大学物理(第二章-牛顿运动定律)-(课件).ppt

1、第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律2-1 牛顿运动定律牛顿运动定律第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律英国物理学家英国物理学家,经典物理学的奠基经典物理学的奠基人人.他对他对力学力学、光学、热学、天文学光学、热学、天文学和和数学数学等学科都有重大发现等学科都有重大发现,其代表其代表作作自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理是力学的是力学的经典著作经典著作.牛顿是近代自然科学奠基时牛顿是近代自然科学奠基时期具有期具有集前人之大成集前人之大成的贡献的伟大科的贡献的伟大科学家学家.牛顿牛顿 Issac Newton （16431727）第二章第二章

2、 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力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迫使它改变运动状态为止.一一 牛顿第一定律牛顿第一定律v时，时，恒矢量恒矢量0F 也可以这样说：适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考系；也可以这样说：适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考系；反之，叫做非惯性参考系反之，叫做非惯性参考系.牛顿定律只有在惯性参考系中才成立。牛顿定律只有在惯性参考系中才成立。惯性：惯性：物体所具有的保持其原有运动状态不变的性质。物体所具有的保持其原有运动状态不变的性质。牛顿第一定律牛顿第一定律又

3、称又称惯性定律惯性定律.力：力：力是改变运动状态的原因，不是保持运动状态的原因力是改变运动状态的原因，不是保持运动状态的原因。惯性参考系：惯性参考系：在在这种参考系中这种参考系中观察一个不受力作用的物体或处于观察一个不受力作用的物体或处于受力平衡状态下的物体，将保持其静止或匀速直线运动状态不变。受力平衡状态下的物体，将保持其静止或匀速直线运动状态不变。太阳是一近似的惯性系，在研究地面太阳是一近似的惯性系，在研究地面上物体的运动时，地球可近似地看成是惯性系上物体的运动时，地球可近似地看成是惯性系.第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律)()(,d)(d)(tmtpttpt

4、Fv二二 牛顿第二定律牛顿第二定律 动量为动量为 的物体，在合外力的物体，在合外力 的作用下，其动量随时间的作用下，其动量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力的变化率应当等于作用于物体的合外力.pF当当 时，时，为为常量常量cv)()(tamtFm瞬时关系瞬时关系牛顿定律的研究对象是牛顿定律的研究对象是质点质点.m 是惯性质量。是惯性质量。321aaaa321FFFF 力的叠加原理力的叠加原理第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律xxmaF yymaF zzmaF kajaiaazyxkFjFiFFzyx直角坐标系中直角坐标系中自然坐标系中自然坐标系中ttmaF n

5、nmaF nntteFeFFnntteaeaa 两个物体之间作用力两个物体之间作用力 和反作用力和反作用力 ,沿同一直线沿同一直线,大大小相等小相等,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.FF2112FF三三 牛顿第三定律牛顿第三定律 作用力和反作用力对任何其中一个物体都作用力和反作用力对任何其中一个物体都不能构成平衡条件不能构成平衡条件。作用力和反作用力是作用力和反作用力是同性质的力同性质的力，且，且同时产生，同时消失同时产生，同时消失。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律mmTTPP地球地球第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿

6、定律牛顿定律2-2 物理量的单位与量纲物理量的单位与量纲第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 19841984年年2 2月月2727日，我国国务院颁布实行以日，我国国务院颁布实行以国际单位制（国际单位制（SISI）为为基础的法定单位制基础的法定单位制 .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mkgs国际单位制国际单位制决定从决定从1987年年1月月1日起，教科书中使用日起，教科书中使用SI。一一.SI.SI基本物理量和基本单位及符号基本物理量和基本单位及符号第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律电流电流 安

7、安 培培 热力学温度热力学温度开开 尔文尔文 物质的量物质的量摩摩 尔尔 发光强度发光强度坎德拉坎德拉cdAKmol第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 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）内所经 过的距离过的距离 .1s1s 是铯的一种同位素是铯的一种同位素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”是用是用铂铱合金铂铱合金制造的一个金属制造的一个金属圆柱体，保存在圆柱体

8、，保存在巴黎度量衡局巴黎度量衡局中中.第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律速率速率ts d/dvm/1s1sm1-1导出量导出量amF-2smkg1N1力力rFWddm1NJ1功功实际时间实际时间过程的时间过程的时间宇宙年龄宇宙年龄 s102.417约约 （140亿年）亿年）地球公转周期地球公转周期s102.37 人脉搏周期人脉搏周期 约约.9s0最短粒子寿命最短粒子寿命s1025导出单位的导出单位的符号符号二二.SI导出导出物理量和物理量和导出导出单位及符号单位及符号第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律实际长度实际长度实际质量实际质量可观察

9、宇宙半径可观察宇宙半径宇宙宇宙地球半径地球半径太阳太阳说话声波波长说话声波波长地球地球可见光波波长可见光波波长宇宙飞船宇宙飞船原子半径原子半径最小病毒最小病毒质子半径质子半径电子电子夸克半径夸克半径光子，中微子光子，中微子m1026m104.66m1041m1067m10110m10115m10120kg1053kg100.230kg100.624kg104kg10914kg101.9310（静）（静）第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 定义：表示一个物理量如何由基本量的组合所形定义：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:1 1）可

10、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.221rmmGF 三三.量量 纲纲某一物理量某一物理量 的量纲的量纲sqpQTMLdimQ212mmFrG 213TMLdimG第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律2-3 常见力与基本力常见力与基本力第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律,2210rmmGF 一一 基本力基本力引力常量引力常量,kgmN1067.622110

11、G1.万有引力万有引力(1680年）年）是引力质量是引力质量m万有引力是万有引力是长程力长程力适用于质点，或物体的大小远小于物体间的距离。适用于质点，或物体的大小远小于物体间的距离。一个一个密度均匀的球体密度均匀的球体（或（或球壳球壳）对球外一质点的引力等于整）对球外一质点的引力等于整个球体（或球壳）的个球体（或球壳）的质量集中于球心质量集中于球心时对球外这个质点的引力。时对球外这个质点的引力。计算两个密度均匀的球体间的引力时，可以将两个球体各自计算两个密度均匀的球体间的引力时，可以将两个球体各自看作是质量集中于球心。看作是质量集中于球心。r1m2m第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1

12、 牛顿定律牛顿定律2.电磁力：电磁力：存在于静止电荷之间的电性力以及存在于运动电荷存在于静止电荷之间的电性力以及存在于运动电荷之间的电性力和磁性力。之间的电性力和磁性力。电磁电磁力是力是长程力。长程力。原子或分子间的作用力原子或分子间的作用力;3.强力：强力：亚微观领域中，核子、介子和超子之间存在一种强力。亚微观领域中，核子、介子和超子之间存在一种强力。强力是强力是短程力短程力。4.弱力：弱力：亚微观领域中，存在于许多亚微观领域中，存在于许多粒子之间粒子之间的的短程力短程力。在。在 导致导致b b衰变衰变放出电子和中微子时，显示出的它的重要性。放出电子和中微子时，显示出的它的重要性。b b衰变

13、：衰变：一个中子转变为一个质子的过程，同时放出一个电子一个中子转变为一个质子的过程，同时放出一个电子 和中微子。和中微子。气体的压力、浮力、粘滞阻力。气体的压力、浮力、粘滞阻力。物体间的弹性力物体间的弹性力;电磁电磁力力第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 四种基本相互作用四种基本相互作用 距源距源 处强相互作用的力强度为处强相互作用的力强度为 1 m1015力的种类力的种类 相互作用的物体相互作用的物体 力的强度力的强度力程力程万有引力万有引力一切质点一切质点无限远无限远3810弱力弱力大多数粒子大多数粒子小于小于m10171310电磁力电磁力电荷电荷无限远无限远2

14、10强力强力核子、介子等核子、介子等m10151第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律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用，范德米尔实验证明电弱相互作用，19841984年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖.（20世纪世纪60年代）年代）弱、电、弱、电、强的强的“大统一大统一”理论及四种基本力的理论及四种基本力的“超统超统一一”理论，是当前理论物理界最活跃的前沿课题。理论，是当前理论物理界最活跃的

15、前沿课题。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律3.3.摩擦力摩擦力2.2.弹性力弹性力（压力，张力，弹簧弹性力等）（压力，张力，弹簧弹性力等）kxf弹簧弹性力弹簧弹性力Nfkk滑动滑动摩擦力摩擦力静静摩擦力摩擦力 介于介于 0 0 f0 1.1.重力重力2sm80.9-20RMGg 6gsm 1.622月g二二 常见力常见力,mgP（胡克定律）（胡克定律）Nf00最大静摩擦力最大静摩擦力0k一般情况一般情况 （均小于（均小于1）第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律2-4 牛顿运动定律的应用牛顿运动定律的应用第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2

16、 1 1 牛顿定律牛顿定律解题的基本思路解题的基本思路1）确定研究对象确定研究对象,进行受力分析进行受力分析:画示力图画示力图：（：（1）画上所受的已给外力）画上所受的已给外力;（2）找出三类力：重力、弹性力）找出三类力：重力、弹性力、摩擦力；、摩擦力；（3）当将物体看作质点时，可把作用在物体）当将物体看作质点时，可把作用在物体上所有各个力的作用点上所有各个力的作用点集中在物体的同一点上。集中在物体的同一点上。GNFNkfGkfF第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律2）“隔离体法隔离体法”选择选择隔离体隔离体；分析隔离体的受力情况，绘分析隔离体的受力情况，绘出示力图出

17、示力图（称隔离体图），（称隔离体图），并在图上画出隔离体的并在图上画出隔离体的加速度方向加速度方向；取坐标系，取坐标系，坐标轴尽量顺着运动方向坐标轴尽量顺着运动方向；对隔离体应用对隔离体应用牛顿第二定律分量式方程；牛顿第二定律分量式方程；利用其它的约束条件列利用其它的约束条件列补充方程补充方程；先用文字符号求解，后带入数据计算结果先用文字符号求解，后带入数据计算结果.第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律例例1：如图示，倾角为如图示，倾角为 a a 的的粗糙斜面上一物块，其质量为粗糙斜面上一物块，其质量为 m，与一与一质量为质量为 M 的砝码盘分别置于细绳两端，细绳跨过

18、一轴承光滑的定的砝码盘分别置于细绳两端，细绳跨过一轴承光滑的定滑轮，此体系处于平衡状态。滑轮，此体系处于平衡状态。设滑轮和绳的质量可以略去不计，绳设滑轮和绳的质量可以略去不计，绳子不能伸长子不能伸长。当砝码盘上加上。当砝码盘上加上 n 个个m1小砝码时，物块小砝码时，物块 在斜面上开在斜面上开始移动，且在时间始移动，且在时间 t 内沿斜面运动的距离为内沿斜面运动的距离为 s，求物块，求物块 m 与斜面间与斜面间的滑动摩擦系数的滑动摩擦系数 。解：解：（1）作隔离体图）作隔离体图 m M+nm1第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 mgmP1NkfTTgmMP)n(12

19、aaXX m M+nm1（1）作隔离体图）作隔离体图第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律(2)列方程列方程 mgmP1NkfTTgmMP)n(12aaXX共有四个未知数共有四个未知数T、N、a、。0cosamgNamMTgmM)n()n(11mamgNTasin221ats aaacos2ncossinn211mgtsmMmmmmM第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律1PTF （1 1）如图所示滑轮和绳子的质量均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轴间的摩擦力均不计.

20、且且 .求求重物重物释放后，物体的加速度和绳的张力释放后，物体的加速度和绳的张力.21mm 1m2mamFgm1T1amFgm2T2gmmmma2121gmmmmF2121T2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TF2Pay0ay0例例2 2 阿特伍德机阿特伍德机第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律1PTF （2 2）若将此装置置于电梯顶部，当若将此装置置于电梯顶部，当电梯以加速度电梯以加速度 相对地面向上运动时，相对地面向上运动时，求两物体相对电梯的加速度和绳的张力求两物体相对电梯的加速度和绳的张力.a1m2marara解解

21、 以地面为参考系以地面为参考系 设设两物体相对于地面的加速度分别两物体相对于地面的加速度分别为为 ，且相对电梯的加速度为，且相对电梯的加速度为、1ara2aTF2P1ay02ay011T1amFgm22T2amFgmaaar1aaar2)(2121ragmmmma)(22121TagmmmmF第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律tmmgddsinv解解0dsind0glvvvv)cos32(20TgglmFvddddddddvvvvltt)1(cos220lgvvtsinmamgnTcosmamgFlmmgF/cos2Tv 例例3 3 如图长为如图长为 的轻绳，一端系

22、质量为的轻绳，一端系质量为 的小球的小球,另一端系于定点另一端系于定点 ，时小球位于最低位置，并具时小球位于最低位置，并具有水平速度有水平速度 ，求，求小球在任意位置的速率及绳的张力小球在任意位置的速率及绳的张力.0vm0tloo0vvTFgmtene第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 例例5 5 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 的铅直轴作角速度的铅直轴作角速度为为 的匀速率圆周

23、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.mloolrvAnete解解amPFT22nTsinmrrmmaFv0cosT PFsinlr TFP第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律llmmlglmmg22coslg2arccos越大，越大，也越大也越大利用此原理，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）.olrvAneteTFPlmF2T,cosTPF第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律oxy 例例6 设空气对抛体的阻力与抛体的速度成正

24、比，设空气对抛体的阻力与抛体的速度成正比，即即 ，为比例系数为比例系数.抛体的质量为抛体的质量为 、初、初速为速为 、抛射角为、抛射角为 .求抛体运动的轨迹方程求抛体运动的轨迹方程.vkFrkm0vaPrF解解 取如图所示的取如图所示的 平面坐标系平面坐标系Oxyxxxktmmavvddyyykmgtmmavvddtmkxxddvvtmkkmgkyydd vv0vaAv第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律acos00vvxasin00vvy0tmktx/0ecosavvkmgkmgmkty/0e)sin(avvoxyAvPrF0vatmkxxddvvtmkkmgkyy

25、dd vv第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律oxyAvPrF0va0k0k)e1)(cos/0mktkmxa(vtkmgkmgkmymkt)e1)(sin(/0av)cos1ln()cos(tan0220 xmkkgmxkmgyaaavvtxxddvtyyddvmktx/0ecosavvkmgkmgmkty/0e)sin(avv第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律vBFrF解解 取坐标如图取坐标如图 )(dd0bFmbtvvmarFmgv6B令令rbFmgF6B0tmbFdd0vv Py)(tv 例例7 7 一质量一质量 ，半径，半径 的球

26、体在水中静止释的球体在水中静止释放沉入水底放沉入水底.已知阻力已知阻力 ,为粘滞系数，为粘滞系数，求求 .vrF6rmrBF为浮力为浮力第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律bFt/,0Lv（极限速度）（极限速度）tmbbF)/(0e1vLL95.0)05.01(vvvbmt3当当 时时L,3vv bmt一般认为一般认为ttmbbF000d)(dvvvvBFrFPyvbF0to)(dd0bFmbtvv第二章第二章 牛顿定律牛顿定律2 2 1 1 牛顿定律牛顿定律 若球体在水面上是具有竖直向若球体在水面上是具有竖直向下的速率下的速率 ，且在水中的重力与，且在水中的重力与浮力相等，浮力相等，即即 .则球体在则球体在水中仅受阻力水中仅受阻力 的作用的作用 0vPF BvbFrvvbtmddttmb0dd0vvvvtmb)/(0e vvvto0vvBFrFPy