《牛頓定律》PPT課件.ppt

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1、1 第 二 章 牛 頓 定 律 動(dòng) 量 定 理Isaac Newton (1642-1727) 2 在自然界中，最古老的問(wèn)題莫過(guò)于運(yùn)動(dòng)了。 伽 利 略凡運(yùn)動(dòng)著的事物必然都有推動(dòng)者在推著它運(yùn)動(dòng) 亞 里 士 多 德物理學(xué)伽 利 略領(lǐng)悟到，將人們引入歧途的，是摩擦力，或空氣、水等介質(zhì)的阻力，這是人們?cè)谌粘Ｓ^察物體運(yùn)動(dòng)時(shí)難以完全避免的。為了得到正確的線索，除了實(shí)驗(yàn)和觀察外，還需要抽象的思維。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)和落體實(shí)驗(yàn)。 3 2.1 牛 頓 定 律牛 頓 第 一 定 律 (慣 性 定 律 ）任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非有作用于它上的力改變這種狀態(tài)。慣性定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡(jiǎn)稱

2、慣性系。非慣性系：相對(duì)慣性系做變速平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的參考系存在一慣性參考系，可建立一系列相對(duì)它勻速平動(dòng)的其它慣性系。慣性定律提出了慣性和力兩個(gè)概念慣性是物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)稟屬性；力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的外加因素。 4 牛 頓 第 二 定 律運(yùn)動(dòng)的變化與所加的力成正比，并且沿著此力的方向amF 牛頓第二定律只在慣性系中成立牛頓第二定律既是動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律；同時(shí)又可作為質(zhì)量和力的定義，據(jù)此可對(duì)質(zhì)量和力進(jìn)行測(cè)量。 5 物體質(zhì)量的度量值與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，在不同的參考系中質(zhì)量m的度量值相同 質(zhì)量的標(biāo)量性。兩個(gè)物體組合成大物體的質(zhì)量等于兩個(gè)物體質(zhì)量的和 質(zhì)量是廣延量amF 質(zhì)量是標(biāo)量，加速度是

3、矢量，力因而是矢量例 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 同時(shí)作用在物體上的兩個(gè)力產(chǎn)生的加速度 等于兩個(gè)力的矢量和產(chǎn)生的加速度。 mFFa 21 6 Laboratory Test of Newtons Second Law for Small Accelerations PRL 98, 150801 (2007)At very small accelerations a deviation from Newtons second law could remain hidden in most laboratory scale experiments, but might appear in astrophysical

4、 and cosmological observations.The flatness of galactic rotation curvesThe Pioneer anomaly The Hubble accelerationMilgroms modified Newtonian dynamics suggested that Newtons second law would smoothly transition from F a to2100 /102.1 sma 210 /107 smcHaH 210 /109 sma 002 aaataaF 7 We have found no de

5、viation from the proportionality in Newtons second law down to accelerations of 5 10-14 m/s2, which is approximately 1000 times smaller than the previous 1986 test. 以此加速度從靜止加速一天移動(dòng)的距離是0.1866毫米 8 牛 頓 第 三 定 律 ：物體之間的相互作用力，大小相等，方向相反第三定律是關(guān)于力的最一般性質(zhì)的定律，而不是動(dòng)力學(xué)本身的定律物體間的相互作用力是真實(shí)力，它的度量是在慣性系中通過(guò)第二定律來(lái)實(shí)現(xiàn)，第三定律只在慣性系中

6、成立。若物體之間通過(guò)接觸才有相互作用力，這種力稱為接觸力。第三定律對(duì)于接觸力總是成立的對(duì)于兩個(gè)物體有一定距離時(shí)的相互作用力，第三定律有時(shí)成立， 有時(shí)不成立。 9 單位和量綱力學(xué)量分為基本量和導(dǎo)出量時(shí)間、長(zhǎng)度和質(zhì)量是基本量，分別用 T，L，M 代表其它量都是導(dǎo)出量，如速度、密度、力等所有力學(xué)量Q的單位都可以用基本量的單位表示這就是力學(xué)量的量綱，稱為力學(xué)量的量綱指數(shù)。 TMLQ 量 綱 分 析例如 2321 , , , LMTFMLLTaLTv 10 2.2 相 互 作 用 力2.2.1 常見(jiàn)力 重 力 RhR mGMhR mGMmgh 2122地地 彈 性 力 kxF 摩 擦 力 Nf 阻 力

7、vf 11 基 本 相 互 作 用強(qiáng)相互作用 30弱相互作用 0.006電磁相互作用 1引力相互作用 10-36 短 程 力長(zhǎng) 程 力 正 負(fù) 電 荷 質(zhì) 量 12 例1 水桶勻速旋轉(zhuǎn)，證明水面的形狀是旋轉(zhuǎn)拋物面。z dmgNd 水面具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，分析任一豎直剖面水面上取一小質(zhì)量元 dm O x建立坐標(biāo)系曲線斜率與重力的關(guān)系gdmdmxdxdz 2tan 重力向心力xdxgdz 2積分Cxgz 222代入液面最低點(diǎn)的值（0，h），得到旋轉(zhuǎn)液面方程hxgz 222 13 例2 滑輪不轉(zhuǎn)動(dòng)且不光滑，問(wèn)物體滑動(dòng)的條件與法向支持力情況？m1 m21T 2Ta a 21 mm 可能的運(yùn)動(dòng)必是m1下降

8、amgmT amTgm 222 111 14 dR dN)(TdTT 建 立 坐 標(biāo) 系 ， 分 析 一 段 線 元 dNdfdTddTT 2cos2cos)(化簡(jiǎn)為dNTddNdT ,得微分關(guān)系式dTdT 積分 eTTeTTTT 2122 ,)(,0 單位長(zhǎng)度法向支持力RTRdTddldNn dNdTddTT 2sin2sin)( 沿滑輪的切向分量沿滑輪的法向分量 15 彈 簧 的 串 并 聯(lián)k串聯(lián)并聯(lián) 16 2.3 力 學(xué) 相 對(duì) 性 原 理伽 利 略 變 換 tutrtr tt )()(z yO rPx yzOrx S系S系兩個(gè)相互作勻速平動(dòng)的參考系 17 z yO rPx yzOrx

9、S系S系tutrtr tt )()(兩個(gè)參考系相互作勻速運(yùn)動(dòng)aa uvv 伽 利 略 變 換速度是相對(duì)的即同一質(zhì)點(diǎn)對(duì)于不同參考系有不同的位置和速度。加速度是絕對(duì)的，即同一質(zhì)點(diǎn)對(duì)于不同參考系有相同的加速度。 18 伽利略相對(duì)性原理伽利略在1632年出版的著作關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話 “ 把你和幾個(gè)朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再讓你們帶幾只蒼蠅、蝴蝶和其它小飛蟲。艙內(nèi)放一只大水碗，里面放幾條魚。然后掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐兒里。船停著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察，小蟲都以等速向艙內(nèi)各方向飛行，魚向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐子中。你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，只要

10、距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無(wú)論向哪個(gè)方向跳過(guò)的距離都相等。當(dāng)你仔細(xì)地觀察這些事情后，再使船以任何速度前進(jìn)。只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，也不互左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒(méi)有變化，你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)?！?19 牛 頓 力 學(xué) 的 相 對(duì) 性 原 理牛 頓 定 律 在 所 有 慣 性 系 中 成 立從一個(gè)慣性參考系變換到另一個(gè)慣性參考系，物理定律如何變化？狹義關(guān)于相互作用力的結(jié)構(gòu)性定律，如胡克定律、萬(wàn)有引力定律等如何變化廣義在 所 有 慣 性 系 中 ， 物 理 定 律 不 變慣 性 系 與 非 慣 性 系所有慣性系是等價(jià)的

11、20 第 二 章 作 業(yè)A組：1、2、7、10、11、13、14、17、19、20B組：29、33 21 2.4 慣 性 力在 非 慣 性 系 中 牛 頓 定 律 不 再 成 立第一定律不再成立第二定律不再成立第三定律不再成立 22 2.4.1 平移慣性力yO rPxy r xS系S系0rrr 位置矢量速度0vvv 加速度 0aaa 慣性系S 非慣性系S慣性系S中Fam 非慣性系S中)( 0amFam 23 引入慣性力0amFi 非慣性系S中，形式上牛頓方程仍然成立Fam 非慣性系S中，可以認(rèn)為物體同時(shí)受到真實(shí)力和慣性力的作用。iFFF 引入慣性力后，第一、第二定律成立，但第三定律仍然不成立失

12、重與超重 24 例 兩個(gè)小球在落地前相遇的條件AB l h0v小球落地的時(shí)間ght /20 選隨小球A運(yùn)動(dòng)的非慣性系0t小球A靜止，小球B相對(duì)小球A的速度仍然為v0小球A始終靜止小球B受重力和慣性力的作用，二者抵消，作勻速直線運(yùn)動(dòng)。兩球相遇的時(shí)間 022 /vhlt 落地前相遇要求ghhlvtt 2 2200 25 二體問(wèn)題：兩個(gè)物體只有相互作用，不受其它外力mA mBA B BFAF任取慣性系 SB相對(duì)S的加速度BBB mFa 建立隨B平動(dòng)的參考系，考慮A相對(duì)B的運(yùn)動(dòng)A受慣性力 ABABAi FmmamF 牛頓方程AAiA amFF BA BAAA mm mmaF ,稱為二體問(wèn)題的約化質(zhì)量，

13、二體問(wèn)題化為單體問(wèn)題 26 潮 汐地球太陽(yáng)設(shè)地球沒(méi)有自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)是圓軌道。地球成為隨球心平動(dòng)的非慣性系引力產(chǎn)生的潮汐強(qiáng)度正比于引力差F慣性力太陽(yáng)引力 引力差 = 近端的 遠(yuǎn)端的 27 太陽(yáng)引力大月亮引力差大太陽(yáng)的引力差是其引力的0.0017%但僅為月亮引力的3%月亮的引力差是其引力的6.8% 28農(nóng)諺：“初一十五漲大潮，初八二十三到處見(jiàn)海灘”海潮、地潮、氣潮、生物潮 29根據(jù)平衡潮理論，如果地球完全由等深海水覆蓋，用萬(wàn)有引力計(jì)算，月球所產(chǎn)生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太陽(yáng)引潮力的作用為0.246m，夏威夷等大洋處觀測(cè)的潮差約1m，與平衡潮理論比較接近，近海實(shí)際的潮差卻比上述計(jì)算值大得

14、多。如我國(guó)杭州灣的最大潮差達(dá)8.93m，北美加拿大芬地灣最大潮差更達(dá)19.6m。 30 2.4.2 慣性離心力y O rP xyO r xS系S系S系相對(duì)S系勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度沿z軸rvdtjyddtixdrrv )()( 加速度可類似推導(dǎo)jj ii rr rvarvrvaa 22)( 角速度不變這一項(xiàng)略去 轉(zhuǎn)動(dòng)參考系S 31 rvaa 22 Fam rmvmFam 22 引入慣性離心力引入科里奧利力rmFc 2 vmF 2 Cor勻速轉(zhuǎn)動(dòng)參考系的牛頓方程CorFFFam c 32 勻速轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中慣性力的方向慣性離心力科里奧利力rmF c 2 vmF 2Cor勻速轉(zhuǎn)動(dòng)參考系的牛頓方程Cor

15、FFFam c y rO xS系 v cF CorF過(guò)山車 33 rmrmFc 2)( 一般情況下的慣性離心力r S系 cFr gm w地面上物體的表觀重力 cos )360024/(2 2RmF sc %35.0 cos 22 gRgRmgF c 6,45 max 北極 南極偏向角最大 34 離心機(jī)VORTEX21K高速冷凍離心機(jī) 最高轉(zhuǎn)速：21000r/min 最大相對(duì)離心力：52356g 湘儀離心機(jī)儀器有限公司 dVr dVgdVrdVr 0022 向心力 離心力 重力 0在轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中，周圍液體對(duì)被分離的物質(zhì)提供一個(gè)向心力；同時(shí)，被分離物體受到一個(gè)慣性離心力的作用。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)取決于兩個(gè)

16、力的合力的影響。 35 科里奧利力科里奧利力 vm vmF 22Cor S系 CorF v 36 物體運(yùn)動(dòng)方向科里奧利力導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn) 37 地面參考系與地心參考系 38 傅科擺（J. B. L. Foucault) 39 小結(jié)非慣性系S Fam 慣性力FFF 慣性離心力科里奧利力 rrmrmF c if 2vmF 2Cor 慣性系S Fam vmrmrmamFam 2)(0平移慣性力0amFi 橫向慣性力rm （力學(xué)課程不考慮） 40 力 學(xué) 的 理 論 體 系非慣性系S Fam 慣性力FFF 慣性系S Fam 動(dòng)量定理動(dòng)能定理角動(dòng)量定理動(dòng)量守恒定律機(jī)械能守恒定律角動(dòng)量守恒定律 能量守恒定律dt

17、F rdF Fr 41 2.5 動(dòng) 量 定 理2.5.1 動(dòng)量定理dtvdmFamF )( vmddtF 力的沖量質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量dtFId vmp 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理的微分形式 pdId 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理：力對(duì)質(zhì)點(diǎn)的沖量等于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的增量力對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用一段時(shí)間產(chǎn)生的效果 42 質(zhì)點(diǎn)所受合力的沖量等于分力的沖量之和 iitt iiitt i IdtFdtFI 2121內(nèi)外質(zhì) 點(diǎn) 系 內(nèi)力與外力系統(tǒng)內(nèi)力的沖量和必為零質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量 ii pp 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理的積分形式12 pppI 0內(nèi)Id 43 質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理外力對(duì)質(zhì)點(diǎn)系的沖量和等于質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)量增量pddI 外非 慣 性 系質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)量定理的微分形式pdIdId 慣

18、外 44 2.5.2 動(dòng)量守恒定律動(dòng)量守恒定律若系統(tǒng)所受合外力始終為零，則系統(tǒng)的動(dòng)量守恒。為守恒量合外pF 0 在某一方向上動(dòng)量守恒為守恒量 合外xx pF 0, 45 例 下落的繩子對(duì)地面的壓力L M解法一繩子下落長(zhǎng)度 l 時(shí)，地面所受壓力分兩部分靜止繩子的壓力MgLlN 1下落繩子的壓力下落速度glv 2 LlMgNvMLvdtdmvdpdtN 2 22 總壓力LlMgNNN 321 46 解法二將繩子作為一個(gè)整體，考慮它的受力與動(dòng)量的增量繩子受重力和支持力LlMgMgdtdvMvL gvLdvdMvL lLdtddtdpNMg 322 總壓力 LlMgN 3 47 2.5.3 變質(zhì)量物體

19、的運(yùn)動(dòng)vFmdm v dmm vdv F增質(zhì)型)()( dmvvmvdvdmmdtF 動(dòng)量定理略去高階小量 dtdmvvFdtvdm )( 初動(dòng)量末動(dòng)量沖量 48 vFm dm vdmm vdv F減質(zhì)型 vmdmvvdvdmmdtF )()(動(dòng)量定理略去高階小量dtdmvvFdtvdm )( 初動(dòng)量末動(dòng)量沖量 49 變質(zhì)量物體的運(yùn)動(dòng)方程dtdmvvFdtvdm )( 右邊第一項(xiàng)：物體所受外力右邊第二項(xiàng)：物體質(zhì)量變化產(chǎn)生的作用力 50 例 火箭初始質(zhì)量m0，液體燃料質(zhì)量mliq，單位時(shí)間向下噴出的燃料質(zhì)量，噴射速度為常量u0，重力加速度g為常量，略去阻力，求燃料噴盡時(shí)火箭的速度ve。dtdmv

20、vFdtvdm )( t 時(shí)刻火箭質(zhì)量，經(jīng) dt 噴出燃料質(zhì)量dtdm 以向上為正 0uvv 51 )( 0 umgdtdvm利用dmdvdtdmdmdvdtdv 微分式dmmugdv 0積分dmmugdv liqe mmmv 00 00 gmmm muv liqliqe 0 00 ln結(jié)果火 箭 52 OgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-

21、A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhS

22、kWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z

23、0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUmYp!s&w)z1C4F7JaMdPhSkWnZq$u*x-A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2D5H8KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z18KcNfQiUlXo#s%v)y0B3F6I9LdOgSjV

24、mYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVnYq!t*w-z1D4G8JbMeQhTkWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(y+B2E6H9KcOfRjUmXp!s&v)z0C4F7IaMdPgSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$u*x-A2D5G8KbNfQiTlXo#r%v(y0B

25、3E6I9LcOgRjVmYp!t&w)z1C4G7JaMePhSkWnZr$u*x+A2D5H8KbNfQiUlXo#s%v(y0B3F6I9LdOgRjVmYq!t&w-z1C4G7JbMePhTkWnZr$u(x+A2E5H8KcNfRiUlXp#s%v)y0C3F6IaLdOgSjVmYq!t*w-z1D4G7JbMeQhTkWoZr$u(x+B2E5H9KcNfRiUmXp#s&v)y0C3F7IaLdPgSjVnYq$t*w-A1D4G8JbNeQhTlWoZr%u(x+B2E6H9KcOfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQi

26、TlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmYp!s&w)z0C4F7JaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KfRiUmXp!s&v)z0C3F7IaMdPgSkVnYq$t*x-A1D5G8JbNeQiTlWo#r%u(y+B3E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A2D5G8KbNeQiTlXo#r%v(y+B3E6I9LcOgRjUmYp!t&w)z1C4F7JaMePhSkWnZq$u*x+A2D5H8KbNfQiTlXo#s%v(y0B3E6I9LdOgRjVmYp!t&w-z1C4G7JaMePhTkWnZr$u*x+A2

27、E5H8KcNfQiUlXp#s%v)y0B3F6IaLdOgSjVmYq!t&w-z1D4G7JbMePhTkWoZr$u(x+A2E5H9KcNfRiUlXp#s&v)y0C3F6IaLdPgSjVnYq!t*w-A1D4G8JbMeQhTlWoZr%u(x+B2E5H9KcOfRiUmXp#s&v)z0C3F7IaLdPgSkVnYq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlWo#r%u(y+B2E6H9LcOfRjUmXp!s&w)z0C4F7IaMdPhSkVnZq$t*x-A1D5G8KbNeQiTlWo#r%v(y+B3E6H9LcOgRjUq$t*w-A1D5G8JbNeQhTlW

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