第02章1次課-牛頓定律單位引力重力彈性力-51427

第二章牛頓定律

動(dòng)力學(xué)1/18英國物理學(xué)家,經(jīng)典物理學(xué)的奠基人.他對力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、天文學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科都有重大發(fā)現(xiàn)，其代表作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是力學(xué)的經(jīng)典著作.牛頓是近代自然科學(xué)奠基時(shí)期具有集前人之大成的偉大科學(xué)家.牛頓IssacNewton

（1643－1727）§2.1牛頓定律牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中將物體的運(yùn)動(dòng)概括為三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律,加上萬有引力定律一起就構(gòu)成了牛頓定律的主要內(nèi)容.任何物體都要保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài).這就是牛頓第一定律.又常稱為慣性定律.一、牛頓第一定律(ii)慣性:

任何物體都具有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì).(iii)力:

一個(gè)物體對另一個(gè)物體的作用.時(shí)，恒矢量(i)數(shù)學(xué)表述:(1)2/18§2.1牛頓定律(iv)慣性(坐標(biāo))系:

在慣性系中,當(dāng)一個(gè)物體不受其它物體的作用時(shí)將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).(v)非慣性系:

在非慣性系中,即使一個(gè)物體不受其它物體的作用,物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也可能發(fā)生改變.如火車起動(dòng)或剎車時(shí),火車就是非慣性系.地球可以近似看成是慣性坐標(biāo)系.

如果參考系S是慣性系,則以恒定速度相對于S系運(yùn)動(dòng)的參考系S′也是慣性系.

由于地球是慣性系,因在地面作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任何物體都是慣性系.思考問題:

一艘船在一個(gè)風(fēng)平浪靜的海面上勻速地航行,某人站在船尾縱身向上一躍,問此人下落時(shí)是落在船上還是落在海里?3/18二、牛頓第二定律§2.1牛頓定律1.動(dòng)量:物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的乘積叫做物體的動(dòng)量.(2)動(dòng)量是矢量,其方向與速度方向相同.2.牛頓第二定律文字表述:

動(dòng)量為

的物體,在合外力的作用下,其動(dòng)量隨時(shí)間的變化率應(yīng)當(dāng)?shù)扔谧饔糜谖矬w的合外力.數(shù)學(xué)表達(dá)式,即動(dòng)力學(xué)方程(3)在牛頓力學(xué)范圍,物體的質(zhì)量不隨速度變化.因此(2)式還可寫成,(4)即動(dòng)量的單位是kg·m·s-14/18

牛頓第二定律滿足疊加原理瞬時(shí)關(guān)系:牛頓定律僅適用于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng).§2.1牛頓定律3.牛頓第二定律的注意點(diǎn)對于不能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)處理的物體,牛頓第二定律不適用.(4)牛頓第二定律由(4)式可見,物體受力的作用時(shí),要產(chǎn)生加速度!即力是產(chǎn)生加速度的原因.(4)式在任意時(shí)刻都成立,不是對一段時(shí)間的平均效果.當(dāng)一個(gè)物體同時(shí)受到多個(gè)力的作用時(shí),其合外力所產(chǎn)生的加速度等于各個(gè)分外力所產(chǎn)生的加速度矢量和.5/18§2.1牛頓定律4.直角坐標(biāo)系和自然坐標(biāo)系中牛頓第二定律的表達(dá)式(i)直角坐標(biāo)系中即(5)(ii)自然坐標(biāo)系中式中是運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑.因此在切線方向和法線方向滿足下列式子,(6)(7)6/18三、力學(xué)相對性原理§2.1牛頓定律對于不同慣性系,牛頓定律都具有相同的形式,與慣性系的運(yùn)動(dòng)無關(guān).這個(gè)原理稱為力學(xué)相對性原理或伽利略相對性原理.

設(shè)參考系S(Oxyz)為慣性系,參考系S′(Oxyz)相對于S系做勻速直線運(yùn)動(dòng),因此,參考系S′(Oxyz)也是慣性系.有一質(zhì)點(diǎn)在S系中的速度為;質(zhì)點(diǎn)在S′系中的速度為;則由伽利略速度變換式,得由此可得加速度關(guān)系式為因?yàn)閰⒖枷礢′(Oxyz)相對于S系做勻速直線運(yùn)動(dòng),即即(8)因此,(9)S慣性系S′慣性系7/18兩個(gè)物體之間作用力和反作用力

,沿同一直線，大小相等,方向相反,分別作用在兩個(gè)物體上.四、牛頓第三定律地球§2.1牛頓定律物體之間的作用是相互的,物體A對物體B施加作用的同時(shí)物體B對物體A也施加作用.一個(gè)叫做作用力,則另一個(gè)就是反作用力.牛頓第三定律的文字表述:牛頓第三定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式:作用力和反作用力同時(shí)產(chǎn)生,同時(shí)消失.例如,一木塊通過一段繩子系于天花板下,試分析其受力情況,哪此是作用力和反作用力?(10)8/18P和P是一對作用力和反作用力；T和T是一對作用力和反作用力；P和是一對平衡力，不是作用力和反作用力；(1)如圖所示滑輪和繩子的質(zhì)量均不計(jì)，滑輪與繩間的摩擦力以及滑輪與軸間的摩擦力均不計(jì),且m1>m2.求重物釋放后，物體的加速度和繩的張力.解P38例1

阿特伍德機(jī)§2.1牛頓定律(i)確定研究對象以地面為參考系,m1和m2的坐標(biāo)如圖所示.m1和m2都是研究對象,二者的速度大小和加速度大小相同.(ii)受力分析,作受力圖.如圖所示.(iii)建立坐標(biāo)系(iv)根據(jù)牛頓定律列方程對m1

有:對m2

有:(v)約束條件m1m29/18§2.1牛頓定律二式相加得,即將a代入得m1m210/18(2)若將此裝置置于電梯頂部,當(dāng)電梯以加速度相對地面向上運(yùn)動(dòng)時(shí),求兩物體相對電梯的加速度和繩的張力.解§2.1牛頓定律以地面為參考系建立方程,有請注意,

這時(shí)兩物體相對于地面的加速度大小是不同的.設(shè)兩物體相對于地面的加速度分別為，且相對電梯的加速度為和m1m2對m1

有:(1)對m2

有:(2)約束條件(3)將(3)式代入(1)(2)二式并解方程組得,由此可見,物體相對電梯的加速度比電梯靜止時(shí)增大了,且繩的張力也增大了.11/18

1m

是光在真空中1/299792458秒內(nèi)所經(jīng)過的距離.1.力學(xué)的基本單位1984年2月27日,我國國務(wù)院頒布實(shí)行以國際單位制(SI)為基礎(chǔ)的法定單位制.

1s

是銫的一種同位素133CS

原子發(fā)出的一個(gè)特征頻率光波周期的9192631779倍.

“千克標(biāo)準(zhǔn)原器”

是用鉑銥合金制造的一個(gè)金屬圓柱體，保存在巴黎度量衡局中.物理量

長度

質(zhì)量

時(shí)間

單位名稱

米

千克

秒

符號mkgS§2.2物理量的單位一般來說,物理量除了具有大小外,還有單位.物理量有很多,但其中只有7個(gè)是最基本的,稱為基本量,其單位稱為基本單位.長度、質(zhì)量、時(shí)間、電流強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度、溫度、摩爾等7個(gè)基本物理量中,力學(xué)部分主要三個(gè)：長度、質(zhì)量和時(shí)間.其它物理的單位可以由這7個(gè)推導(dǎo)出來,稱為導(dǎo)出量,其單位稱為導(dǎo)出單位.12/18導(dǎo)出量:由基本量構(gòu)成的物理量.力功§2.2物理量的單位2.導(dǎo)出量和導(dǎo)出單位速度例如導(dǎo)出單位:導(dǎo)出量的單位.米/秒牛焦耳角速率弧度/秒角加速率弧度/秒2加速度米/秒2一些典型的時(shí)間長度地球公轉(zhuǎn)周期

人脈搏周期

約最短粒子壽命宇宙年齡約（140億年）13/18

一些典型的空間尺度(長度)一些典型的實(shí)際物體質(zhì)量可觀察宇宙半徑宇宙地球半徑太陽說話聲波波長地球可見光波波長宇宙飛船原子半徑最小病毒質(zhì)子半徑電子夸克半徑光子，中微子（靜）§2.2物理量的單位14/18

自然界的四種基本相互作用力＊以相距10-15m處強(qiáng)相互作用的力強(qiáng)度為1力的種類相互作用的物體力的強(qiáng)度力程萬有引力一切質(zhì)點(diǎn)無限遠(yuǎn)弱力大多數(shù)粒子

小于電磁力電荷無限遠(yuǎn)強(qiáng)力核子、介子等＊§2.3幾種常見的力15/18牛頓第二定律物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由受力和初始條件決定一、萬有引力萬有引力定律式中G是一個(gè)與物體無關(guān)的普適常數(shù),叫做引力常量.§2.3幾種常見的力牛頓根據(jù)第谷、開普勒等人對天體的研究加上自己的研究,提出:任何兩個(gè)物體之間都存在相互吸引的力,且所有這些力都遵循相同的規(guī)律.這種相互吸引的力叫做萬有引力.1.萬有引力定律:

質(zhì)量為m1和m2,相距為r的兩質(zhì)點(diǎn)間的萬有引力的大小與它們質(zhì)量的乘積成正比,與兩質(zhì)點(diǎn)間距離的平方成反比,方向沿兩質(zhì)點(diǎn)的連線.2.萬有引力公式:(1)m2m1r和是一對作用力和反作用力.16/18F為m1對m2的萬有引力.萬有引力公式的矢量形式:(2)m2m1r為由m1指向m2的單位矢量.§2.3幾種常見的力3.重力地球?qū)Φ孛娓浇矬w的萬有引力叫做重力.m物體在重力作用下產(chǎn)生的加速度叫重力加速度.根據(jù)牛頓第二定律,得(3)通常又稱為重量.如圖所示.地球mERmE由于物體離地面的高度遠(yuǎn)小于物體到地球中心