牛顿运动定律-普物..ppt

第二章第二章 牛顿运动定律牛顿运动定律Newtons Laws of Motion本章主要内容本章主要内容2-12-1 牛顿牛顿运动定律运动定律 2-22-2 力学中常见力力学中常见力 基本力基本力2-32-3 牛顿牛顿定律定律的应用的应用2-52-5 惯性参照系惯性参照系 惯性力惯性力 Isaac Newton(1642-1727)英国物理学家英国物理学家,经典物理学的奠基人经典物理学的奠基人.他对他对力学、光学、热学、天文学和数学等学科都有重大发现力学、光学、热学、天文学和数学等学科都有重大发现,其代表作其代表作自然哲自然哲学的数学原理学的数学原理是力学的经典著作是力学的经典著作.牛顿是近代自然科学奠基时期具有集前人牛顿是近代自然科学奠基时期具有集前人之大成的贡献的伟大科学家之大成的贡献的伟大科学家.第二章第二章 牛顿运动定律牛顿运动定律牛顿运动定律牛顿运动定律牛顿运动定律牛顿运动定律在是在是Sir Isaac Newton 创立的创立的经典经典力学力学的基本定律。的基本定律。16871687年，年，Newton出版了阐述经典力学的伟大著作出版了阐述经典力学的伟大著作自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理。著作内容包括：。著作内容包括：时间、空间、质量、动量和力等基本概念；时间、空间、质量、动量和力等基本概念；三大运动定律和万有引力定律。三大运动定律和万有引力定律。流体力学、声学、天体物理、微积分学等学科的概流体力学、声学、天体物理、微积分学等学科的概念和理论。念和理论。以牛顿运动定律为基础的力学体系称为以牛顿运动定律为基础的力学体系称为经典力学经典力学经典力学经典力学或或牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学。质点动力学质点动力学质点动力学质点动力学经典力学从经典力学从17世纪被成功地建立开始，一直广泛应世纪被成功地建立开始，一直广泛应用于物理学研究及生产实践，并且在时空观和相关的自用于物理学研究及生产实践，并且在时空观和相关的自然科学领域的研究中，起着极其重要的作用。但二百年然科学领域的研究中，起着极其重要的作用。但二百年后，人们发现了它的局限性，即只适用于后，人们发现了它的局限性，即只适用于宏观低速宏观低速运动运动的物体。的物体。相对论力学、量子理论相对论力学、量子理论的建立，使物理学的研究领的建立，使物理学的研究领域扩展到高速运动的物体和原子体系内部的物质运动规域扩展到高速运动的物体和原子体系内部的物质运动规律。尽管如此，经典力学仍然有着极为重要的应用价值。律。尽管如此，经典力学仍然有着极为重要的应用价值。（如：天体运动、土建、交通、航空航天等领域）（如：天体运动、土建、交通、航空航天等领域）2-1 2-1 牛顿牛顿 运动定律运动定律Newtons Laws of Motion 牛顿第一定律牛顿第一定律牛顿第一定律牛顿第一定律 （惯性惯性惯性惯性定律）定律）任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。他物体的作用迫使它改变这种状态为止。惯性惯性惯性惯性物体保持原有运动状态的属性。物体保持原有运动状态的属性。(Galileo)力力力力物体间的相互作用。物体间的相互作用。力的重要力的重要特征特征是产生加速度。是产生加速度。惯性参照系惯性参照系惯性参照系惯性参照系惯性参照系惯性参照系指牛顿第一定律成立的参照系。指牛顿第一定律成立的参照系。第一定律定性地给出了两个重要概念：第一定律定性地给出了两个重要概念：说明：说明：惯性定律是不能直接用实验严格地验证的，它是理惯性定律是不能直接用实验严格地验证的，它是理想化抽象思维的产物。想化抽象思维的产物。第一定律是大量观察与实验事实的抽象与概括。第一定律是大量观察与实验事实的抽象与概括。惯性不是个别物体的性质，而是参考系的性质，或惯性不是个别物体的性质，而是参考系的性质，或者说，是时空的性质。者说，是时空的性质。虽然惯性定律保证了惯性系的存在，但惯性系究竟在哪里？牛顿给出虽然惯性定律保证了惯性系的存在，但惯性系究竟在哪里？牛顿给出了一个原则的标准，他认为存在着绝对时间和绝对空间，那就是我们所需了一个原则的标准，他认为存在着绝对时间和绝对空间，那就是我们所需要的一个最基本的惯性系。历史上，人们为了寻找这样要的一个最基本的惯性系。历史上，人们为了寻找这样“绝对静止绝对静止”的的“绝对空间绝对空间”曾多次努力，但最终失败了，绝对空间（或最优越的参考系）曾多次努力，但最终失败了，绝对空间（或最优越的参考系）并不存在。这个问题我们留到并不存在。这个问题我们留到“相对论相对论”一章中再来探讨。一章中再来探讨。物体所获得的加速度在大小和方向上与物体所受的合物体所获得的加速度在大小和方向上与物体所受的合外力成正比，与物体的质量成反比，即外力成正比，与物体的质量成反比，即 牛顿第二定律牛顿第二定律牛顿第二定律牛顿第二定律（质点运动质点运动定律）定律）其中其中 质量质量质量质量物体惯性的定量量度物体惯性的定量量度惯性质量惯性质量惯性质量惯性质量或或对确定的物体：对确定的物体：在一定的力作用下：在一定的力作用下：第二定律实质上是给出了力和质量的定量标准，即第二定律实质上是给出了力和质量的定量标准，即说明：说明：Newton虽在描述第二定律之前给出了力和质量的虽在描述第二定律之前给出了力和质量的“定量定量”定义，但含混不清，并没有在定义，但含混不清，并没有在实质上实质上给出如何确定质量和给出如何确定质量和力的力的定量标准定量标准。定量方法是由定律本身给出的：定量方法是由定律本身给出的：选择一特定物体后，：选择一特定物体后，：以特定的力作用物体，：以特定的力作用物体，第二定律用等式表示为：第二定律用等式表示为：，在国际单位制中，在国际单位制中规定：规定：k=1，即有即有 物体的动量对时间的变化率同该物体所受的物体的动量对时间的变化率同该物体所受的力力成正比。成正比。第二定律更普遍的表达式第二定律更普遍的表达式 动量动量动量动量物体的质量与速度的乘积。物体的质量与速度的乘积。相对论力学指出当物体的运动速度相对论力学指出当物体的运动速度 v 接近真空中光速接近真空中光速 c 时，质量随运动是变化的。即时，质量随运动是变化的。即此时，此时，因此，这种定律形式更为普遍。因此，这种定律形式更为普遍。第二定律的分量形式第二定律的分量形式(若若m不变。不变。)力与动量变化率或加速度之间为瞬时成立的。力与动量变化率或加速度之间为瞬时成立的。如果有几个力共同作用，如果有几个力共同作用，应理解为合力。应理解为合力。只在惯性系中成立。在非惯性系中通过引入只在惯性系中成立。在非惯性系中通过引入“惯性力惯性力”，牛顿第一、二定律才形式上成立，牛顿第一、二定律才形式上成立（2.52.5）。）。第二定律中的各量可直接测定，因而所给第二定律中的各量可直接测定，因而所给出的预言是明确的，可以用实验证伪。出的预言是明确的，可以用实验证伪。对于每一个作用，总存在一个大小相等方向相反的反对于每一个作用，总存在一个大小相等方向相反的反作用。作用。牛顿第三定律牛顿第三定律牛顿第三定律牛顿第三定律（作用和反作用作用和反作用定律）定律）设设 表示物体表示物体1 1 受物体受物体2 2 的作用力，的作用力，表示物体表示物体2 2 受物体受物体1 1 的作用力，则的作用力，则作用力与反作用力总是同时作用，且作用在同一条直线上。作用力与反作用力总是同时作用，且作用在同一条直线上。由于第三定律不涉及运动，因而它与第一、第二定律由于第三定律不涉及运动，因而它与第一、第二定律不同，并不要求参考系是惯性系。不同，并不要求参考系是惯性系。单位制和国际单位制单位制和国际单位制由于物理量之间存在一定的联系，不同物理量的单位由于物理量之间存在一定的联系，不同物理量的单位之间也有联系。之间也有联系。（例如：速度单位（例如：速度单位 m/s,力的单位力的单位 N=kg m/s2）基本量和基本单位的选择不是唯一的，但个数是确定的。基本量和基本单位的选择不是唯一的，但个数是确定的。基本量基本量导出量导出量基本单位基本单位 （存在最少个数）（存在最少个数）导出单位导出单位 （基本单位的组合）（基本单位的组合）单位制单位制单位制单位制基本单位和由它们导出的导出单位所构成基本单位和由它们导出的导出单位所构成的单位体系。的单位体系。力学中力学中 3 3个：个：MKS制：制：长度长度m,时间时间s，质量质量kg 英制：力英制：力 lb,时间时间s，质量质量slug国际单位制国际单位制国际单位制国际单位制（International System of Units）简称简称 S IS I制制制制 （Systme International dUnits）SI中规定在力学中基本量和基本单位是中规定在力学中基本量和基本单位是：长度长度m（meter）,时间时间s（second），），质量质量kg（kilogram）相应的导出单位有两类相应的导出单位有两类：有名称有名称的导出单位的导出单位 如：如：N、J、W、Pa、A、V、C、F无名称无名称的导出单位的导出单位 如：如：m/s、kgm/s、Nm、V/m国际计量大会国际计量大会还给出了确定各个基本单位大小的实验方法。还给出了确定各个基本单位大小的实验方法。如时间如时间“秒秒”用用133Cs一特征频率光波的周期的倍数来确定。一特征频率光波的周期的倍数来确定。SI中其他的有：电流强度中其他的有：电流强度A、热力学温度热力学温度K、物物质量质量mol和发光强度和发光强度Cd。（共共7个）个）国际计量大会建议各国采用的一种统一的单位制。国际计量大会建议各国采用的一种统一的单位制。19601960年年1111thth届届 量纲量纲量纲量纲量纲量纲是用于表示基本量和导出量之间幂次关系的式子。是用于表示基本量和导出量之间幂次关系的式子。基本量的表示：基本量的表示：L 长度，长度，T 时间，时间，M 质量质量导出量量纲的表示：导出量量纲的表示：速度：速度：力：力：压强：压强：引力常数：引力常数：举例：举例：量纲分析量纲分析 特例：量纲为特例：量纲为1 1（或称为无量纲）的物理量（或称为无量纲）的物理量 行星轨道周期变短的频率：单位行星轨道周期变短的频率：单位秒秒/世纪世纪,量纲量纲 为为1 1。摩擦系数：如滑动摩擦系数摩擦系数：如滑动摩擦系数 ,量纲为量纲为1 1。圆心角圆心角 ：单位为：单位为弧度弧度，量纲为，量纲为1 1。量纲法则量纲法则量纲服从的规律。量纲服从的规律。只有量纲相同的量，才能彼此相等、相加或相减。只有量纲相同的量，才能彼此相等、相加或相减。例如：粒子运动学方程例如：粒子运动学方程 中中 的量纲为的量纲为1 1。指数函数、对数函数和三角函数的宗量量纲为指数函数、对数函数和三角函数的宗量量纲为1 1。量纲分析量纲分析 量纲分析量纲分析 量纲作用量纲作用1 1）可定出同一物理量不同单位间的换算关系可定出同一物理量不同单位间的换算关系.3 3）从量纲分析中定出方程中比例系数的量纲和单位从量纲分析中定出方程中比例系数的量纲和单位.2 2）量纲可检验文字结果的正误量纲可检验文字结果的正误.2-2 2-2 力学中常见力力学中常见力 基本力基本力Common Forces in Mechanics and the Fundamental Forces重力重力重力重力弹力弹力弹力弹力摩擦力摩擦力摩擦力摩擦力流体阻力流体阻力流体阻力流体阻力弹簧的弹力弹簧的弹力拉力、压力拉力、压力绳的张力绳的张力轻绳张力均匀轻绳张力均匀平流情况下平流情况下湍流情况下湍流情况下静摩擦力静摩擦力动摩擦力动摩擦力（相对速度相对速度不太不太 大也不太小）大也不太小）从力的从力的宏观特征宏观特征角度，常见的力分以下几种：角度，常见的力分以下几种：引力、电磁力、强力、弱力引力、电磁力、强力、弱力引力、电磁力、强力、弱力引力、电磁力、强力、弱力引力引力（gravitation）任何物体都存在任何物体都存在引力引力引力引力作用（也称万有引力），其大小为作用（也称万有引力），其大小为其中其中 G为为引力常数引力常数引力常数引力常数 m1 1和和m2 2为为引力质量引力质量引力质量引力质量（实验证实：（实验证实：m引引 =m惯惯）不必区分不必区分重力就是地球表面的引力：重力就是地球表面的引力：从力的从力的微观属性微观属性看，自然界只有四种看，自然界只有四种基本力基本力基本力基本力：强度最弱；强度最弱；力程无限远；力程无限远；由引力子场传递。由引力子场传递。特点特点：电磁力电磁力电力和磁力统称为电力和磁力统称为电磁力电磁力电磁力电磁力（electromagnetic force）弹力、摩擦力、流体阻力等宏观力都是电磁力的弹力、摩擦力、流体阻力等宏观力都是电磁力的宏观表现。宏观表现。分子、原子之间的电磁作用力分子、原子之间的电磁作用力电荷电荷之间存在之间存在电力电力（Coulomb力）力）运动电荷运动电荷还存在还存在磁力磁力（Lorentz力）力）强度仅次于强力；强度仅次于强力；力程无限远；力程无限远；由光子场传递。由光子场传递。特点特点：强力强力强力强力强力强力（strong force）是存在于质子、中子和介子等是存在于质子、中子和介子等强子强子中的一种作用最强的力。中的一种作用最强的力。弱力弱力弱力弱力（weak force）是粒子之间存在的另一种强度较是粒子之间存在的另一种强度较弱的力。弱的力。强度最大；强度最大；力程比引力和电磁力小；力程比引力和电磁力小；对称性最强；对称性最强；短距离处随距离减小而减弱。短距离处随距离减小而减弱。特点特点：弱力弱力强度仅比引力大；强度仅比引力大；力程最小；力程最小；对称性低。对称性低。特点特点：2-3 2-3 牛顿牛顿定律应用举例定律应用举例Examples on Newtons Laws规范的解题思路：规范的解题思路：分析题意，确定哪个物体与问题相分析题意，确定哪个物体与问题相关，应作为质点。关，应作为质点。分析运动情况，找出速度、加速度分析运动情况，找出速度、加速度之间的联系。之间的联系。选择坐标系，将受力和速度加速度选择坐标系，将受力和速度加速度投影在坐标轴上，列出方程并求解。投影在坐标轴上，列出方程并求解。画画隔离隔离体体受力受力分析图，并分析各力分析图，并分析各力之间的关系。之间的关系。认物体认物体看运动看运动查受力查受力列方程列方程 例例1 1 一不可伸长的轻质细绳，跨一不可伸长的轻质细绳，跨过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分别过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分别悬有质量为悬有质量为m1和和m2的物体，如图所示。的物体，如图所示。试求物体的加速度和绳中的张力。试求物体的加速度和绳中的张力。解：解：认物体认物体 m1 和和 m2应用举例：应用举例：m m1 1 m m2 2看运动看运动 不妨设不妨设 m1 0,可得：可得：gcos-2 Rsin0所以：所以：时，物体不可能在时，物体不可能在锥面上静止不动锥面上静止不动当当解：解：物体在流体中竖直自由下落时，受到重力物体在流体中竖直自由下落时，受到重力 mgmg，浮力浮力 和粘力和粘力 的作用的作用取向下为取向下为x x轴正方向轴正方向例题例题6 6：当物体在流体中运动时，流体将会产生一种阻碍物当物体在流体中运动时，流体将会产生一种阻碍物体运动的力，称为体运动的力，称为粘力粘力。当物体的运动速率比较低时，粘力。当物体的运动速率比较低时，粘力的大小一般与物体相对于流体的运动速率成正比，的大小一般与物体相对于流体的运动速率成正比，试求这时物体在流体中竖直自由下落时的试求这时物体在流体中竖直自由下落时的 终极速度终极速度终极速度终极速度。终极速度：物体在沉降中合力等于零时的速度终极速度：物体在沉降中合力等于零时的速度在高速运动的情况下，会出现由于湍流而产生的其它力，在高速运动的情况下，会出现由于湍流而产生的其它力，总的阻力与速度有复杂的依赖关系。例如，赛车的设计者总的阻力与速度有复杂的依赖关系。例如，赛车的设计者是用正比于速度平方的力来说明这些阻力的。是用正比于速度平方的力来说明这些阻力的。例如，在空气中，雨滴下落的终极速度例如，在空气中，雨滴下落的终极速度 7 76m/s,6m/s,烟粒沉降的终极速度烟粒沉降的终极速度1010-3-3m/s,m/s,人在空气中自由下落的终极速度人在空气中自由下落的终极速度76m/s,76m/s,张开降落伞下降时的终极速度张开降落伞下降时的终极速度 6m/s 6m/s。2-5 2-5 惯性参照系惯性参照系Inertial Frame of Reference 牛顿牛顿第一定律第一定律定义了惯性参考系定义了惯性参考系 涉及力与运动的关系性，参照系不可以任选涉及力与运动的关系性，参照系不可以任选牛顿定律在什么参照系里成立牛顿定律在什么参照系里成立?动力学：动力学：运动学：运动学：静止或运动相对谁静止或运动相对谁?运动的描述有相对性，参照系可以任选运动的描述有相对性，参照系可以任选ABC在在A看来：看来：第一定律第一定律成立成立在在B看来：看来：第一定律第一定律不成立不成立牛顿牛顿第一定律成立的参照系为第一定律成立的参照系为惯性参考系惯性参考系惯性参考系惯性参考系；否则为；否则为非非非非惯性参照系惯性参照系惯性参照系惯性参照系。如果确定了某个参照系是惯性系，则任何相对它做如果确定了某个参照系是惯性系，则任何相对它做匀速直线运动匀速直线运动的参照系也是惯性系。的参照系也是惯性系。任何惯性参照系都是任何惯性参照系都是等价等价的的GalileoGalileo力学力学力学力学相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理 是否惯性系由是否惯性系由实验实验确定。确定。惯性参照系的性质惯性参照系的性质1、FK4系系：以以1535颗颗恒恒星星平平均均静静止止位位形形作作为为基准基准目前最好。目前最好。2、太太阳阳系系：太太阳阳中中心心为为原原点点，坐坐标标轴轴指指向向恒恒星星绕绕银银河河中中心心的的向向心心加加速速度度1.8 10-10m/s23、地地心心系系：地地心心为为原原点点，坐坐标标轴轴指指向向恒恒星星绕绕太太阳阳的的向向心心加加速速度度6 10-3m/s2（g的的103）4、地地面面系系（实实验验室室系系）：坐坐标标轴轴固固定定在在地地面面上上赤道处自转向心加速度赤道处自转向心加速度3.4 10-2m/s2实用的惯性系：实用的惯性系：平动平动平动平动加速运动参照系加速运动参照系1.1.平动加速参照系中的惯性力平动加速参照系中的惯性力设相对某惯性系（地面）做设相对某惯性系（地面）做平动平动运动的非惯性系（车）运动的非惯性系（车）具有牵连加速度具有牵连加速度 。在惯性系中应用运动定律，有在惯性系中应用运动定律，有 平动非惯性系中的运动规律平动非惯性系中的运动规律 惯性力惯性力即即于是，在非惯性系中有于是，在非惯性系中有 无施力物体，无施力物体，无反作用力，无反作用力，实为实为惯性惯性在非惯性系中的表现。在非惯性系中的表现。引入引入惯性力惯性力惯性力惯性力牛顿牛顿运动定律运动定律形式上形式上成立成立惯性力并非物体的相互作用（即惯性力并非物体的相互作用（即真实力真实力），而是一），而是一种种“虚拟力虚拟力”。二战中的小故事：二战中的小故事：美美Tinosa号号潜潜艇艇携携带带16枚枚鱼鱼雷雷，在在太太平平洋洋离离敌舰敌舰4000码斜向攻击，发射码斜向攻击，发射4枚，使敌舰停航。枚，使敌舰停航。敌敌舰舰体体近距离、垂直近距离、垂直攻击攻击 滑块受摩擦滑块受摩擦力大力大 雷管不能被触发！雷管不能被触发！但离敌舰但离敌舰875码垂直攻击发射码垂直攻击发射11枚，枚，均未爆炸。均未爆炸。问题出在惯性力上问题出在惯性力上!撞针滑块撞针滑块雷管雷管导板导板鱼雷鱼雷S解：建立坐标系解：建立坐标系O-xy如图。如图。h 例例 观察者位于观察者位于一辆一辆以恒定加速度以恒定加速度 运动的车运动的车内，车内高为内，车内高为h桌上的一物桌上的一物体，以初速体，以初速 向后方被抛向后方被抛出。试求出。试求车内观察者看到车内观察者看到物体落地时的速度。物体落地时的速度。真实力：真实力：惯性力：惯性力：解得解得xyOz惯性离心力惯性离心力 inertial centrifugal forcey举例举例：x平面参照系平面参照系转盘转盘无论质点是否相对静止，惯性离心力总是存在的。无论质点是否相对静止，惯性离心力总是存在的。2.转动参照系中的惯性力转动参照系中的惯性力本章结束本章结束The End of This Chapter