大学物理 第二章牛顿定理.ppt

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1、 2.1 牛顿运动三定律牛顿运动三定律 2.2 力学中常见的几种力力学中常见的几种力 2.3 牛顿运动定律的应用牛顿运动定律的应用 2.4 牛顿运动定律的适用范围牛顿运动定律的适用范围第2章 牛顿运动三定律位于美国华盛顿特区国际标准局的铯原子钟 运动和物体相互作用的关系是人类几千运动和物体相互作用的关系是人类几千年来不断探索的课题。年来不断探索的课题。力力的的作用既有作用既有瞬时效应瞬时效应，又有，又有积累效应积累效应：前者由前者由牛顿定律牛顿定律描述，后者则由描述，后者则由三大守恒定三大守恒定律律所描述。所描述。物体与物体间的相互作用称之为力。物体与物体间的相互作用称之为力。牛顿 Issac

2、 Newton（16431727）杰出的英国物理学家,经典物理学的奠基人.他的不朽巨著自然哲学的数学原理总结了前人和自己关于力学以及微积分学方面的研究成果.他在光学、热学和天文学等学科都有重大发现.自然哲学自然哲学的的数学原理数学原理（拉丁文：（拉丁文：Philosophiae Philosophiae NaturalisNaturalis Principia Principia MathematicaMathematica），是），是英国英国科学家科学家艾萨克艾萨克牛顿牛顿的代表作，成书于的代表作，成书于16861686年年。当时。当时英国皇英国皇家学会家学会要出版这部书，但是凑不出适当款子

3、，而皇家要出版这部书，但是凑不出适当款子，而皇家学会的干事学会的干事罗伯特罗伯特胡克胡克则声称则声称万有引力万有引力的的平方反比平方反比定律定律是他首先发现的，是他首先发现的，爱德蒙爱德蒙哈雷哈雷出于气愤，提议出于气愤，提议牛顿写了这本书，并由他牛顿写了这本书，并由他自费出版自费出版了牛顿的书，於了牛顿的书，於16871687年年7 7月月自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理拉丁文版问世。中拉丁文版问世。中译本出版於译本出版於19311931年年。该书的宗旨在于从各种运动现象。该书的宗旨在于从各种运动现象探究自然力，再用这些力说明各种自然现象。探究自然力，再用这些力说明各种自然现象。2.1 牛

4、顿运动三定律任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到外力迫使它改变这种状态直到外力迫使它改变这种状态为止为止。一一、牛顿第一定律牛顿第一定律数学形式：数学形式：时，时，恒矢量恒矢量 定义了物体的定义了物体的惯性惯性 任何物体都有保持其运动状任何物体都有保持其运动状态不变的性质态不变的性质,这一性质叫惯性这一性质叫惯性.定义了定义了力力 力是力是改变改变物体运动状态的原因物体运动状态的原因.（并（并非非维持维持物体运动状态的原因）。物体运动状态的原因）。第一定律的意义：第一定律的意义：二二、牛顿第二定律牛顿第二定律(2)直角坐标系中直角坐标系中自然坐标

5、中自然坐标中(1)质量不变质量不变三三、牛顿第三定律牛顿第三定律 成对性成对性 物体物体之间的作用是相互的；之间的作用是相互的；一致性一致性 作用力与反作用力性质一致；作用力与反作用力性质一致；同时性同时性 相互作用之间是相互依存，同生同灭。相互作用之间是相互依存，同生同灭。讨论讨论 2.2 力学中常见的几种力一、一、万有引力万有引力用矢量表示为用矢量表示为说明说明(1)依据万有引力定律定义的质量叫引力质量；依据牛顿第依据万有引力定律定义的质量叫引力质量；依据牛顿第二定律定义的质量叫惯性质量。实验表明：对同一物体二定律定义的质量叫惯性质量。实验表明：对同一物体来说，两种质量总是相等。来说，两种

6、质量总是相等。(2)万有引力定律只直接适用于两质点间的相互作用万有引力定律只直接适用于两质点间的相互作用 重力重力:地球对地面附近物体的万有引力地球对地面附近物体的万有引力.四种相互作用的力程和强度的比较四种相互作用的力程和强度的比较表中表中强度是强度是以两质子间相距为以两质子间相距为 时的相互时的相互作用强度为作用强度为1给出的给出的种种 类类相互作用粒子相互作用粒子强度强度力程力程/m引力作用引力作用所有粒子、质点所有粒子、质点弱相互作用弱相互作用带电粒子带电粒子电磁作用电磁作用核子、介子等强子核子、介子等强子强相互作用强相互作用强子等大多数粒子强子等大多数粒子温伯格温伯格萨拉姆萨拉姆格拉

7、肖格拉肖弱相互作用弱相互作用电磁相互作用电磁相互作用电弱相互电弱相互作用理论作用理论三人于三人于19791979年荣获诺贝尔物理学奖年荣获诺贝尔物理学奖鲁比亚鲁比亚,范德米尔实验证明电弱相互范德米尔实验证明电弱相互作用，作用，19841984年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖电弱相互作用电弱相互作用强相互作用强相互作用万有引力作用万有引力作用“大统一大统一”（尚待实现）（尚待实现）如图所示，一质点如图所示，一质点m 旁边放一长度为旁边放一长度为L、质量为质量为M 的杆，杆的杆，杆离质点近端距离为离质点近端距离为l解解例例该系统的万有引力大小该系统的万有引力大小求求当当 l L 时时杆、质点间引力杆、质点

8、间引力质元、质点间引力质元、质点间引力质元质元杆可看作是一质点问题：问题：杆能否看作是一质点？杆能否看作是一质点？二弹性力二弹性力 常见弹性力有：正压力、张力、弹簧常见弹性力有：正压力、张力、弹簧弹性力等弹性力等弹簧弹性力弹簧弹性力胡克定律胡克定律由物体形变而产生的由物体形变而产生的张力张力FFT ATBTAT BA B根据牛顿第三定律根据牛顿第三定律=-T ATA=-TBT B根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律mAB a=TA-TB若绳子质量忽略不计，则若绳子质量忽略不计，则TA=TB，各处张力相等，各处张力相等三、摩擦力三、摩擦力表面光滑仍存在有一定的摩擦力表面光滑仍存在有一定的摩擦力一般情

9、况一般情况 滑动滑动摩擦力摩擦力最大静最大静摩擦力摩擦力静静摩擦力摩擦力 2.3 牛顿运动定律的应用牛顿运动定律的应用一解题步骤一解题步骤 已知力求运动方程已知力求运动方程 已知运动方程求力已知运动方程求力二两类常见问题二两类常见问题隔离物体隔离物体 受力分析受力分析 建立坐建立坐标标 列方程列方程 解方程解方程 结果结果讨论讨论解解分别以分别以 ，定滑定滑轮为研究对象轮为研究对象对对 ，例例2.1一细绳跨过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分一细绳跨过一轴承光滑的定滑轮，绳的两端分别悬有质量为别悬有质量为 和和 的物体的物体()，如图所示，如图所示.设设滑轮和绳的质量可忽略不计，绳不能伸长，试求物

10、体滑轮和绳的质量可忽略不计，绳不能伸长，试求物体的加速度以及悬挂滑轮的绳中张力的加速度以及悬挂滑轮的绳中张力.对对 ，由牛顿第三定律知：由牛顿第三定律知：，又考，又考虑到定滑轮质量不计，所以有虑到定滑轮质量不计，所以有则对则对m应用牛顿定律列方程如下：应用牛顿定律列方程如下：例升降机内有一光滑斜面，固定在底板上，斜面例升降机内有一光滑斜面，固定在底板上，斜面倾角为倾角为.当升降机以匀加速度当升降机以匀加速度 竖直上升时，质量竖直上升时，质量为为m的物体从斜面顶端沿斜面开始下滑，如图所示的物体从斜面顶端沿斜面开始下滑，如图所示.已知斜面长为已知斜面长为l，求物体对斜面的压力，物体从斜面，求物体对

11、斜面的压力，物体从斜面顶点滑到底部所需的时间顶点滑到底部所需的时间.解解物体相对于地的加物体相对于地的加速度为速度为由牛顿第三定律可知，物体对斜面的压力为由牛顿第三定律可知，物体对斜面的压力为得得2.4 牛顿运动定律的适用范围牛顿运动定律的适用范围一一、惯性系与非惯性系惯性系与非惯性系a遵守第二定律遵守第二定律不遵守第二定律不遵守第二定律惯性系惯性系非惯性系非惯性系桌面光滑桌面光滑牛顿定律适用的参考系称为惯性系牛顿定律适用的参考系称为惯性系2.相对于惯性系作匀速直线运动的参照系也是惯性系相对于惯性系作匀速直线运动的参照系也是惯性系说明说明3.其中，加速度是相对于惯性系的。其中，加速度是相对于惯

12、性系的。1.牛顿运动定律只在惯性系中成立牛顿运动定律只在惯性系中成立4.相对于惯性系作加速运动的参照系是非惯性系相对于惯性系作加速运动的参照系是非惯性系 平动加速系平动加速系中的惯性力中的惯性力惯性系，牛顿定律成立。惯性系，牛顿定律成立。水平方向小球不受力水平方向小球不受力若若用用牛牛顿顿定定律律思思考考，则则必必认认为为小小球受力为球受力为小车是非惯性系小车是非惯性系牛顿定律不成立！牛顿定律不成立！小球加速小球加速aSmmaSaS系系小球静止小球静止aSmS 系系惯性力惯性力惯性力惯性力 惯性在非惯性系中惯性在非惯性系中的表现的表现.非惯性系中牛顿第二定律非惯性系中牛顿第二定律 2)惯性力不

13、是物体间的相互作用，不存在惯性力的反惯性力不是物体间的相互作用，不存在惯性力的反作用力作用力,找不出它的施力物体找不出它的施力物体 3)在研究地面上物体的运动时，地球可近似地看成是在研究地面上物体的运动时，地球可近似地看成是惯性参考系惯性参考系.注意注意1)惯性力是引入的虚拟的力惯性力是引入的虚拟的力.平动非惯性系中惯性力平动非惯性系中惯性力mF惯性力惯性力是参考系加速运动引起的附加力，是参考系加速运动引起的附加力，本质上本质上是物体惯性的体现。是物体惯性的体现。有真实的效果。有真实的效果。二战中的小故事：二战中的小故事：a0美美 Tinosa号潜艇号潜艇携带携带16枚鱼雷枚鱼雷离敌舰离敌舰4

14、000码码发射发射4枚枚斜向攻击斜向攻击使敌舰停航使敌舰停航离敌舰离敌舰 875码码垂直攻击垂直攻击发射发射11枚枚均未爆炸！均未爆炸！在太平洋海域在太平洋海域敌敌舰舰体体撞针滑块撞针滑块雷管雷管导板导板鱼雷鱼雷v撞针滑块撞针滑块雷管雷管导板导板鱼雷鱼雷v分析：分析：SF0近距、垂直近距、垂直 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 例例 动力摆可用来测定车辆的加速度动力摆可用来测定车辆的加速度.一根质量不一根质量不计的细棒一端固定在车厢的顶部计的细棒一端固定在车厢的顶部,另一端系一小球另一端系一小球,当列车以加速度当列车以加速度 a 行驶时行驶时,细杆偏离竖直线成细杆偏离竖直线成 角角.试求加速度试求加速度 a 与摆角与摆角 间的关系间的关系.解解 以车厢为参考系（非惯性系）小球处于平衡状态以车厢为参考系（非惯性系）小球处于平衡状态.分量式分量式解得解得二、二、牛顿定律适用范围牛顿定律适用范围牛顿定律适用于低速、宏观物体。牛顿定律适用于低速、宏观物体。狭义相对论狭义相对论 高速运动问题高速运动问题量子力学量子力学 微观粒子问题微观粒子问题