第2章牛頓運(yùn)動(dòng)定律(大學(xué)物理課件)

1、2. 1 牛頓運(yùn)動(dòng)三定律牛頓運(yùn)動(dòng)三定律2. 2 力學(xué)中常見(jiàn)的幾種力力學(xué)中常見(jiàn)的幾種力2. 3 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用2. 4 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍任何質(zhì)點(diǎn)都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到其它物體任何質(zhì)點(diǎn)都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到其它物體作用的力迫使它改變這種狀態(tài)為止。作用的力迫使它改變這種狀態(tài)為止。第一定律第一定律引進(jìn)了引進(jìn)了二個(gè)重要概念二個(gè)重要概念慣性慣性( (inertia) ) 質(zhì)點(diǎn)不受力時(shí)保持靜止或勻速直線質(zhì)點(diǎn)不受力時(shí)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的的性質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的的性質(zhì), ,其大小用質(zhì)量量度。其大小用質(zhì)量量度。力力(force) 使質(zhì)點(diǎn)改變

2、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因使質(zhì)點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因0iF質(zhì)點(diǎn)處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)：質(zhì)點(diǎn)處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)：( 靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程 )一一. 牛頓第一定律牛頓第一定律( (Newton first law) )2.1 牛頓運(yùn)動(dòng)三定律牛頓運(yùn)動(dòng)三定律二二. 牛頓第二定律牛頓第二定律(Newton second law)某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率正比于該時(shí)刻作用在質(zhì)點(diǎn)上某時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率正比于該時(shí)刻作用在質(zhì)點(diǎn)上所有力的合力。所有力的合力。tmFid)d(v取適當(dāng)?shù)膯挝?，使取適當(dāng)?shù)膯挝?，?k =1 ，則有，則有tmFid)d( vamtmFiddv當(dāng)物體的質(zhì)量不隨時(shí)間變化時(shí)

3、當(dāng)物體的質(zhì)量不隨時(shí)間變化時(shí)tmkFid)d(v 直角坐標(biāo)系下為直角坐標(biāo)系下為 dd22txmmaFxixtmtmddddvv dd22tymmaFyiy dd22tzmmaFziz討論討論(1) 第二定律只適用于質(zhì)點(diǎn)第二定律只適用于質(zhì)點(diǎn)( (或可視為質(zhì)點(diǎn)的物體或可視為質(zhì)點(diǎn)的物體) )的運(yùn)動(dòng)情況。的運(yùn)動(dòng)情況。22)dd(1 tsrmrmmaFnnv自然坐標(biāo)下自然坐標(biāo)下22ddddtsmtmmaFv物體在運(yùn)動(dòng)中質(zhì)量有所增減物體在運(yùn)動(dòng)中質(zhì)量有所增減, ,如火箭、雨滴問(wèn)題如火箭、雨滴問(wèn)題。高高速速（v 106 m/s ) 運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)中, ,質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度相關(guān), ,如相對(duì)論效應(yīng)問(wèn)題。如

4、相對(duì)論效應(yīng)問(wèn)題。(2) 以下兩種情況下，質(zhì)量不能當(dāng)常量以下兩種情況下，質(zhì)量不能當(dāng)常量FF三三. 牛頓第三定律牛頓第三定律(Newton third law)第三定律揭示了力的兩個(gè)性質(zhì)第三定律揭示了力的兩個(gè)性質(zhì)成對(duì)性成對(duì)性 物體之間的作用是相互的。物體之間的作用是相互的。同時(shí)性同時(shí)性 相互作用之間是相互依存，同生同滅。相互作用之間是相互依存，同生同滅。當(dāng)物體當(dāng)物體 A 以力以力作用于物體作用于物體 B 時(shí)，物體時(shí)，物體 B 也同時(shí)以力也同時(shí)以力FF作用于物體作用于物體 A 上，上，F(xiàn)和和F總是大小相等，方向相反，總是大小相等，方向相反，且在同一直線上。且在同一直線上。討論討論作用力與反作用力不能

5、相互抵消。它們是同一種性質(zhì)的力。作用力與反作用力不能相互抵消。它們是同一種性質(zhì)的力。一一. . 萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力( (gravitation) )1m2m21F0r12Fr質(zhì)量為質(zhì)量為 m1、m2 ，相距為，相距為 r 的的兩質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力大小為兩質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力大小為221rmmGF 21311skgm1067. 6G用矢量表示為用矢量表示為說(shuō)明說(shuō)明(1) 依據(jù)萬(wàn)有引力定律定義的質(zhì)量叫依據(jù)萬(wàn)有引力定律定義的質(zhì)量叫引力質(zhì)量引力質(zhì)量，常見(jiàn)的用天，常見(jiàn)的用天平稱量物體的質(zhì)量，實(shí)際上就是測(cè)引力質(zhì)量；依據(jù)牛頓平稱量物體的質(zhì)量，實(shí)際上就是測(cè)引力質(zhì)量；依據(jù)牛頓第二定律定義的質(zhì)量叫第二定律定義的質(zhì)量叫慣性

6、質(zhì)量慣性質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)同一物。實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)同一物體來(lái)說(shuō)，兩種質(zhì)量總是相等。體來(lái)說(shuō)，兩種質(zhì)量總是相等。 2.2 力學(xué)中常見(jiàn)的幾種力力學(xué)中常見(jiàn)的幾種力022121rrmmGF(2) 萬(wàn)有引力定律只直接適用于兩質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。萬(wàn)有引力定律只直接適用于兩質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。如圖所示，一質(zhì)點(diǎn)如圖所示，一質(zhì)點(diǎn)m 旁邊放一長(zhǎng)度為旁邊放一長(zhǎng)度為L(zhǎng) 、質(zhì)量為質(zhì)量為M 的桿，的桿，桿離質(zhì)點(diǎn)近端距離為桿離質(zhì)點(diǎn)近端距離為l 。MmLl解解例例該系統(tǒng)的萬(wàn)有引力大小。該系統(tǒng)的萬(wàn)有引力大小。求求Mdxoxd? 2lmMGF x當(dāng)當(dāng) l L 時(shí)時(shí))( LllmMG2lmMG桿與質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力大小為桿與質(zhì)點(diǎn)間的萬(wàn)有引力大

7、小為質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)量元間的萬(wàn)有引力大小為質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)量元間的萬(wàn)有引力大小為22dddLxxmMGxMmGfLllLllLllxxLmMGxLxmMGff 2 2 ddd)(LllmMG二二. 彈性力彈性力(elastic force)當(dāng)兩宏觀物體有接觸且發(fā)生微小當(dāng)兩宏觀物體有接觸且發(fā)生微小形變形變時(shí)，形變的物體對(duì)與它接觸的物體會(huì)時(shí)，形變的物體對(duì)與它接觸的物體會(huì)產(chǎn)生力的作用，這種力叫產(chǎn)生力的作用，這種力叫彈性力彈性力 。在形變不超過(guò)一定限度內(nèi)，彈簧的彈在形變不超過(guò)一定限度內(nèi)，彈簧的彈性力遵從性力遵從胡克定律胡克定律 kxF 繩子在受到拉伸時(shí)，其內(nèi)部也同樣出現(xiàn)繩子在受到拉伸時(shí)，其內(nèi)部也同樣出現(xiàn)彈性張力彈性張

8、力。NNP無(wú)形變，無(wú)彈性力無(wú)形變，無(wú)彈性力一般情況下，繩子上各處的張力大小是不相等的，但在一般情況下，繩子上各處的張力大小是不相等的，但在繩子的質(zhì)量可以忽略不計(jì)時(shí)，繩子上各處的張力相等。繩子的質(zhì)量可以忽略不計(jì)時(shí)，繩子上各處的張力相等。三三. 摩擦力摩擦力（frictional force）當(dāng)兩相互接觸的物體當(dāng)兩相互接觸的物體彼此之間保持相對(duì)靜止，且彼此之間保持相對(duì)靜止，且沿接觸面有沿接觸面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面之間會(huì)產(chǎn)生一對(duì)阻止上述運(yùn)動(dòng)趨時(shí)，在接觸面之間會(huì)產(chǎn)生一對(duì)阻止上述運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，勢(shì)的力，稱為稱為靜摩擦力靜摩擦力。1. 靜摩擦力靜摩擦力(static frictional

9、force)說(shuō)明說(shuō)明靜摩擦力的大小隨引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的外力而變化。最大靜摩擦力的大小隨引起相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的外力而變化。最大靜摩擦力為靜摩擦力為 fmax=0 N2. 滑動(dòng)摩擦力滑動(dòng)摩擦力( (sliding frictional force) )兩物體相互接觸，并有兩物體相互接觸，并有相對(duì)滑動(dòng)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在兩物體接觸處出現(xiàn)時(shí)，在兩物體接觸處出現(xiàn)的相互作用的摩擦力，稱為的相互作用的摩擦力，稱為滑動(dòng)摩擦力滑動(dòng)摩擦力。 Nf ( 0 為最大靜摩擦系數(shù)為最大靜摩擦系數(shù)，N 為正壓力為正壓力)( 為滑動(dòng)摩擦系數(shù)為滑動(dòng)摩擦系數(shù))二二. .解題步驟解題步驟 已知力求運(yùn)動(dòng)方程已知力求運(yùn)動(dòng)方程 已知運(yùn)動(dòng)方程求力已

10、知運(yùn)動(dòng)方程求力一一. .兩類常見(jiàn)問(wèn)題兩類常見(jiàn)問(wèn)題FarraF 隔離物體隔離物體 受力分析受力分析 建立坐標(biāo)建立坐標(biāo) 列方程列方程 解方程解方程 結(jié)果討論結(jié)果討論2.3 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用設(shè)一高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子沿豎直方向以設(shè)一高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子沿豎直方向以 v0 向上運(yùn)動(dòng)，從向上運(yùn)動(dòng)，從時(shí)刻時(shí)刻 t = 0 開(kāi)始粒子受到開(kāi)始粒子受到 F =F0 t 水平力的作用，水平力的作用，F(xiàn)0 為常為常量，粒子質(zhì)量為量，粒子質(zhì)量為 m 。xxmatFF0txtmtFx 0 0 0 ddvvtaxxddvxyom)(tF水平方向有水平方向有tx 0 0 txdd例例0v解解粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡粒子

11、的運(yùn)動(dòng)軌跡( (忽略重力的影響忽略重力的影響) )。求求mtFx220vtmtFxd2 d20306tmFx jtBi tAr sin cosjBiAtrta sin cosdddd2222vrmamF2例例解解r2求求 物體受到的力物體受到的力已知一物體的質(zhì)量為已知一物體的質(zhì)量為 m , , 運(yùn)動(dòng)方程為運(yùn)動(dòng)方程為33006ymFxv運(yùn)動(dòng)軌跡為運(yùn)動(dòng)軌跡為豎直方向有豎直方向有0yymaFty0vt dydvvy0 即即一一. 慣性系慣性系（inertial frame）甲乙m牛頓定律適用牛頓定律適用牛頓定律不適用牛頓定律不適用有力有力amF地面參考系中的觀察者甲：地面參考系中的觀察者甲： Fa0

12、, 0Fam運(yùn)動(dòng)車廂參考系中的觀察者乙：運(yùn)動(dòng)車廂參考系中的觀察者乙：有力有力 Fa和加速度和加速度即即無(wú)加速度無(wú)加速度慣性系：慣性系：牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用的參考系牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用的參考系結(jié)論：結(jié)論：牛頓第二定律不能同時(shí)適用于上述兩種參考系牛頓第二定律不能同時(shí)適用于上述兩種參考系aF2.4 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍討論討論(2) 相對(duì)于一慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系。相對(duì)于一慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系。(1) 嚴(yán)格的慣性系是關(guān)于參照系的一種理想模型。大多數(shù)情嚴(yán)格的慣性系是關(guān)于參照系的一種理想模型。大多數(shù)情況下，通常取地面參考系為慣性參考系。況下，通常取地面參考系為慣性參考系。二二. 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律的適用范圍牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律適用