第2章运动与力精.ppt

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1、第2章运动与力第1页，本讲稿共26页2.1 2.1 牛顿运动定律牛顿运动定律Issac Newton(16431727)英国物理学家，经典物理学英国物理学家，经典物理学的奠基人。对力学、光学、热学、的奠基人。对力学、光学、热学、天文学和数学等学科都有重大发天文学和数学等学科都有重大发现，其代表作现，其代表作自然哲学的数学自然哲学的数学原理原理是力学的经典著作。牛顿是力学的经典著作。牛顿是近代自然科学奠基时期具有集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前人之大成的贡献的伟大科学家。第2页，本讲稿共26页牛顿安葬于伦敦威斯敏斯特牛顿安葬于伦敦威斯敏斯特(西敏寺西敏寺)教堂教堂第3

2、页，本讲稿共26页 牛顿第一定律：牛顿第一定律：任何物体都要保持其静止或匀速任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。牛顿第二定律：牛顿第二定律：运动变化与所加动力成正比，并运动变化与所加动力成正比，并发生在这力所沿的直线方向上。发生在这力所沿的直线方向上。牛顿第三定律：牛顿第三定律：对于每一个作用，总存在一个相对于每一个作用，总存在一个相等的反作用；或者说，两个物体给各自对方的相互作用等的反作用；或者说，两个物体给各自对方的相互作用总是相等的，而且指向相反的方向。总是相等的，而且指向相反的方向。第4页，本讲稿共26

3、页 牛顿第一定律和两个基本概念相联系。一个是牛顿第一定律和两个基本概念相联系。一个是惯性惯性：物体保持运动状态不变的性质，即物体抵抗运动变化的性质。物体保持运动状态不变的性质，即物体抵抗运动变化的性质。一个是一个是力力：迫使一个物体运动状态改变，即使物体产生加速：迫使一个物体运动状态改变，即使物体产生加速度的外界它的作用。度的外界它的作用。由于运动只有相对于一定的参照系来说明才有意义，由于运动只有相对于一定的参照系来说明才有意义，所以牛顿第一定律也定义了一种参照系。在这种参照系中所以牛顿第一定律也定义了一种参照系。在这种参照系中观察，一个不受力作用的物体将保持静止或匀速直线运动观察，一个不受力

4、作用的物体将保持静止或匀速直线运动状态不变。这样的参照系叫状态不变。这样的参照系叫惯性参照系惯性参照系。并非任何参照系都是并非任何参照系都是惯性系惯性系。是否为惯性系要靠实。是否为惯性系要靠实验判断。地球是一个足够精确的惯性系。验判断。地球是一个足够精确的惯性系。第5页，本讲稿共26页 牛顿第二定律给出了力和运动的定量关系。牛顿对牛顿第二定律给出了力和运动的定量关系。牛顿对“运动运动”一词定义为物体质量和速度的乘积，现在被称之为一词定义为物体质量和速度的乘积，现在被称之为动量动量：在相同力的作用下：在相同力的作用下：可见，质量是物体惯性大小的量度。可见，质量是物体惯性大小的量度。第6页，本讲稿

5、共26页力学的力学的基本单位基本单位 19841984年年2 2月月2727日，我国国务院颁布实行以国际单位制日，我国国务院颁布实行以国际单位制(SISI)为基础的法定单位制。为基础的法定单位制。1m是光在真空中在是光在真空中在(1/299792458(1/299792458 s)内所经过的距离。内所经过的距离。1s是铯的一种同位素是铯的一种同位素133 CS 133 CS 原子发出的一个特征原子发出的一个特征频率光波周期的频率光波周期的91926317709192631770倍。倍。千克标准原器千克标准原器 是用铂铱合金制造的一个金属圆柱是用铂铱合金制造的一个金属圆柱体，保存在巴黎度量衡局中

6、。体，保存在巴黎度量衡局中。物理量物理量单位名称单位名称符号符号长度长度米米质量质量千克千克时间时间秒秒第7页，本讲稿共26页 量量 纲：纲：表示一个物理量如何由基本量的组合表示一个物理量如何由基本量的组合所形成的式子所形成的式子。某一物理量某一物理量 Q 的量纲的量纲 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。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。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。第8页，本讲稿共26页2.2 2.2 几种常见的力几种常见的力1)1)重

7、重 力：力：2)2)弹弹 性性 力：力：3)3)摩擦力：摩擦力：4)4)表面张力：表面张力：5)5)流体曳力：流体曳力：相对速度较小时：相对速度较小时：相对速度较大时：相对速度较大时：2.3 2.3 基本的自然力基本的自然力1)1)万有引力；万有引力；2)2)电磁力；电磁力；3)3)强力；强力；4)4)弱力弱力第9页，本讲稿共26页2.4 2.4 牛顿定律运用牛顿定律运用1)1)确定研究对象进行受力分析；确定研究对象进行受力分析；2)2)取坐标系；取坐标系；3)3)列方程列方程(一般用分量式一般用分量式)；4)4)利用其它的约束条件列补充方程；利用其它的约束条件列补充方程；5)5)先用文字符号

8、求解，后带入数据计算结果。先用文字符号求解，后带入数据计算结果。第10页，本讲稿共26页例例 1：质量为质量为 m、长为、长为 l 的柔软细绳，一端系着放在的柔软细绳，一端系着放在光滑桌面上质量为光滑桌面上质量为 m 的物体，在绳的另一端加如图所的物体，在绳的另一端加如图所示的力，绳被拉紧时会略有伸长示的力，绳被拉紧时会略有伸长(形形变变)，一般伸长甚微，一般伸长甚微，可略去不计。现设绳的长度不变，质量分布是均匀的。可略去不计。现设绳的长度不变，质量分布是均匀的。求：求：(1)1)绳作用在物体上的力；绳作用在物体上的力；(2)(2)绳上任意点的张力。绳上任意点的张力。第11页，本讲稿共26页解

9、解(1)(1)：设想在点设想在点P将绳分将绳分为两段其间张力大小相为两段其间张力大小相等，方向相反。等，方向相反。第12页，本讲稿共26页(2)(2)第13页，本讲稿共26页 例例2 2：阿特伍德机阿特伍德机(1)(1)如图所示滑轮和如图所示滑轮和绳子的质量均不计，滑轮与绳间的摩擦力绳子的质量均不计，滑轮与绳间的摩擦力以及滑轮与轴间的摩擦力均不计，且以及滑轮与轴间的摩擦力均不计，且 m1m2。求重物释放后，物体的加速度和绳的。求重物释放后，物体的加速度和绳的张力。张力。解：解：以地面为参考系，画受力图、选取以地面为参考系，画受力图、选取坐标如图。坐标如图。第14页，本讲稿共26页 (2)(2)

10、若将这一装置置于电梯顶部，当若将这一装置置于电梯顶部，当电梯以加速度电梯以加速度 相对地面向上运动时，相对地面向上运动时，求两物体相对电梯的加速度和绳的张力。求两物体相对电梯的加速度和绳的张力。解：解：以地面为参考系以地面为参考系 设两物体相对于地面的加速度分别设两物体相对于地面的加速度分别为为 ,且相对电梯的加速度为且相对电梯的加速度为第15页，本讲稿共26页解：解：例例3:3:如图长为如图长为 的轻绳，一端系质量为的轻绳，一端系质量为 的小球，的小球，另一端系于定点另一端系于定点 ，时小球位于最低位置，并具有时小球位于最低位置，并具有水平速度水平速度 ，求小球在任意位置的速率及绳的张力。，

11、求小球在任意位置的速率及绳的张力。第16页，本讲稿共26页 例例4：设空气对抛体的阻力与抛体的速度成正比，设空气对抛体的阻力与抛体的速度成正比，即即 ，为比例系数为比例系数.抛体的质量为抛体的质量为 、初速、初速为为 、抛射角为、抛射角为 。求抛体运动的轨迹方程。求抛体运动的轨迹方程。解：解：取如图所示的取如图所示的Oxy平面坐标系平面坐标系 第17页，本讲稿共26页第18页，本讲稿共26页第19页，本讲稿共26页令令 例例5 5：一质量一质量 ，半径，半径 的球体在水中静止释放的球体在水中静止释放沉入水底。已知阻力沉入水底。已知阻力 ,为粘滞系数，为粘滞系数，求求 。解：解：取坐标如图取坐标

12、如图为浮力为浮力第20页，本讲稿共26页（极限速度）（极限速度）当当 时时一般认为一般认为第21页，本讲稿共26页 若球体在水面上是具有竖直向若球体在水面上是具有竖直向下的速率下的速率 ，且在水中的重力与，且在水中的重力与浮力相等，浮力相等，即即 。则球体在。则球体在水中仅受阻力水中仅受阻力 的作用。的作用。第22页，本讲稿共26页2.5 2.5 非惯性系与惯性力非惯性系与惯性力1.1.非惯性参考系非惯性参考系 假如车厢由匀速变为加假如车厢由匀速变为加速运动，则坐在车厢内的观速运动，则坐在车厢内的观察着看到的察着看到的小球作反方向的加小球作反方向的加速度运动。速度运动。第23页，本讲稿共26页

13、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 1)1)凡相对于惯性系作凡相对于惯性系作匀速直线运动匀速直线运动的一切参考系都的一切参考系都是惯性系。是惯性系。2)2)对于对于不同不同惯性系，牛顿力学的规律都具有惯性系，牛顿力学的规律都具有相同相同的形的形式，与惯性系的运动无关。式，与惯性系的运动无关。为常量为常量第24页，本讲稿共26页 称牛顿定律不成立的参称牛顿定律不成立的参照系为照系为非惯性参考系非惯性参考系。设一质点的质量为设一质点的质量为 m，相对于一惯性系相对于一惯性系 S，在外力，在外力F 作用下加速度为作用下加速度为 a，。设想另一参照系设想另一参照系 S 相对于相对于 S 的作加速度为的作

14、加速度为 a0 的平动的平动。在。在 S系中，质点的加速度系中，质点的加速度：所以：所以：或者写成：或者写成：第25页，本讲稿共26页 如果认为在如果认为在S系中，除了实际的外力系中，除了实际的外力F 外，质点还受外，质点还受到另一个到另一个力力 。将此力计入合力之内。则可以这样理解：。将此力计入合力之内。则可以这样理解：在在 S系中观测，质点所受的系中观测，质点所受的合外力合外力也等于它的质量和也等于它的质量和加速度的乘积。这样就可以在形式上应用牛顿第二定律了。加速度的乘积。这样就可以在形式上应用牛顿第二定律了。引入引入惯性力惯性力：，则：，则：在在引入惯性力后，在非惯性系中，引入惯性力后，在非惯性系中，牛顿第二定律牛顿第二定律就可以用了。显然就可以用了。显然惯性力是一个虚拟的力惯性力是一个虚拟的力。第26页，本讲稿共26页