物理第二章牛顿定律精品文稿.ppt

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1、物理第二章牛顿定律第1页，本讲稿共40页本章重点与难点本章重点与难点重点：掌握牛顿定律的基本内容及其适用条件；熟练掌握用隔离体法分析物体的受力情况,能用微积分方法求解变力作用下的简单质点动力学问题。难点：一维的变力作用下质点动力学基本问题。第2页，本讲稿共40页2.1 牛顿定律第3页，本讲稿共40页 牛顿 Issac 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.第4页，本讲稿共40页 数学形式数学形式：时，时，恒矢量恒矢量说明：（说明：（1）定

2、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任何物体都有保持其运动状态不变的性质动状态不变的性质,这一性质叫惯性这一性质叫惯性.表述表述：任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，：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到外力迫使它改变运动状态为止.（2）定义了定义了力力 力是物体运动状态发生变化的原因力是物体运动状态发生变化的原因.（3）定义了定义了惯性参照系惯性参照系 物体在某参考系中物体在某参考系中,不受其他物体不受其他物体作用而保持静止或匀速直线运动状态作用而保持静止或匀速直线运动状态 ,这个参考系称为惯性这个参考系称为惯性系系 .相对惯性

3、系静止或匀速直线运动的参照系也是惯性系相对惯性系静止或匀速直线运动的参照系也是惯性系.一一 牛顿第一定律牛顿第一定律第5页，本讲稿共40页当当 时，时，为为常量常量（3）力的叠加原理）力的叠加原理说明说明：（：（1）牛顿第二定律只适用于）牛顿第二定律只适用于质点质点的运动的运动.二二 牛顿第二定律牛顿第二定律表述：表述：物体动量随时间的变化率物体动量随时间的变化率 等于作用于物等于作用于物体的合外力体的合外力 ,即即（2）质点所受合外力与获得的加速度为）质点所受合外力与获得的加速度为瞬时对应瞬时对应关系关系第6页，本讲稿共40页一般形式一般形式直角坐标系直角坐标系自然坐标系自然坐标系（4）牛顿

4、第二定律的数学表达式）牛顿第二定律的数学表达式第7页，本讲稿共40页 两个物体之间作用力两个物体之间作用力 和反作和反作用力用力 ,沿同一直线沿同一直线,大小相等大小相等,方向相反方向相反,分别作用分别作用 在两个物体上在两个物体上.（物体间相互作用规律）（物体间相互作用规律）三三 牛顿第三定律牛顿第三定律地球地球第8页，本讲稿共40页理想光滑桌面上的约束力理想光滑桌面上的约束力.3.砝码所受重力的反作用力是什么砝码所受重力的反作用力是什么?1.的反作用力是什么的反作用力是什么?2.能否说能否说 就是砝码的就是砝码的重力传下来的重力传下来的,它们是一回事它们是一回事吗吗?作用力和反作用力应是同

5、一种力作用力和反作用力应是同一种力.注意注意 牛顿三定律只在惯性参考系中成立牛顿三定律只在惯性参考系中成立.牛顿三定律的研究对象是单个物体牛顿三定律的研究对象是单个物体(质点质点).若研若研究对象较复杂，必须将它各部分隔离开来究对象较复杂，必须将它各部分隔离开来,分别进行研分别进行研究究.讨论讨论第9页，本讲稿共40页2.2 物理量的单位和量纲第10页，本讲稿共40页 1m 1m 是光在真空中在（是光在真空中在（1/299792458 s 1/299792458 s）内所经过）内所经过的距离的距离.力学的力学的基本单位基本单位物理量的量纲和单位物理量的量纲和单位 1s 1s 是铯的一种同位素是

6、铯的一种同位素133 Cs 133 Cs 原子发出的一个原子发出的一个特征频率光波周期的特征频率光波周期的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属圆柱体，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11页，本讲稿共40页速率速率导出量导出量力力功功第12页，本讲稿共40页 定义：表示一个物理量如何由基本量的组合所形成的定义：表示一个物理量如何由基本量的组合所形成的式子式子.量纲量纲某一物理量某一物理量 的量纲的量纲第13页，本

7、讲稿共40页量纲作用量纲作用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14页，本讲稿共40页2.3 几种常见的力第15页，本讲稿共40页 物体间的万有引力：物体间的万有引力：万有引力常数万有引力常数：一一 万有引力万有引力（1）万有引力定律适用于两个质点）万有引力定律适用于两个质点.（2）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.第16页，本讲稿共40页常见的有常见的有：压力、

8、支持力、张力、弹簧弹性力等。：压力、支持力、张力、弹簧弹性力等。特点特点：弹性限度内弹性力遵从胡克定律：弹性限度内弹性力遵从胡克定律表述表述：物体在受力形变时：物体在受力形变时,有恢复原状的趋势有恢复原状的趋势,这种抵抗这种抵抗外力外力,力图恢复原状的的力就是力图恢复原状的的力就是弹性力弹性力.若线密度若线密度 绳各处张力相等绳各处张力相等.二二 弹性力弹性力第17页，本讲稿共40页 滑动滑动摩擦力摩擦力 静静摩擦力摩擦力三三 摩擦力摩擦力 当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋势时当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋势时,它它们中间所产生的阻碍相对运动的力称为摩擦力们中间所产生的阻

9、碍相对运动的力称为摩擦力.干摩擦干摩擦:固体表面之间的摩擦固体表面之间的摩擦.（滑动滑动摩擦、摩擦、静静摩擦、摩擦、滚滚动动摩擦）摩擦）湿摩擦湿摩擦:液体内部或液体和固体表面的摩擦液体内部或液体和固体表面的摩擦.最大最大静摩擦静摩擦一般一般情况情况 滑动滑动摩擦系数摩擦系数静静摩擦系数摩擦系数接触面间正压力接触面间正压力第18页，本讲稿共40页 讨论：胖子和瘦子拔河,两人彼此之间施与的力是一对作用力和反作用力（绳子质量可略），大小相等，方向相反，那么他们的输赢与什么有关？50kg胜负的关键在于脚下的摩擦力.第19页，本讲稿共40页2.4 牛顿定律应用举例第20页，本讲稿共40页1、确定研究对象

10、进行受力分析；（隔离物体，画受力图，不要画力的分解图.）应用牛顿定律解题的基本思路应用牛顿定律解题的基本思路2、取坐标系；3、列方程（一般用分量式,用文字符号列方程式）；4、利用其它的约束条件列补充方程；5、先用文字符号求解，后代入数据计算结果.第21页，本讲稿共40页 例例 质量为质量为 m 的物体自空中落下，它除受重力外，的物体自空中落下，它除受重力外，还受到一个与速度平方成正比的阻力的作用。比例系还受到一个与速度平方成正比的阻力的作用。比例系数为数为 k，k 为正常数。该下落物体的收尾速度为正常数。该下落物体的收尾速度(即最即最后物体做匀速直线的速度后物体做匀速直线的速度)将是：将是：第

11、22页，本讲稿共40页 例：例：在倾角为在倾角为 的固定光滑的斜面上，放一质的固定光滑的斜面上，放一质量为量为 的小球，球被竖直的木板挡住，当竖直木板的小球，球被竖直的木板挡住，当竖直木板被迅速拿开的瞬间，小球获得的被迅速拿开的瞬间，小球获得的加速度加速度（A）（B）（C）（D）第23页，本讲稿共40页（A A）=/2 =/2 （B B）=arccos(g/R=arccos(g/R2 2)（C C）=arctg(R=arctg(R2 2/g)/g)（D D）需由小珠质量决定）需由小珠质量决定 例例 一小环可在半径为一小环可在半径为R R的大圆环上无摩擦地滑动，的大圆环上无摩擦地滑动，大圆环以其

12、竖直直径为轴转动，如图所示。当圆环以恒大圆环以其竖直直径为轴转动，如图所示。当圆环以恒定角速度定角速度转动，小环偏离圆环转轴而且相对圆环静止转动，小环偏离圆环转轴而且相对圆环静止时，小环所在处圆环半径偏离竖直方向的角度时，小环所在处圆环半径偏离竖直方向的角度为为解：解：对小环受力分析，有：对小环受力分析，有：从以上二式可得到：从以上二式可得到：R第24页，本讲稿共40页 （1 1）如图所示滑轮和绳子的质量均不计，如图所示滑轮和绳子的质量均不计，滑轮与绳间的摩擦力以及滑轮与轴间的摩擦力滑轮与绳间的摩擦力以及滑轮与轴间的摩擦力均不计均不计.且且 .求重物求重物释放后，物体的释放后，物体的加速度和绳

13、的张力加速度和绳的张力.解解 以地面为参考系以地面为参考系画受力图、选取坐标如图画受力图、选取坐标如图例例1 1 阿特伍德机阿特伍德机第25页，本讲稿共40页 （2 2）求物体的运动方程求物体的运动方程.解解 绳不可伸长绳不可伸长,则两物体的加速度的则两物体的加速度的值保持相等值保持相等,对对m1 1第26页，本讲稿共40页解解 汽车的加速度汽车的加速度思考思考:在在 6.90s 的时间里的时间里,汽车行进了多长的路程汽车行进了多长的路程?例例2 设有一质量为设有一质量为m=2500kg 的汽车的汽车,在平直的高在平直的高速公里上以每小时速公里上以每小时 120km 的速度行驶的速度行驶.若欲

14、使汽车平稳若欲使汽车平稳地停下来地停下来,驾驶员启动刹车装置驾驶员启动刹车装置,刹车阻力是随时间线刹车阻力是随时间线性增加的性增加的,即即 ,其中其中 b=3500Ns.试问此车试问此车经过多长时间停下来经过多长时间停下来.第27页，本讲稿共40页 例例3 高台跳水游泳池的深度高台跳水游泳池的深度.为保证跳水运动员从为保证跳水运动员从10m 高高台跳入游泳池中的安全台跳入游泳池中的安全,规范要求水深必须在规范要求水深必须在4.50 5.50m 之间之间.为什么要做这样的规定呢为什么要做这样的规定呢?解：解：1）运动员自由落体入水，速度）运动员自由落体入水，速度 2）设所受阻力：设所受阻力：水中

15、安全速度水中安全速度 ；人体质量；人体质量 .第28页，本讲稿共40页入水后入水后令令:y已知已知：由由得得第29页，本讲稿共40页 例例4 如图所示（圆锥摆），长为如图所示（圆锥摆），长为 的细绳一端固的细绳一端固定在天花板上，另一端悬挂质量为定在天花板上，另一端悬挂质量为 的小球，小球经的小球，小球经推动后，在水平面内绕通过圆心推动后，在水平面内绕通过圆心 O O 的铅直轴作角速度的铅直轴作角速度为为 的匀速率圆周运动的匀速率圆周运动.问绳和铅直方向所成的角问绳和铅直方向所成的角度度 为多少？空气阻力不计为多少？空气阻力不计.解解:第30页，本讲稿共40页越大，越大，也越大也越大利用此原理

16、，可制成蒸汽机的调速器（如图所示）利用此原理，可制成蒸汽机的调速器（如图所示）.第31页，本讲稿共40页 例例(练习题练习题9 9）一物体自地面以速率一物体自地面以速率 上抛。假定空上抛。假定空气对物体的阻力大小为气对物体的阻力大小为 ，其中，其中 为物体的质量，为物体的质量，k k为常量。试求：（为常量。试求：（1 1）该物体所能到达的最大高度；）该物体所能到达的最大高度；（2 2）物体返回地面时的速度大小。）物体返回地面时的速度大小。第32页，本讲稿共40页 例例 已知一物体质量已知一物体质量 沿水平方向运动，初速度沿水平方向运动，初速度为为 ，所受的阻力为，所受的阻力为 ，求停止运动时，

17、求停止运动时，物体运动的距离。物体运动的距离。解：解：第33页，本讲稿共40页 例例 质量为质量为m的物体在摩擦系数为的物体在摩擦系数为 的平面上作匀速直的平面上作匀速直线运动，问当力与水平面成线运动，问当力与水平面成角多大时最省力？角多大时最省力？解：解：建立坐标系，建立坐标系，受力分析，列受力方程。受力分析，列受力方程。联立求解：联立求解：分母有极大值时，分母有极大值时，F 有极小值，有极小值，第34页，本讲稿共40页由由有有 例例 质量为质量为 m 的物体，在的物体，在 F=F0-kt 的外力作用下沿的外力作用下沿 x 轴运动，已知轴运动，已知 t=0 时，时，x0=0,v0=0,求：物

18、体在任意时刻的求：物体在任意时刻的加速度加速度 a，速度，速度 v 和位移和位移 x 。解：解：第35页，本讲稿共40页第二章内容小结第二章内容小结第36页，本讲稿共40页一一 牛顿运动定律牛顿运动定律第一定律：第一定律：惯性和力的概念，惯性系的定义惯性和力的概念，惯性系的定义.0第二定律：第二定律：当当 时，写作时，写作第三定律第三定律力的叠加原理力的叠加原理二二 国际单位制国际单位制力学基本单位力学基本单位 m、kg、s量纲：表示导出量是如何由基本量组成的关系式量纲：表示导出量是如何由基本量组成的关系式.第37页，本讲稿共40页直角坐标表达形式直角坐标表达形式自然坐标表达形式自然坐标表达形

19、式牛牛顿顿第第二二定定律律的的数数学学表表达达式式一般的表达形式一般的表达形式第38页，本讲稿共40页（1）万有引力）万有引力重力重力三三 几种常见的力几种常见的力(3(3）摩擦力摩擦力 滑动摩擦力滑动摩擦力 静摩擦力静摩擦力（2）弹性力：）弹性力：弹簧弹力弹簧弹力 （张力、正压力和支持力）（张力、正压力和支持力）基本自然力基本自然力：引力、弱力、电磁力、强力：引力、弱力、电磁力、强力.已统一已统一第39页，本讲稿共40页 1 1）确定研究对象，）确定研究对象，几个物体连在一起需作隔离体，几个物体连在一起需作隔离体，把内力视为外力；把内力视为外力；2 2）受力分析：画受力图受力分析：画受力图；

20、3 3）建立坐标系，列方程求解建立坐标系，列方程求解；(用分量式用分量式)4 4）先用文字符号求解，后代入数据计算结果）先用文字符号求解，后代入数据计算结果.五五 应用牛顿定律解题的基本思路应用牛顿定律解题的基本思路四四 惯性系和非惯性系惯性系和非惯性系 惯性力惯性力 在平动加速参考系中在平动加速参考系中 （为非惯性系相为非惯性系相对于惯性系的加速度）对于惯性系的加速度）在转动参考系中，惯性离心力在转动参考系中，惯性离心力 对某一特定物体惯性定律成立的参考系叫做惯性参对某一特定物体惯性定律成立的参考系叫做惯性参考系考系.相对惯性系作加速运动的参考系为非惯性参考系相对惯性系作加速运动的参考系为非惯性参考系.第40页，本讲稿共40页