m n a ny二、应用范例整体法是物理中常用的一种思维方法。

它是将几个物体看作一个整体来作为研究对象即系统，这样就暂时回避了这些物体间的相互作用的内力，只考虑整体受到的外力，整体法列出的方程数目较少，解题变的简明快捷。

但运用整体法的条件是暂不求物体间的相互作用力，各个物体的加速度要相同，没有相对运动。

当各个物体的加速度不相同时，运用整体法求解就遇到了困难。

由于系统中的牛顿第二定律对系统中的物体无论有无相对运动，都可以求解，不受各个物体的加速度一定相同的限制。

对于由多个物体组成的系统，如果所求问题暂不涉及或不涉及系统内的作用力，系统中只有一个物体有加速度，而其它物体无加速度（静止或匀速），或者多个物体的加速度在同一直线上，不会出现繁琐的矢量运算时，可以运用系统中的牛顿第二定律求解。

故系统中的牛顿第二定律在原整体法的基础上使解题的范围扩大，给整体法赋予了新的生命力，对于解答多体动力学问题，简单方便，迅速准确，能起到出奇制胜的效果。

牛顿定律的专题一、运动学和力学结合1、如图所示，两细绳与水平车顶夹角分别为60°和30°，物体质量为m，当小车以大小为2g的加速度向右做匀加速直线运动时，求绳1和绳2的拉力大小。

（g为重力加速度）2、建筑工人用如图所示的定滑轮装置运送建筑材料。

质量M=60kg的工人站在水平地面上，通过定滑轮将m=20kg 的建筑材料以a=1m/s²的加速度竖直向上加速提升，工人拉绳方向与水平方向成53°。

忽略绳子和定滑轮的质量及两者间的摩擦，求工人在提升建筑材料过程中，（g=10m/s²，sin53°=0.8，cos53°=0.6）求：（1）绳子对建筑材料拉力的大小；（2）地面对工人的摩擦力的大小。

3、一辆货车运载着完全相同的圆柱形光滑空油桶（质量均为m）在水平路面行驶。

在车厢底，一层油桶平整排列，相互紧贴并被牢牢固定，一只桶C自由地摆放在桶A、B之间，和汽车一起保持静止，如图所示，已知重力加速度为g。

（1）若汽车向左匀速运动，求桶A对C的支持力大小；（2）若汽车向左以a0=√3g，的加速度加速运动时，桶C即将脱离A，求此时桶C对桶B的压力大小。

34、用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件，为使工件保持固定，将其置于两光滑斜面之间，如图所示。

两斜面I、Ⅱ固定在车上，倾角分别为30°和60°。

重力加速度为g。

求：（1）当卡车沿平直公路匀速行驶时，圆筒对斜面I、Ⅱ压力的大小F1、F2分别为多少?g，斜面I、Ⅱ对圆筒压力的大小F3、F4分别为多少?（2）当卡车沿平直公路做匀加速直线运动且加速度a大小为√36二、牛顿第二定律求瞬时突变问题5、如图所示，放在粗糙固定斜面上的物块A和小球B均处于静止状态，轻绳AB绕过光滑的定滑轮与轻弹簧的右端连接在小球B上，轻弹簧中轴线沿水平方向，轻绳的BC段与竖直方向的夹角θ=53°，斜面倾角α=37°，物块A和小球B的质量分别为m A=5kg，m B=1.5kg，弹簧的劲度系数k=500N/m（sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度g=10m/s²）,求：（1）弹簧的伸长量x;（2）物块A受到的摩擦力大小和方向；（3）剪断BC绳瞬间，求B的加速度大小。