第2章牛顿力学优秀课件.ppt

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1、第2章牛顿力学第1页，本讲稿共46页 一一 掌握掌握牛顿定律的基本内容及其适用牛顿定律的基本内容及其适用条件条件 二二 熟练掌握熟练掌握用隔离体法分析物体的受力用隔离体法分析物体的受力情况，能用微积分方法求解情况，能用微积分方法求解变力作用下变力作用下的简单的简单质点动力学问题质点动力学问题 教学基本要求教学基本要求 三三 理解惯性系与非惯性系的概念，了解理解惯性系与非惯性系的概念，了解惯性力的概念惯性力的概念第2页，本讲稿共46页2.1 牛顿运动定律牛顿运动定律第3页，本讲稿共46页杰出的英国物理学家，经典物杰出的英国物理学家，经典物理学的奠基人理学的奠基人他的不朽巨著他的不朽巨著自自然哲学

2、的数学原理然哲学的数学原理总结了前人总结了前人和自己关于力学以及微积分学方和自己关于力学以及微积分学方面的研究成果，其中含有三条牛面的研究成果，其中含有三条牛顿运动定律和万有引力定律顿运动定律和万有引力定律,以及以及质量、动量、力和加速度等概念质量、动量、力和加速度等概念在光学方面，他说明了色散的起因，在光学方面，他说明了色散的起因，发现了色差及牛顿环，他还提出了发现了色差及牛顿环，他还提出了光的微粒说是光的微粒说是经典力学的第一部经经典力学的第一部经典著作典著作。牛顿牛顿 Issac Newton （16431727）第4页，本讲稿共46页一一 牛顿第一定律牛顿第一定律(Newton fir

3、st law)任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到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外力迫使它改变运动状态为止.时，时，恒矢量恒矢量“自由粒子自由粒子”总保持静止或匀速直线运动状态总保持静止或匀速直线运动状态。惯性惯性物体保持静止或匀速直线运动不变的属性。物体保持静止或匀速直线运动不变的属性。说明说明反映了物体的惯性，又叫做惯性定律反映了物体的惯性，又叫做惯性定律给出了力的概念，提出了力是改变物给出了力的概念，提出了力是改变物体运动状态的原因体运动状态的原因第5页，本讲稿共46页二二 牛顿第二定律牛顿第二定律(Newton second law)

4、运运动动的的“变变化化”与与所所加加动动力力成成正正比比，并并发发生生在在力力的的方方向向上上“动量动量”的概念：的概念：用动量描述运动比用速度更普遍和深刻用动量描述运动比用速度更普遍和深刻说明说明矢量关系矢量关系为合力为合力此关系是瞬时关系此关系是瞬时关系第6页，本讲稿共46页即即第7页，本讲稿共46页惯性质量惯性质量：牛顿第二定律中的质量常被称为惯性质量。牛顿第二定律中的质量常被称为惯性质量。(成立条件：物体运动速度成立条件：物体运动速度vC）引力质量：引力质量：式中式中被称为引力质量被称为引力质量经典力学中不区分引力质量和惯性质量经典力学中不区分引力质量和惯性质量第8页，本讲稿共46页(

5、1)瞬时瞬时关系关系(2)牛顿第二定律只适用于牛顿第二定律只适用于质点质点注注意意(3)力的叠加原理力的叠加原理（平行四边形法则）（平行四边形法则）第9页，本讲稿共46页例例1 1 质量为质量为m m的物体自空中落下，它除受重力外，还受到一的物体自空中落下，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，比例系数为个与速度平方成正比的阻力的作用，比例系数为k k，k k为正值为正值常量。求该物体下落的收尾速度？（收尾速度指最后物体常量。求该物体下落的收尾速度？（收尾速度指最后物体作匀速运动时的速度）作匀速运动时的速度）解：解：质点受力为竖直方向：质点受力为竖直方向：收尾速度时，收尾速度时

6、，第10页，本讲稿共46页 两个物体之间对各自对方的相互作用总是相等的，而且两个物体之间对各自对方的相互作用总是相等的，而且指向相反的方向。指向相反的方向。作用力与反作用力：作用力与反作用力：三三 牛顿第三定律牛顿第三定律(Newton third law)它们总是成对出现，它们之间一一对应。它们总是成对出现，它们之间一一对应。它们分别作用在两个物体上，绝不是平衡力。它们分别作用在两个物体上，绝不是平衡力。它们一定是属于同一性质的力。它们一定是属于同一性质的力。第11页，本讲稿共46页地球地球例例 分析物体间的相互作用力分析物体间的相互作用力第12页，本讲稿共46页拔河比赛只是比力气吗？拔河比

7、赛只是比力气吗？m2m1xOx20 x10C第13页，本讲稿共46页四四 力学相对性原理力学相对性原理 为常量为常量第14页，本讲稿共46页 (2)对于对于不同不同惯性系，牛顿力学的规律惯性系，牛顿力学的规律都具有都具有相同相同的形式，与惯性系的运动无关的形式，与惯性系的运动无关 (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的一切参考系都是惯性系一切参考系都是惯性系伽利略相对性原理伽利略相对性原理注意注意第15页，本讲稿共46页2.2 物理量的单位和量纲物理量的单位和量纲第16页，本讲稿共46页物理量的单位制物理量的单位制基本量的主单位称为基本量的主单位称为基本单位基本单位

8、.由基本单位以相乘、相除的形式构成的单位称为由基本单位以相乘、相除的形式构成的单位称为导出单位导出单位.长度长度 米米 m光在真空中于光在真空中于1299,792,458 s时间间隔内所经路径的长度时间间隔内所经路径的长度 质量质量 千克千克 kg“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体，保存在巴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黎度量衡局中 时间时间 秒秒 s 铯铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间为个周期的持续时间为1 s 1984年年2月月27

9、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（SI）为基础的法定单位制为基础的法定单位制第17页，本讲稿共46页 电流电流 安培安培 A 在两条置于真空中的在两条置于真空中的,相互平行相互平行,相距相距1米的无限长而圆截面可米的无限长而圆截面可以忽略的导线中以忽略的导线中,通以强度相同的恒定电流通以强度相同的恒定电流,若导线每米长所受的若导线每米长所受的力为力为0.0000002 N,则导线中的电流强度为则导线中的电流强度为1 A 热力学温度热力学温度 开尔文开尔文 K 水的三相点热力学温度的为水的三相点热力学温度的为1/273.15 物质的量物质的量 摩尔摩尔 mol

10、 12g C12原子的数目原子的数目 发光强度发光强度 坎德拉坎德拉 cd 一光源发出的频率为一光源发出的频率为5401012Hz的单色辐射的单色辐射,且在此方向上的且在此方向上的辐射强度为辐射强度为1/683W/Sr第18页，本讲稿共46页速率速率导出量导出量力力功功第19页，本讲稿共46页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.某一物理量某一物理量 的量纲的量纲量纲量纲定义：表示一个物理量如何由基本

11、量的组合所形定义：表示一个物理量如何由基本量的组合所形成的式子成的式子.量纲作用量纲作用第20页，本讲稿共46页2.3 几种常见的力几种常见的力第21页，本讲稿共46页一万有引力一万有引力引力常数引力常数m1 m2r 重力重力地表附近地表附近第22页，本讲稿共46页 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

12、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第23页，本讲稿共46页温伯格温伯格萨拉姆萨拉姆格拉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作范德米尔实验证明电弱相互作用，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）第24页，本讲稿共46页二弹性力二弹性力 常见弹性力有：正压力、张力、弹簧弹性常见弹性力有：正压力、张力、弹

13、簧弹性力等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第25页，本讲稿共46页例例1质量为质量为 、长为、长为 的柔软细绳，一端的柔软细绳，一端系着放在光滑桌面上质量为系着放在光滑桌面上质量为 的物体，在绳的物体，在绳的另一端加力的另一端加力 设绳的长度不变，质量分布设绳的长度不变，质量分布是均匀的求：是均匀的求：(1)绳作用在物体上的力；绳作用在物体上的力；(2)绳上任意点的张力绳上任意点的张力第26页，本讲稿共46页解解 想在点想在点 将绳将绳分为两段，分为两段，其间张力其间张力和和 大小相等大小相等,方向相反方向相反(1)由由得得第27页，本讲稿共46页（

14、2）Ox第28页，本讲稿共46页第29页，本讲稿共46页三摩擦力三摩擦力一般情况一般情况 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 第30页，本讲稿共46页例例2如图绳索绕在圆柱上，如图绳索绕在圆柱上，绳绕圆柱张角为绳绕圆柱张角为 ，绳与圆柱间，绳与圆柱间的静摩擦因数为的静摩擦因数为 ，求绳处于滑，求绳处于滑动边缘时动边缘时,绳两端的张力绳两端的张力 和和 间的关系间的关系(绳的质量忽略绳的质量忽略)第31页，本讲稿共46页圆柱对圆柱对 的摩擦力的摩擦力 圆柱对圆柱对 的支持力的支持力 解解取一小段绕在圆取一小段绕在圆柱上的绳柱上的绳取坐标如图取坐标如图两端的张力两端的张力

15、 ，的张角的张角 第32页，本讲稿共46页第33页，本讲稿共46页若若0.460.210.000 39第34页，本讲稿共46页2.4 牛顿定律的应用举例牛顿定律的应用举例第35页，本讲稿共46页1 1）确定研究对象进行受力分析；（隔离物体，画受力图）确定研究对象进行受力分析；（隔离物体，画受力图）2 2）取坐标系；取坐标系；3 3）列方程（一般用分量式）；列方程（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.6)6)讨论结果，分析此类问题的特点讨论结果，分析此类问题的特点。解

16、题的基本思路解题的基本思路两类问题：两类问题：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第36页，本讲稿共46页(1)如图所示滑轮和绳子的质量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轮与轴间的摩擦力均不计且 求重物求重物释放后，物体的加速度和绳释放后，物体的加速度和绳的张力的张力例例1阿特伍德机阿特伍德机第37页，本讲稿共46页解解(1)以地面为参考系以地面为参考系画受力图、选取坐标如右图画受力图、选取坐标如右图第38页，本讲稿共46页 （2）若将此装置置于电梯若将此装置置于电梯顶部，当电梯以加速度

17、顶部，当电梯以加速度 相对相对地面向上运动时，求两物体相地面向上运动时，求两物体相对电梯的加速度和绳的张力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设两物体相对于地面的加速度分别为速度分别为 ，且相对电，且相对电梯的加速度为梯的加速度为第39页，本讲稿共46页解得解得第40页，本讲稿共46页 例例2 如图，长为如图，长为 的轻的轻绳，一端系质量为绳，一端系质量为 的小的小球球,另一端系于定点另一端系于定点 ，时小球位于最低位置，时小球位于最低位置，并具有水平速度并具有水平速度 ，求，求小小球在任意位置的速率及绳的球在任意位置的速率及绳的张力张力第41页，

18、本讲稿共46页解解第42页，本讲稿共46页问绳和铅直方向所成的角度问绳和铅直方向所成的角度 为多少？空气阻力为多少？空气阻力不计不计例例3 如图如图,摆长为摆长为 的的圆圆锥摆，锥摆，细绳一端固定在天花细绳一端固定在天花板上，另一端悬挂质量为板上，另一端悬挂质量为 的小球，小球经推动后，在的小球，小球经推动后，在水平面内绕通过圆心水平面内绕通过圆心 的铅的铅直轴作角速度为直轴作角速度为 的匀速率的匀速率圆周运动圆周运动第43页，本讲稿共46页解解越大，越大，也越大也越大另有另有第44页，本讲稿共46页利用此原理，可制成蒸汽机的调速器利用此原理，可制成蒸汽机的调速器（如图所示）（如图所示）第45页，本讲稿共46页第46页，本讲稿共46页