高中物理 04 运动与力的关系、牛顿一、二

陈一男学习网站[ ChenYinan.com ] - 中国物理学会 - 中国院士 - GeoGebra - 物理基础

牛顿第一定律

内容：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

理解：

物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，这种性质叫做惯性。牛顿第一定律也叫惯性定律。

力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。例如，当汽车突然刹车时，乘客的身体会向前倾，这是因为乘客具有惯性，在汽车刹车时，身体仍保持原来的运动状态继续向前运动。

牛顿第二定律

内容：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且加速度的方向跟作用力的方向相同。

公式：\(F = ma\)，其中\(F\)是物体所受的合外力，\(m\)是物体的质量，\(a\)是物体的加速度。

理解：

加速度\(a\)与合外力\(F\)是瞬时对应关系，力发生变化时，加速度也随之变化。

加速度\(a\)与质量\(m\)成反比，质量越大，加速度越小，即物体的惯性越大，运动状态越难改变。

当合外力为零时，加速度为零，物体保持匀速直线运动状态或静止状态，这与牛顿第一定律相呼应。

运动与力的关系

力与加速度：根据牛顿第二定律，力是产生加速度的原因。合外力不为零时，物体将产生加速度，加速度的方向与合外力的方向相同，加速度的大小与合外力成正比，与物体的质量成反比。例如，一个质量为\(2kg\)的物体受到一个大小为\(10N\)的合外力作用，根据\(F = ma\)，可得物体的加速度\(a=\frac{F}{m}=\frac{10N}{2kg}=5m/s^{2}\)。

加速度与速度：加速度是描述速度变化快慢的物理量，加速度与速度并无直接的决定关系。加速度方向与速度方向相同时，物体做加速运动，速度增大；加速度方向与速度方向相反时，物体做减速运动，速度减小。例如，一辆汽车以\(20m/s\)的速度行驶，当它受到一个与速度方向相同的\(2m/s^{2}\)的加速度作用时，汽车将做加速运动，经过\(5s\)后的速度为\(v = v_{0}+at = 20m/s + 2m/s^{2}×5s = 30m/s\)。而当汽车受到一个与速度方向相反的\(3m/s^{2}\)的加速度作用时，汽车将做减速运动，经过\(5s\)后的速度为\(v = 20m/s - 3m/s^{2}×5s = 5m/s\)。

运动状态的改变：物体运动状态的改变是指物体速度的大小或方向发生改变。只要物体的加速度不为零，其运动状态就会发生改变。例如，物体做匀速圆周运动时，虽然速度大小不变，但速度方向不断变化，所以物体具有加速度，其运动状态在不断改变。

应用举例

超重和失重现象：当物体具有向上的加速度时，物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受的重力，这种现象叫做超重；当物体具有向下的加速度时，物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受的重力，这种现象叫做失重。例如，在电梯加速上升时，人会感觉身体变重，处于超重状态；而在电梯加速下降时，人会感觉身体变轻，处于失重状态。超重和失重现象可根据牛顿第二定律进行分析和计算。

斜面问题：在斜面上放置一个物体，物体受到重力、支持力和摩擦力的作用。根据物体的受力情况和牛顿第二定律，可以计算出物体在斜面上的加速度以及物体是否会下滑等。例如，一个质量为\(m\)的物体放在倾角为\(\theta\)的斜面上，若斜面光滑，物体受到的合外力为\(mg\sin\theta\)，根据\(F = ma\)，可得物体沿斜面下滑的加速度为\(a = g\sin\theta\)。

牛顿第一定律和牛顿第二定律是经典力学的核心内容，它们揭示了运动与力之间的基本关系，为解决各种动力学问题提供了理论基础，在高中物理学习中具有重要地位。