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1、牛頓第二定律特性的理解和應(yīng)用牛頓第二定律作為動力學(xué)的核心規(guī)律,表述為:物體的加速度跟物體 所受的合外力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向跟合外力的方 向相同。它闡明了物體的加速度跟物體的質(zhì)量和物體受到的合外力的關(guān) 系。其表達(dá)式F合=ma十分簡明扼要,但內(nèi)涵卻十分豐富。充分理解牛 頓第二定律的八個特性,有助于正確利用牛頓第二定律解決動力學(xué)問題。因果性:力是產(chǎn)生加速度的原因,作用力是因,加速度是果。在牛 頓第二定律表達(dá)時,應(yīng)說成加速度和合外力成正比,不能說成合外力與加 速度成正比。在實際處理問題時,要想知道物體的運動情況,則首先對物 體進(jìn)行正確析受力分析。矢量性:牛頓第二定律的表達(dá)式是一矢量
2、式,它不僅定量說明了加 速度和力的關(guān)系,而且在方向上明確了兩者的關(guān)系,即加速度的方向由合 力方向決定,加速度方向與合外力方向嚴(yán)格保持一致。在實際處理問題 時,經(jīng)常出現(xiàn)兩種情形:已知加速度方向確定合外力方向;已知合外力方 向,確定加速度方向。瞬時性:加速度和合外力存在同時產(chǎn)生,同時變化,同時消失,瞬 時對應(yīng)的關(guān)系。加速度和合外力都是狀態(tài)量,對應(yīng)某一時刻。瞬時力決定 瞬時加速度,當(dāng)合外力為零時,物體的加速度也為零,當(dāng)合外力發(fā)生突變 時,與之對應(yīng)的加速度也隨之發(fā)生突變,當(dāng)合外力最大時,物體的加速度 也同時達(dá)到最大。在高中階段,常見輕繩和輕彈簧的比較,一般情況下,輕繩不需要形 變恢復(fù)時間,其彈力可以發(fā)
3、生突變,而輕彈簧(或橡皮繩)需要較長的形 變恢復(fù)時間,在瞬時問題中,彈簧沒有形變恢復(fù)時間,其彈力大小不變。獨立性:作用在物體上的每一個力,都能產(chǎn)生一個與之對應(yīng)的加速 度,與其它力無關(guān)。物體的加速度一般指的是合加速度,即是每一個力產(chǎn) 生的加速度的矢量和。在處理實際問題時,一般先求物體所受各個力的合 力,再求出物體的合加速度,很少有先求出各個力產(chǎn)生的加速度,再求出 各個加速度的合加速度。在處理受力比較復(fù)雜的實際問題時,根據(jù)矢量的合成與分解,經(jīng)常把 牛頓第二定律寫成兩個垂直方向的分量式。由牛頓第二定律的獨立性可 知,物體受x方向的合外力產(chǎn)生的加速度ax,物體受y方向的合外力產(chǎn)生 的加速度ay。牛頓第
4、二定律分量式為:Fx=max; Fy=may。而在正交分 解時,常有把力向加速度方向分解和把加速度向力方向分解的兩種方法。同體性:牛頓第二定律中出現(xiàn)了三個物理量,這三個物理量必須對 應(yīng)同一個研究對象。這個研究對象可以是單獨的一個物體,也可以是幾個 物體組成的一個整體。對不同研究對象受力分析時,經(jīng)常采用整體法和隔 離法。對連接體問題,一般所求的力是內(nèi)力時,應(yīng)先整體法求加速度,后 隔離法求力;如所求的力是外力時,應(yīng)先隔離法求加速度,后整體法求 力。但不管是整體法還是隔離法,在列牛頓第二定律方程時一定要注意三 個物理量對應(yīng)同一研究對象。同一性:牛頓第二定律中的三個物理量,一定是采用同一單位制?,F(xiàn)在常
5、用的是國際單位制,即力的單位用“N”,質(zhì)量單位用“kg”,加速度 單位用 “m/s2”,1N=1kgm/s2。由于在物理學(xué)中,特別是理論物理學(xué)中,有時需要使用厘米克秒制單 位及其發(fā)展的電磁單位,所以厘米克秒制至今仍作為一種保留使用的單位 制。這種單位制下,同樣存在F=kma中的比例系數(shù)k=1,力的單位用 “dyn (達(dá)因)”,質(zhì)量單位用“g”,加速度單位用“cm/s2”,1dyn=1gcm/s2。相對性:牛頓第二定律只有在慣性參考系中才成立,反過來說,牛 頓運動定律成立的參考系稱為慣性參考系。所謂慣性參考系就是所有物體 在這個坐標(biāo)系中當(dāng)不受外力時,將保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài),地面和 相對于地
6、面靜止或作勻速直線運動的物體可以近似看作是慣性參考系。但 在研究航天器空間的運行時,必須考慮地球緩慢自轉(zhuǎn)的影響,這時地心坐 標(biāo)系就是一個更精確的慣性系。在非慣性系中,如果利用牛頓第二定律,必須引入一個慣性力。對于 慣性力可以這樣理解:當(dāng)物體加速時,慣性會使物體有保持原有運動狀態(tài) 的傾向,若是以該物體為坐標(biāo)原點,看起來就仿佛有一股方向相反的力作 用在該物體上,因此稱之為慣性力。慣性力是一個假想的力,實際并不存 在。慣性力的大小等于物體質(zhì)量乘以非慣性參考系自身的加速度a,方向 與加速度方向相反。牛頓第二定律表達(dá)式修正為F+F慣=ma“,式中F表 示實際受到的合外力,F(xiàn)慣是慣性力,F(xiàn)慣=-ma,a是物體相對于非慣性 系的加速度。例如對于豎直方向以加速度a向上勻加速運動的電梯中,站 著一個相對電梯靜止的人,求電梯對人的支持力時,以地面為參考系,則 牛頓第二定律表示為FN-mg=ma,以電梯為參考系,牛頓第二定律修正 為FN-mg-ma =0,這兩種求解的結(jié)果是等效的。在高中階段,不建議選擇非慣性系為參考系,上述這個例子可用等效重力場的思維去解決,即在超重時,等效重力加速度g=g+a,則FN = mg=m(g+a)。局限性:牛頓運動定律只適用于宏觀低
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