高三物理 第三章 牛顿运动定律

一、牛顿第一定律

一切物体总保持匀速运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。 1．牛顿第一定律导出了力的概念

力是改变物体运动状态的原因。（运动状态指物体的速度）又根据加速度定义：av，t有速度变化就一定有加速度，所以可以说：力是使物体产生加速度的原因。（不能说“力是产生速度的原因”、“力是维持速度的原因”，也不能说“力是改变加速度的原因”。）

2．牛顿第一定律导出了惯性的概念

一切物体都有保持原有运动状态的性质，这就是惯性。惯性反映了物体运动状态改变的难易程度（惯性大的物体运动状态不容易改变）。质量是物体惯性大小的量度。

（静止的物体有惯性，运动的物体也有惯性。同一个物体，放在光滑水平面上用水平力推能推动；放在粗糙水平面上用同样大小的水平力推没推动。能不能说该物体在光滑水平面上时的惯性小，在粗糙水平面上时的惯性大？不能，这里的力应该理解为合外力。）

3．牛顿第一定律描述的是理想化状态

牛顿第一定律描述的是物体在不受任何外力时的状态。而不受外力的物体是不存在的。物体不受外力和物体所受合外力为零是有区别的，所以不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特例。 二、牛顿第三定律

两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。 1．区分一对作用力反作用力和一对平衡力

一对作用力反作用力和一对平衡力的共同点有：大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。不同点有：作用力反作用力作用在两个不同物体上，而平衡力作用在同一个物体上；作用力反作用力一定是同种性质的力，而平衡力可能是不同性质的力；作用力反作用力一定是同时产生同时消失的，而平衡力中的一个消失后，另一个可能仍然存在。

2．一对作用力和反作用力的冲量和功

一对作用力和反作用力在同一个过程中（同一段时间或同一段位移）的总冲量一定为零，但作的总功可能为零、可能为正、也可能为负。这是因为作用力和反作用力的作用时间一定是相同的，而位移大小、方向都可能是不同的。 三、牛顿第二定律

物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同。即F=ma 。

特别要注意表述的第三句话。因为力和加速度都是矢量，它们的关系除了数量大小的关系外，还有方向之间的关系。明确力和加速度方向，也是正确列出方程的重要环节。

1．对应性

若F为物体受的合外力，那么a表示物体的实际加速度；若F为物体受的某一个方向上的所有力的合力，那么a表示物体在该方向上的分加速度；若F为物体受的若干力中的某一个力，那么a仅表示该力产生的加速度，不是物体的实际加速度。

2．重要意义

牛顿第二定律确立了力和运动的关系。牛顿第二定律明确了物体的受力情况和运动情况之间的定量关系。联系物体的受力情况和运动情况的桥梁或纽带就是加速度。

3．应用牛顿第二定律解题的步骤

①明确研究对象。可以以某一个物体为对象，也可以以几个物体组成的质点组为对象。设每个质点的质量为mi，对应的加速度为ai，则有：F合=m1a1+m2a2+m3a3+……+mnan

对此结论的证明：分别以质点组中的每个物体为研究对象用牛顿第二定律：∑F1=m1a1，

∑F2=m2a2，……∑Fn=mnan，将以上各式等号左、右分别相加，左边所有力中，凡属于系统

内力的，总是成对出现并且大小相等方向相反的，其矢量和必为零，所以最后得到的是该质点组所受的所有外力之和，即合外力F。

②对研究对象进行受力分析。同时还应该分析研究对象的运动情况（包括速度、加速度），并把速度、加速度的方向在受力图旁边画出来。

③若研究对象在不共线的两个力作用下做加速运动，一般用平行四边形定则（或三角形定则）解题；若研究对象在不共线的三个以上的力作用下做加速运动，一般用正交分解法解题（注意灵活选取坐标轴的方向，既可以分解力，也可以分解加速度）。

④当研究对象在研究过程的不同阶段受力情况有变化时，必须分阶段进行受力分析，分阶段列方程求解。

⑤注意临界条件的分析。凡是题目中出现“刚好”、“恰好”等字样的，往往要利用临界条件。所谓“临界”，就是物体处于两种不同的状态之间，可以认为它同时具有两种状态下的所有性质。在列方程时，要充分利用这种两重性。

4．应用举例

例1．物体在N个力作用下处于静止，若将其中某一个力的方向保持不变，大小逐渐减小到零后再逐渐恢复到原值并保持该值。在其他力都保持不变，物体将做怎样的运动？

解：物体将沿该力的反方向先做加速度逐渐增大的加速运动，接着做加速度逐渐减小的加速运动，最后保持匀速运动。（注意平衡和静止的区别；还要注意另外N-1个力是否变化。）其速度图象如右图所示，OA段对应的是该力减小过程，AB段对应的是该力恢复原大过程，BC段对应的是保持原值后的过程。

例2．如图所示，轻弹簧下端固定在水平面上。一个小球从弹簧正上方某

一高度处由静止开始自由下落，接触弹簧后把弹簧压缩到一定程度后停止下落。在小球下落的这一全过程中，下列说法中正确的是

A．小球刚接触弹簧瞬间速度最大 B．从小球接触弹簧起加速度变为竖直向上

C．从小球接触弹簧到到达最低点，小球的速度先增大后减小 D．从小球接触弹簧到到达最低点，小球的加速度先减小后增大

解：小球的加速度大小决定于小球受到的合力。从接触弹簧到到达最低点，弹力从零开始逐渐增大，所以合力先减小后增大，因此加速度先减小后增大。当合力与速度同向时小球速度增大，所以当小球所受弹力和重力大小相等时速度最大。选CD。其速度图象如右图所示，OA段对应自由下落阶段；AB段对应弹力逐渐增大到等于重力阶段；BC段对应减速下降阶段。

例3. 如图所示，质量m =4kg的小球挂在小车后壁上，细线与竖直方向成37º角。求：⑴小车以a=g向右加速；⑵小车以a=g向右减速时，细线对小球的拉力F1和后壁对小球的压力F2各多大？

解：⑴向右加速时小球对后壁必然有压力，球在三个共点力作用下向右加速。合外力向右，F2向右，因此G和F1的合力一定水平向左，所以 F1的大小可以用

F1 G F1 v a F2 v a G O t1 t2 v A C t t3 B O t1 t2 A t v B C 平行四边形定则求出：F1=50N，可见向右加速时F1的大小与a无关；F2可在水平方向上用牛顿第二定律列方程：F2-0.75G =ma计算得F2=70N。可以看出F2将随a的增大而增大。（这种情况下用平行四边形定则比用正交分解法简单。）

⑵必须注意到：向右减速时，F2有可能减为零，这时小球将离开后壁而“飞”起来。这时细线跟竖直方向的夹角会改变，因此F1的方向会改变。所以必须先求出这个临界值。当时G和F1的合力刚好等于ma，所以a的临界值为a3g。当a=g时小球必将离开后壁。4不难看出，这时F1=2mg=56N， F2=0

例4．如图所示，质量m=4.0kg的物体与地面间的动摩擦因数为μ=0.50，在与水平成

θ=37º角的恒力F作用下，从静止起向右前进t1=2.0s后撤去F，又经过t2=4.0s物体刚好停

下。求：F的大小、最大速度vm、总位移s。

解：由运动学知识可知：前后两段匀变速直线运动的加速度a与时间t成反比，而第二段中μmg=ma2，加速度a2=μg=5m/s2，所以第

一段中的加速度一定是a1=10m/s2。再由方程Fcos(mgFsin)ma1可求得：F=54.5N

第一段的末速度和第二段的初速度相等都是最大速度，可以按第二段求得：vm=a2t2=20m/s；由于两段的平均速度和全过程的平均速度相等，所以s注意：在撤去拉力F前后，物体受的摩擦力发生了改变。 四、连接体（质点组）

在应用牛顿第二定律解题时，有时为了方便，可以取一组物体（一组质点）为研究对象。这一组物体一般具有相同的速度和加速度，但也可以有不同的速度和加速度。以质点组为研究对象的好处是可以不考虑组内各物体间的相互作用，这往往给解题带来很大方便。使解题过程简单明了。

例5．如图所示，A、B两木块的质量分别为mA、mB，在水平推力F作用下沿光滑水平面匀加速向右运动，求A、B间的弹力N。

解：这里有a、N两个未知数，需要要建立两个方程，要取两次研究对象。比较后可知分别以B、（A+B）为对象较为简单（它们在水平方向上都

mB只受到一个力作用）。可得NF。

mAmB方向推A、B向上加速的问题，有趣的是，答案是完全一样的。

例6．如图，倾角为α的斜面与水平面间、斜面与质量为m的木块间的动摩擦因数均为μ，木块由静止开始沿斜面加速下滑时斜面始终保持静止。求水平面给斜面的摩擦力大小和方向。

解：以斜面和木块整体为研究对象，水平方向仅受静摩擦力作用，而整

体中只有木块的加速度有水平方向的分量。先以木块为研究对象，求出木块沿斜面下滑的加速度agsincos，再在水平方向对质点组用牛顿第二定律，很容易得到：

α F A B v

a θ F vm(t1t2)60m 2这个结论还可以推广到水平面粗糙时（A、B与水平面间μ相同）；也可以推广到沿斜面

fmg(sincos)cos。

如果给出斜面的质量M，本题还可以求出这时水平面对斜面的支持力大小为： N=Mg+mg(cosα+μsinα)cosα，这个值小于静止时水平面对斜面的支持力。

例7．如图所示，mA=1kg，mB=2kg，A、B间静摩擦力的最大值是5N，水平面光滑。用水平力F拉B，当拉力大小分别是F=10N和F=20N时，A、B的加速度各多大？

A B F 解：先确定临界值，即刚好使A、B发生相对滑动的F值。当A、B间的静摩擦力达到5N时，即可以认为它们仍然保持相对静止，有共同的加速度，又可以认为它们间已经发生了相对滑动，A在滑动摩擦力作用下加速运动。这时以A为对象得到a =5m/s2；再以A、B系统为对象得到 F =(mA+mB)a =15N。

⑴当F=10N<15N时， A、B一定仍相对静止，所以aAaBF3.3m/s2

mAmB⑵当F=20N>15N时，A、B间一定发生了相对滑动，用质点组牛顿第二定律列方程：

FmAaAmBaB，而a A =5m/s2，于是可以得到a B =7.5m/s2

例8．打夯机的原理可以简化成一个质量为M的支架（含电动机）上由一根轻杆带动一个质量为m的质点，质点在长l的杆带动下以角速度ω匀速转动。求：⑴为了使当铁球转动到最高点时支架对地面的压力刚好是零，ω=？⑵在上述角速度下，当铁球转动到最低点时支架对地面的压力是多大？

解：⑴以质点组为对象，只有铁球有向下的加速度：(M+m)g=mlω2，⑵只有铁球有向上的加速度：N-(M+m)g=mlω2，因此N=2(M+m)g 五、超重和失重

根据二力平衡的原理，可以在平衡状态下利用弹簧秤称物体的重量。这时弹力和重力大小相等，因此弹簧秤上的示数（视重）就是被称物体的重量。当系统处于加速状态时，二力平衡被打破，弹力和重力大小不再相等。这时弹簧秤的示数（视重）不再等物体的重量。这种现象被称为超重或失重。

1．当物体存在向上的加速度时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力大于重力，这种现象叫做超重。（加速上升或减速下降或竖直面内圆周运动到最低点时刻等）即视重大于物体的实际重量。

2．当物体存在向下的加速度时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力小于重力，这种现象叫做失重。（加速下降或减速上升或竖直面内圆周运动到最高点时刻等）即视重小于物体的实际重量。

3．当物体向下的加速度大小为g时，对支持物的压力或对悬挂物的拉力为零，这种现象叫做完全失重。（自由下落或竖直上抛或沿圆轨道正常运行的人造卫星内的物体）即视重减小到零。

4．无论是超重还是失重，物体的重量实际上都没有改变，只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力大小发生了变化，即“视重”发生了变化。

例9．⑴航天器从地面竖直向上加速发射阶段、在轨道上绕地球做匀速圆周运动阶段、回收过程进入大气层竖直向下减速降落阶段，分别处于什么状态？

⑵航天飞机在绕地球做匀速圆周运动时，宇航员做科学实验时，下列说法正确的是 A．不能用天平称量物体的质量 B．不能用弹簧测力计测力

C．不能用水银气压计测舱内的气压 D．不能用点燃酒精灯的方法给试管加热 解：⑴超重、完全失重、超重。⑵ACD

六、向心力和向心加速度（牛顿第二定律在圆周运动中的应用）

M m Mmg。

ml1．做匀速圆周运动物体所受的合力为向心力

“向心力”是一种效果力。任何一个力，或者几个力的合力，或者某一个力的某个分力，只要其效果是使物体做匀速圆周运动的，都可以作为向心力。

2．一般地说，当做圆周运动物体所受的合力不指向圆心时，可以将它沿半径方向和切线方向正交分解，其沿半径方向的分力为向心力，只改变速度的方向，不改变速度的大小；其沿切线方向的分力为切向力，只改变速度的大小，不改变速度的方向。

做圆周运动物体所受的向心力和向心加速度的关系同样遵从牛顿第二定律：Fn=man在列方程时，根据物体的受力分析，在方程左边写出外界给物体提供的合外力，右边写出物体

22需要的向心力（可选用mv或m2R或m。如果沿半径方向的合外力R等各种形式）

RT大于做圆周运动所需的向心力，物体将做向心运动，半径将减小；如果沿半径方向的合外力

2小于做圆周运动所需的向心力，物体将做离心运动，半径将增大。

3．圆锥摆

圆锥摆是运动轨迹在水平面内的一种典型的匀速圆周运动。其特点是由物体所受的重力与弹力的合力充当向心力，向心力的方向水平。也可以说是其中弹力的水平分力提供向心力（弹力的竖直分力和重力互为平衡力）。

例10．一根长l的轻绳，上端固定在天花板上，下端系一个质量为m的小球。让小球在水平面内做圆周运动，轻绳与竖直方向的夹角为θ。求：轻绳受到的拉力N、小球做圆周运动的周期T和线速度v。

解：重力G与弹力N的合力F充当向心力，且向心力方向水平指向圆心O/（不是悬点O）。由平行四边形定则知拉力N=mg/cosθ。

mgtanθ=mv2/r=mrω2，而r=lsinθ，ω=2π/T，由以上各式得：

vgRtansin,T2Rcos2gh（式中h为小球轨道平面到球心g，

θ G F O/ O N θ 的高度）。可见，θ越大（即轨迹所在平面越高），v越大，T越小。

本题的分析方法和结论同样适用于火车转弯、飞机在水平面内做匀速圆周飞行、摩托车进行飞车走壁表演等在水平面内的匀速圆周运动的问题。共同点是由重力和弹力的合力提供向心力，向心力方向水平。

常见的水平面内的匀速圆周运动还有：汽车在水平面内转弯、物体随转盘做匀速圆周运动等，这两种情况下，都是静摩擦力充当向心力。

例11．如图所示，两个小物块P、Q放在水平圆盘上，质量分别为m1、m2。它们与圆盘间的动摩擦因数都是μ。P、Q间用长l的细线相连。P放在圆盘的转动轴处，P、Q间的细线刚好被拉直。圆盘开始做转速逐渐增大的圆周运动。当角速度ω增加到多大时，P、Q开始相对于圆盘滑动？

解：ω很小时，Q的向心力由静摩擦力提供；当静摩擦力达到最大值后，细线开始有拉力产生；P所受拉力和静摩擦力平衡；当拉力达到P的最大静摩擦力时，为临界状态。ω再增大时，P、Q将一起研半径向外滑动。

P Q ω m1gm2gm2l2，因此m1m2gm2l

4．竖直面内圆周运动最高点处的受力特点及分类

这类问题的特点是：由于机械能守恒，物体做圆周运动的速率时刻在改变，物体在最高

F G 绳 F G 点处的速率最小，在最低点处的速率最大。物体在最低点处向心力向上，而重力向下，所以弹力必然向上且大于重力；而在最高点处，向心力向下，重力也向下，所以弹力的方向就不能确定了，要分三种情况进行讨论。

mv2mg ⑴弹力只可能向下，如绳拉球。这种情况下有FmgR即v≥gR，否则不能通过最高点。

mv2mg,vgR，⑵弹力只可能向上，如车过桥。在这种情况下有：mgFR否则车将离开桥面，做平抛运动（当车落回路面时由于压力突然增大，可能引起爆胎，不安全）。

⑶弹力既可能向上又可能向下，如管内转（或杆连球、环穿珠）。这种情况下，速度大小v可以取任意值。但可以进一步讨论：①当vgR时物体受到的弹力必然是向下的；当

vgR时物体受到的弹力必然是向上的；当vgR时物体受到的弹力恰好为零。②当弹

力大小Fmg时，向心力只有一解：F +mg。

例12．如图所示，杆长为L，球的质量为m，杆连球在竖直平面内绕轴O自由转动，已知在最高点处，杆对球的弹力大小为F=mg/2，求这时小球的瞬时速度大小。

解：小球所需向心力向下，本题中F=mg/2＜mg，所以弹力的方向可能向上也mv2可能向下。若F向上，则mgF,vLmv2mgF,vL3gL 2L O gL；若F向下，则2本题是杆连球绕轴自由转动，根据机械能守恒，还能求出小球在最低点的瞬时速度。 需要注意的是：若题目中说明小球在杆的带动下在竖直面内做匀速圆周运动，则运动过程中小球的机械能不再守恒，这两类题务必加以区分。 七、万有引力 人造卫星

基本问题是研究星体（包括人造星体）在万有引力作用下做匀速圆周运动。 1．用万有引力定律求中心星球的质量和密度

当一个星球绕另一个星球做匀速圆周运动时，设中心星球质量为M，半径为R，环绕星球质量为m，线速度为v，公转周期为T，两星球相距r，由万有引力定律有：

GMmmv2v2r42r32，可得出，由r、v或r、T就可以求出中Mmr22GGTrrT心星球的质量。

23r343将中心星球看做均匀球体，有MR，可得中心星球的平均密度；

GT2R33如果环绕星球离中心星球表面很近，即满足r≈R，那么中心星球的平均密度2．双星

宇宙中往往会有相距较近，质量可以相比的两颗星球，它们离其它

ω m1 r1 O r2 m2 3。 GT2星球都较远，因此其它星球对它们的万有引力可以忽略不计。在这种情况下，它们将各自围绕它们连线上的某一固定点做同周期的匀速圆周运动。这种结构叫做双星。

⑴由于双星和该固定点总保持三点共线，所以在相同时间内转过的角度必相等，即双星做匀速圆周运动的角速度必相等，因此周期也必然相同。

⑵由于每颗星的向心力都是由双星间相互作用的万有引力提供的，因此大小必然相等，由F=mrω2，得r1m2m1L,r2L，即固定点离质量大的星较近。，因此r1mm1m2m1m2由于角速度相同，还可推出线速度大小跟质量成反比：v=rω∝r1。 m⑶特别需要注意：万有引力定律表达式中的r表示双星间的距离，按题意应该是L，而向心力表达式中的r表示它们各自做圆周运动的半径，在本题中为r1、r2，千万不可混淆。

当我们只研究地球和太阳系统或地球和月亮系统时（其他星体对它们的万有引力相比而言都可以忽略不计），其实也是一个双星系统，只是中心星球的质量远大于环绕星球的质量，因此固定点几乎就在中心星球的球心。可以认为中心星球是固定不动的。

3．万有引力和重力的关系

一般的星球都在不停地自转，因此星球表面上的物体所受的万有引力F有两个作用效果：一个是重力G，一个是向心力fn。它们间的关系是：F=G+ fn（F是G和fn的矢量和）。

地球表面的物体所受到的向心力fn的大小不超过重力G的0.35%，因此在计算中可以认为万有引力和重力大小相等，即mgGMm。 2R例13．最近，科学家在望远镜中看到太阳系外某一恒星有一行星，并测得它围绕该恒星运行一周所用的时间为1200年，它与该恒星的距离为地球到太阳距离的100倍。假定该行星绕横行运行的轨道和地球绕太阳运行的轨道都是圆周，仅利用以上两个数据可以求出的量有

A．恒星质量与太阳质量之比 B．恒星密度与太阳密度之比 C．行星质量与地球质量之比 D．行星运行速度与地球运行速度之比

42r3r3GMm22，带入数据可得解：万有引力充当向心力mr，可得M22GTTrT该恒星质量与太阳质量之比为1∶1.44；密度比需要知道恒星和太阳半径之比，题目中未给出；行星质量在方程两边被约去，也不能求得；由v球运行速度之比为1∶12。本题选AD。

例14．某行星自转周期是6小时。在该行星赤道上称得某物体的重力是同一物体在两极称得的重力的90%，求该行星的平均密度。

2，解：由已知，该星球赤道上物体所受的向心力是万有引力的10%，GMmmR10R2T222rr，可得行星运行速度与地TT4而星球质量MR3，由以上两式可得ρ=3.0×103kg/m3

34．人造卫星（只讨论绕地球做匀速圆周运动的人造卫星）

和星球表面上的物体不同，人造卫星所受的万有引力只有一个作用效果，就是使它绕

星球做匀速圆周运动，因此万有引力等于向心力。又由于我们定义重力是由于地球的吸引而使物体受到的力，因此可以认为对卫星而言，F=G= fn

⑴人造卫星的线速度和周期。人造卫星的向心力是由地球对它的万有引力提供的，因此

2GMmmvGM1和2，由此可得到两个重要的结论：有：mrvrr2rTr2r3T2r3。可以看出，人造卫星的轨道半径r、线速度大小v和周期T是一一对应

GM的，其中一个量确定后，另外两个量也就唯一确定了。离地面越高的人造卫星，线速度越小而周期越大。

⑵近地卫星。近地卫星的轨道半径r可以近似地认为等于地球半径R，又因为地面附近

gGM，所以有vR2gR7.9103m/s，T2R5.06103s=84min。它们分别是g绕地球做匀速圆周运动的人造卫星的最大线速度和最小周期。

⑶同步卫星。“同步”的含义就是和地球保持相对静止（又叫静止轨道卫星），所以其周期等于地球自转周期，既T=24h，根据⑴可知其轨道半径是唯一确定的，经过计算可求得同步卫星离地面的高度为h=3.6×107m≈5.6R地（3.6万公里），而且该轨道必须在地球赤道的正上方，卫星的运转方向必须是由西向东。

例15．已知地球质量大约是月球质量的81倍，地球半径大约是月球半径的4倍。不考虑地球、月球自转的影响，由以上数据可推算出

A．地球的平均密度与月球的平均密度之比约为9∶8 B．地球表面重力加速度与月球表面重力加速度之比约为9∶4

C．靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器的周期与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器的周期之比约为 8∶9

D．靠近地球表面沿圆轨道运行的航天器线速度与靠近月球表面沿圆轨道运行的航天器线速度之比约为 81∶4

mmm3解：解根据密度的定义：V43R，带入已知得ρ地∶ρ月=81∶64

R3Gmm由于不考虑自转，万有引力等于重力，g22，带入已知得g地∶g月=81∶16

RRGmm0m0v22设航天器质量为m0，万有引力充当向心力：， m0R2TRR2R3得T2GmGmR3和vRmm， Rv3 v4 Q v1 带入已知条件得T地∶T月=8∶9，v地∶v月=9∶2。本题选C。 例16．如图所示，发射同步卫星的一种程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点点火加速，进入椭圆形转移轨道（该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P，远地点为同步圆轨道上的Q），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。设卫星在近地圆轨道上运行

P v2 的速率为v1，在P点短时间加速后的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在Q点短时间加速后进入同步轨道后的速率为v4。试比较v1、v2、v3、v4的大小，并用小于号将它们排列起来______。

解：根据题意在P、Q两点点火加速过程中，卫星速度将增大，所以有v1