大學(xué)物理1牛頓定律1.ppt

動(dòng)力學(xué),CHAPTFR 1 牛頓定律,掌握的基本概念：力（重力、張力、摩擦力）慣性質(zhì)量，引力質(zhì)量，慣性參照系，慣性力，慣性離心力，動(dòng)量，沖量，平均沖力 掌握的基本規(guī)律和原理：牛頓三大定律和動(dòng)量守恒定律；伽利略相對(duì)性（力學(xué)相對(duì)性）原理 應(yīng)用：受力分析（在慣性系和非慣性系），矢量分解與合成 了解的內(nèi)容：科里奧利力，落體偏東，傅科擺等。,2-1 牛頓定律,牛一律（慣性定律）：任何物體，只要沒有外力改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，便會(huì)永遠(yuǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的這種特性，叫做慣性。 慣性定律不能用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格地驗(yàn)證，它是理想化抽象思維的產(chǎn)物。 慣性定律不僅適用于物體運(yùn)動(dòng)的整體，也適用于其中一個(gè)獨(dú)立分量。,伽利略的思想實(shí)驗(yàn),試一試：,在伽利略時(shí)代，人們反對(duì)哥白尼地動(dòng)說的一個(gè)重要論據(jù)如下：一塊石頭從高塔落下。如果地球作周日運(yùn)動(dòng)，在此期間高塔已向東移動(dòng)了一段距離，從而石頭應(yīng)落在塔以西同一距離。正象一鉛球從正在行駛的帆船桅桿頂部落下時(shí)，應(yīng)落在桅桿腳后一段距離一樣。你怎樣反駁這種說法？,慣性系,問題：設(shè)想有一位很嚴(yán)格的科學(xué)家，相信慣性定律是可以用實(shí)驗(yàn)來證明或推翻的。當(dāng)他用現(xiàn)代化的氣桌相當(dāng)好地驗(yàn)證了物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，忽然發(fā)現(xiàn)一切變得反常了。原來沿直線運(yùn)動(dòng)的小球偏到一邊去了，他自己也感到有一種奇怪的力把他推向墻邊。這究竟發(fā)生了什么事？ 原來有人把整個(gè)房子旋轉(zhuǎn)起來，出現(xiàn)了上述反?，F(xiàn)象，于是慣性定律被推翻了。也就是說慣性定律并非在所有的參照系中都成立。 定義：對(duì)某一物體慣性定律成立的參照系，為慣性參照系，簡稱慣性系。地球是近似的慣性參照系。 慣性不是個(gè)別物體的性質(zhì)，而是參照系，或者說是時(shí)空性質(zhì)。（了解）,牛頓第二定律,疊加原理：一個(gè)物體同時(shí)受到幾個(gè)力的作用，這幾個(gè)力的作用效果跟等于它們矢量和的那一個(gè)力的作用效果一樣。,m為慣性質(zhì)量。只適用系統(tǒng)質(zhì)量不變,運(yùn)動(dòng)的變化與所加的力成正比；并且發(fā)生在這力所沿的直線的方向上。即,其中P=mv稱為質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量，此式適用于變質(zhì)量系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)變力，即F是時(shí)間的函數(shù)，且是合力。 另一種常見形式,牛頓第三定律,對(duì)于每一個(gè)作用，總有一個(gè)相等的反作用與之相反；或者說，兩個(gè)物體之間對(duì)各自對(duì)方的相互作用總是相等的，而且指向相反的方向。 作用與反作用總是成對(duì)出現(xiàn)的，同時(shí)存在，同時(shí)消失的；且屬于同一性質(zhì)的作用。,牛頓定律的分量形式,2-2 常見力和基本力,1.重力,重力：在地球表面的物體，受到地球的吸引而使物體受到的力。,重力與重力加速度的方向都是豎直向下。,注意，由于地球自轉(zhuǎn)，重力并不是地球的引力，而是引力沿豎直方向的一個(gè)分力，地球引力的另一個(gè)分力提供向心力。,忽略地球自轉(zhuǎn)：,2.彈力,彈性力：兩個(gè)相互接觸并產(chǎn)生形變的物體企圖恢復(fù)原 狀而彼此互施作用力。,方 向: 始終與使物體發(fā)生形變的外力方向相反。,條 件：物體間接觸，物體的形變。,三種表現(xiàn)形式：,(1)壓力或支持力,方向:垂直于接觸面指向?qū)Ψ健?大小:取決于擠壓程度。,(2)繩對(duì)物體的拉力；,(3)彈簧的彈力；,大小：取決于繩的收緊程度。,方向：沿著繩指向繩收緊的方向。,彈性限度內(nèi)，彈性力滿足胡克定律：,方向：指向要恢復(fù)彈簧原長的方向。,3. 摩擦力,方向：與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢的方向相反。,條件：表面接觸擠壓；相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢。,最大靜摩擦力,滑動(dòng)靜摩擦力,其中s為靜摩擦系數(shù)，k為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。它們與接觸面的材料和表面粗糙程度有關(guān)。,辯一辯：拔河比賽勝負(fù)與受力分析,4.萬有引力,萬有引力：存在于一切物體間的相互吸引力。,牛頓萬有引力定律:,其中m1和m2為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r為兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的距離，G0叫做萬有引力常量。,引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量在物理意義上不同，但是二者相等，因此不必區(qū)分。,5.電磁力,電磁力：存在于靜止電荷之間的電性力以及存在于運(yùn)動(dòng)電荷之間的磁性力，本質(zhì)上相互聯(lián)系，總稱為電磁力。,分子或原子都是由電荷系統(tǒng)組成，它們之間的作用力本質(zhì)上是電磁力。例如：物體間的彈力、摩擦力，氣體的壓力、浮力、粘滯阻力。,6.強(qiáng)力,強(qiáng)力：亞微觀領(lǐng)域，存在于核子、介子和超子之間的、把原子內(nèi)的一些質(zhì)子和中子緊緊束縛在一起的一種力。,作用范圍：,7.弱力,弱 力,弱力：亞微觀領(lǐng)域內(nèi)的另一種短程力，導(dǎo)致衰變放出電子和中微子的重要作用力。,四種基本力的比較,應(yīng)用舉例,典型問題 已知力求物體的運(yùn)動(dòng) 已知物體運(yùn)動(dòng)求力 兩者混合題,例：用一細(xì)繩跨過一定滑輪，在繩的兩端各懸質(zhì)量為m1和m2的物體，其中m1m2，求它們的加速度及繩端的拉力；設(shè)滑輪和繩子質(zhì)量可忽略，繩子與滑輪間沒有相對(duì)滑動(dòng),解：,解上述方程得,討論： 結(jié)果看怎樣？,試一試：整體法解題,能直接得出結(jié)論嗎？,例：伐木工人把一質(zhì)量為m=100kg的木料沿滑槽往山下運(yùn)送，已知滑槽的水平傾角為30度，木料于滑槽的摩擦系數(shù)為0.2，試分析每根木料所受的力并求出其加速度。,解：首選如圖所示的坐標(biāo)系其次分析木料上的力,重力,根據(jù)牛頓第二律：,其分量形式：,約束條件：,解方程得：,討論：滑槽傾角為多少度時(shí)木料滑動(dòng)將不會(huì)自然發(fā)生？,練一練：若坐標(biāo)軸選為水平向右為X軸，垂直向上為Y軸，本題牛頓方程的分量形式怎樣寫，最后結(jié)果是否一致？你對(duì)此有何評(píng)論？,例：質(zhì)量為m2的木塊放在質(zhì)量為m1的斜面上，假定摩擦可以忽略，間當(dāng)F多大時(shí)，恰使m2相對(duì)m1靜止不動(dòng)？,解：選取坐標(biāo)系，并用隔離體受力分析,約束條件：,解得：,試一試：如果撒去外力力F，怎樣運(yùn)動(dòng)？能求出它們運(yùn)動(dòng)的加速度嗎？,討論：用整體法解此題,想一想：本題若沿斜面建立直角坐標(biāo)系，能解出結(jié)果嗎？并與上題比較，總結(jié)選擇坐標(biāo)對(duì)解題的意義,第二節(jié) 伽利略相對(duì)性原理和非慣性系,伽利略相對(duì)性原理：“把你和一些朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再讓你們帶幾只蒼蠅、蝴蝶和其它小飛蟲。艙內(nèi)放一只大水碗，其中放幾條魚。然后，掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐里。船停著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內(nèi)各方面飛行，魚向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐子中。你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，只要距離相等，向這個(gè)方向不必比向另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個(gè)方向跳過的距離都相等。當(dāng)你仔細(xì)地觀察這些事情后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，也不忽左忽右地?cái)[動(dòng)。你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，在跳躍時(shí)，你將和以前一樣，在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)，雖然你跳到空中時(shí)，腳下的船底板向著你跳的方向移動(dòng)。你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí)，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對(duì)面，你也不需要用更多的力?！?相對(duì)性原理幾種表述,一個(gè)對(duì)于慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的其它參照系，其內(nèi)部所發(fā)生的一切物理過程，都不受到系統(tǒng)作為整體的勻速直線運(yùn)動(dòng)的影響。 不可能在慣性系內(nèi)部進(jìn)行任何物理實(shí)驗(yàn)來確定該系統(tǒng)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度。 相對(duì)于一慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的一切參照系都是慣性系。亦即，對(duì)于物理學(xué)規(guī)律來說，一切慣性系都是等價(jià)的。,伽利略坐標(biāo)變換,試一試： 寫出變換的分量式。 試把牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用于S和S系中，則會(huì)得到相同的表達(dá)式：,有兩個(gè)相對(duì)作勻速運(yùn)動(dòng) 的 慣性參照系S和S，則應(yīng)有：,這組公式稱為伽利略變換式,非慣性系、慣性力,牛頓定律的適用范圍,a慣性系（地）：m靜止，牛頓定律成立 b非慣性系（車）：m向相反方向加速運(yùn)動(dòng)，牛頓定律不成立,非慣性系：牛頓定律不成立的參照系,常見的有： 相對(duì)慣性系作直線加速運(yùn)動(dòng)的參考系 相對(duì)慣性系作轉(zhuǎn)動(dòng)的參照系,直線加速參照系中的慣性力： 要使牛頓定律在非慣性系中成立，引進(jìn)一個(gè)假想力-慣性力,加速直線參照系中的牛頓方程,慣性力的一點(diǎn)討論,慣性力不是由物體間的相互作用引起的，而是在非慣性系中能沿用牛頓定律而引入的“假想力”。稱之為“假想力”，是為了與由物體間相互作用引起的真實(shí)區(qū)別開來。 慣性力不存在施力物體，從而也不存在反作用。 慣性力的實(shí)質(zhì)是非慣性系加速度的反映。 在廣義相對(duì)論中，慣性力具有與此不同的物理意義。,超重與失重,視重：FN,例：,解：在非慣性系中受力分析 對(duì)M，水平方向，有,對(duì)m，在斜面及垂直斜面方向，有,討論：M 無窮時(shí)，,解聯(lián)立方程（N=N）得：,轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中的慣性力,質(zhì)點(diǎn)靜止在轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中-慣性離心力。,例 地球自轉(zhuǎn)對(duì)重力的影響,解：物體的重量（視重）W是用作用于其上的張力T的大小來衡量的。受力分析可知：,修正與討論,地面重力加速度與緯度的關(guān)系：,實(shí)際上由于地球自轉(zhuǎn)，地球稍呈扁平，其修正結(jié)果為：,試一試： 求出視重偏離重力（引力）的角度 物體的視重或重力加速度還與高度有關(guān)，那么對(duì)上述兩公式應(yīng)如何進(jìn)行修正？,*運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中-科里奧利力（Coriolis force),質(zhì)點(diǎn)m以速度U沿半徑OC 相對(duì)盤勻速運(yùn)動(dòng)，而園盤以角速度勻速度轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過時(shí)間 t后從A點(diǎn)到B點(diǎn)（復(fù)習(xí)