大学物理基础课件:第二章质点动力学.ppt
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第二章第二章质点动力学质点动力学前一章:
质点运动描述,未研究物体为什么会这样或那样的运动及物体运动状态变化的原因。
本章:
研究物体运动状态变化物体运动状态变化与物体之间相互作用即力的关系。
与物体之间相互作用即力的关系。
古希腊亚里士多德将物体的运动分为自然运动和强迫运动。
自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动,物体速度与重量成正比物体速度与重量成正比。
强迫运动指借助推力才能进行的运动。
不推,物体静止。
物体运动速物体运动速度与外力成正比,与阻力成反比。
度与外力成正比,与阻力成反比。
显然是错误的。
牛牛顿力学否定了亚里斯多德的观点顿力学否定了亚里斯多德的观点。
三百多年前,牛顿在前人基础上建立了运动基本定律,奠定了经典力学基础。
然而在上一世纪初,牛顿定律受到严重挑战。
相对论和量子力学把对运动和物体相互作用的关系的认识推上了新的高峰。
人们认识到了经典牛顿力学的局限性。
但是,从天体运动到基本粒子运动,从日常生活到工程技术,牛顿定律仍然有广泛的实用价值和重要意义。
例如怎样设计推力才能将火箭送到预定轨道等等。
工程技术中的许多问题仍然以牛顿力学为基础。
由牛顿定律可以进一步得到动量定理与动量守恒定律、功能原理及机械能守恒定律、角动量定理及角动量守恒定律、刚体和流体运动规律,从而形成了以牛顿定律为基础的经典力学理论以牛顿定律为基础的经典力学理论。
2-1牛顿运动定律牛顿运动定律一、牛顿定律表述一、牛顿定律表述1、牛顿第一定律(惯性定律)、牛顿第一定律(惯性定律)任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到其它物体迫使它改变这种状态为止。
其它物体迫使它改变这种状态为止。
现代语言:
自由粒子永远保持静止或匀速直线运现代语言:
自由粒子永远保持静止或匀速直线运动状态。
动状态。
理解:
(实质)
(1)不能用实验直接验证,理想实验结果。
)不能用实验直接验证,理想实验结果。
伽利略斜面对接理想实验无摩擦,滚后达原高度,斜率减小,滚得越远,若水平,将永远滚下去总结出第一定律
(2)说明了两个重要概念:
)说明了两个重要概念:
惯性和力惯性和力不可能不受其他物体作用第一,任何物体都有惯性即保持原有状态不变保持原有状态不变的特性(一种基本属性)第二,力是改变物体运动状态改变物体运动状态的原因,而不是维持不是维持运动状态运动状态的原因。
是一个物体对另一物体的相互作用.(3)定义了一种参照系:
惯性参照系)定义了一种参照系:
惯性参照系“运动”描述需要参照系,在这种参照系中,不受力的物体将保持静止或匀速直线运动。
定义:
牛顿第一定律成立的参照系称作惯性系。
定义:
牛顿第一定律成立的参照系称作惯性系。
并非所有的参照系,牛顿第一定律都成立。
什么样的参照系牛顿定律不成立?
设想一学者在验证牛顿第一定律。
他在水平桌面上推一小球,用气垫消除摩擦,观察到小球相当准确地做匀速直线运动。
正当宣布实验成功时,球突然偏向一边滚去。
?
原来有人安装了一种机械,使房子转了起来。
于是,定律不成立了。
所以,在旋转参照系中,牛顿第一定律不成立。
在旋转参照系中,牛顿第一定律不成立。
地球在转动,是惯性系吗?
实验证明,地球不是精确的惯性系。
但由于转动慢,如果讨论的运动范围不大(洋流,大气运动这类大范围运动除外),可以视为较好的惯性系。
太阳是更好的惯性系。
是否惯性系?
需要实验证明第一定律是否成立?
。
是否惯性系?
需要实验证明第一定律是否成立?
。
2、牛顿第二定律、牛顿第二定律物体获得的加速度大小与合外力的大小成正比,与物体获得的加速度大小与合外力的大小成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向相物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向相同,即同,即理解实质:
(1)定量描述了力的效果力的效果:
产生加速度的原因(还是产生形变的原因);量度了质点的惯性惯性(质量质量)。
(2)瞬时关系瞬时关系,力与加速度时刻对应,成比例。
(3)矢量关系矢量关系,且概括了力的独立作用原理。
几个力同时作用,各自产生效果,互不影响。
直角坐标系中自然坐标系中3、牛顿第三定律、牛顿第三定律两个物体间的相互作用力大小相等,方向相反,两个物体间的相互作用力大小相等,方向相反,且沿同一条直线,分别作用于不同的物体上。
且沿同一条直线,分别作用于不同的物体上。
说明:
(1)进一步明确了力是物体间的相互作用。
(2)作用于不同物体,不可抵消,区别于平衡力。
二、惯性系与非惯性系二、惯性系与非惯性系前述:
牛顿第一定律成立的参照系叫惯性系,实际上,牛顿第二定律也只在惯性系中成立。
牛顿第一、第二定律不成立的参照系叫非惯性系非惯性系(牛顿第三定律成立)。
光滑如右图:
对地加速的车车:
球水平方向合外力为0,但向后加速(牛顿第一二定律不成立)。
地地:
定律成立。
所以,对地加速的车是非惯性系,地是惯性系车是非惯性系,地是惯性系又如,两人同时从高台落下。
从一人看另一人,定律不成立。
从地面看两人,定律成立。
判断是否惯性系的标准判断是否惯性系的标准:
实验。
所以,地是惯性系,地是惯性系,对地加速的人是非惯性系。
是非惯性系。
实验证明:
地球是一个好的惯性系,太阳更好。
有绝对的惯性系吗?
否!
结论:
结论:
凡是相对于惯性系加速运动的参照系是非惯凡是相对于惯性系加速运动的参照系是非惯性系。
凡是相对于惯性系匀速直线运动的参照系也是性系。
凡是相对于惯性系匀速直线运动的参照系也是惯性系(如匀速直线运动的车)惯性系(如匀速直线运动的车)。
如果在非惯性系中引入一种“假想力假想力”惯性力惯性力,同样可以用牛顿定律处理问题。
计入合力,称为惯性力惯性力惯性力是真实的力吗?
惯性力是真实的力吗?
惯性力本质上不是力,因为无反作用力。
人为惯性力本质上不是力,因为无反作用力。
人为引进,本质上是非惯性系加速度的反映。
引进,本质上是非惯性系加速度的反映。
注注意意在非惯性系中引入惯性力,处理问题方便。
如:
光滑由于牛顿第一二定律只适应于惯性系,由它们导出的所有力学规律包括动量定理与动量守恒定律,动能定理、功能原理与机械能守恒定律,角动量定理与角动量守恒定律以及刚体力学规律都只在惯性系中成立都只在惯性系中成立。
三、力学中的常见力与基本自然力三、力学中的常见力与基本自然力1、力学中常见力、力学中常见力万有引力与重力牛顿根据开普勒行星运动定律,结合牛顿运动定律,发现有一种与太阳到行星距离平方成反比的力支配着行星运动,进而提出了万有引力定律:
自然界任何两物体之间都存在着相互吸引力,叫做万有引力万有引力。
地球对地球上所有物体都有引力作用即重力重力两质点间万有引力大小与两质点的质量乘积成正比,两质点间万有引力大小与两质点的质量乘积成正比,与两质点间的距离平方成反比,力的方向沿着两质点的连与两质点间的距离平方成反比,力的方向沿着两质点的连线线=(6.67200.0041)10-11m3/(s2kg)引力常数上式适应于两均匀球体,r为两球体球心连线距离。
重力也可表示成爱因斯坦:
引力源于空间弯曲很小地球重力加速度:
可见,重力加速度与物体离地面的高度有关重力加速度近似为弹性力(宏观接触力之一)两物体接触发生弹性形变时产生的一种反抗形变的力两物体接触发生弹性形变时产生的一种反抗形变的力张力或拉力张力或拉力,沿着绳拉伸方向正压力或支持力正压力或支持力,垂直于接触点的切面方向弹簧力弹簧力,沿反抗弹簧拉伸或压缩方向,大小与伸长量或压缩量成比例摩擦力(宏观接触力之二)两物体接触,阻碍它们相对运动或相对运动趋势的力静摩擦力静摩擦力,由物体平衡确定,由物体平衡确定最大静摩擦力最大静摩擦力滑动摩擦力滑动摩擦力=恰好要滑动时2、基本自然力、基本自然力在大千世界,宏观物体之间、微观粒子之间存在着各种各样的相互作用力如重力、弹力、摩擦力、引力、重力、弹力、摩擦力、引力、黏结力、浮力、电力、磁力、分子力、核与电子之间的黏结力、浮力、电力、磁力、分子力、核与电子之间的作用力、核与核之间作用力以及各种基本粒子之间的作作用力、核与核之间作用力以及各种基本粒子之间的作用力用力等,种类繁多,表现各异。
但是从本质上看,自然从本质上看,自然界只存在四种基本力界只存在四种基本力,其它力都是这四种力的不同表现。
这四种力或相互作用是引力、电磁力、强力和弱力。
前面所述的摩擦力、弹力都属于电磁相互作用。
(1)引力相互作用)引力相互作用引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力,是一种长程力。
重力是地球对地面及地面附近的物体的引力,天体之间的相互作用表现的是引力。
(2).电磁相互作用电磁相互作用电磁力是带电粒子或宏观带电体之间的作用力,是一种长程力。
磁力和电力具有同一本源,统称为电磁力。
电磁相互作用支配着原子与分子的世界。
前面所述的摩擦力、弹力都属于电磁相互作用。
(3).强相互作用强相互作用存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力称为强力。
这种力使夸克结合成质子和中子等粒子,把中子和质子结合成核。
强力是短程力,作用范围小于10-15米。
(4).弱相互作用弱相互作用弱力的力程比强力还短,而且很弱。
弱相互作用只在粒子之间的某些反应(如衰变)才显示出其重要性。
4种基本相互作用的特征列于表中,按力的强弱排序,依次是强力、电磁力、弱力和引力。
力的种类相互作用的对象力的强度力程万有引力一切质点10-34N无限远弱力大多数粒子10-2N小于10-17m电磁力电荷102N无限远强力核子、介子等104N10-15m四种相互作用还会统一吗?
是物理学家追求的课题。
弱、电已经统一,爱因斯坦相信“大统一”。
在宇宙极早期,是大统一,以后才分化为四种相互作用。
四、牛顿定律应用举例(习题课)四、牛顿定律应用举例(习题课)用牛顿定律求解力学问题类型:
用牛顿定律求解力学问题类型:
第一类第一类,已知力求,已知力求运动;运动;第二类第二类,已知加速度或运动求力;,已知加速度或运动求力;第三类第三类,已,已知某些力和运动条件求另一些力及运动。
知某些力和运动条件求另一些力及运动。
解题思路解题思路
(1)认物体)认物体即确定研究对象(一个还即确定研究对象(一个还是几个物体)和参照系是几个物体)和参照系。
(。
(2)看运动)看运动分析运动轨迹分析运动轨迹(直线?
曲线?
)、(直线?
曲线?
)、,找出各物体,找出各物体之间之间联系。
(联系。
(3)查受力)查受力隔离体法,画受力图隔离体法,画受力图。
(。
(4)列)列方程方程求解讨论。
求解讨论。
隔离体法隔离体法:
(1)把研究的物体与周围隔离,只考虑周围给物体的力;
(2)画示力图,明确施力物体,不无中生有;(3)先画外力、重力、引力,再从接触处从接触处找弹性力(法向)和摩擦力(切向)。
粗粗糙糙光滑应用类型:
应用类型:
1、恒力匀变速直线运动、恒力匀变速直线运动单个物体:
单个物体:
等四个运动学公式中的两个中学力学问题多个物体联动:
多个物体联动:
1)隔离分析受力,分别列方程,找出加速度之间关系。
2)注意选系统。
求和之间作用力时,则隔开分析求解。
3)体会题意:
“至少”“最大”“恰好”等,列辅助方程。
恰好抽出恰不下滑4)题中未指明过程,要多种情况分析讨论。
相对静止,多大?
太大,上滑;太小下滑。
2、变力直线运动、变力直线运动分离变量关闭发动机后关闭发动机后如,船以v0速度航行,关闭发动机后,船速与时间关系?
滑行距离?
(设阻力为F=-kv)四-23、质点曲线运动、质点曲线运动直角坐标积分积分积分两直线运动叠加自然坐标(圆周运动)4、质点平衡问题(静止或匀速直线运动)、质点平衡问题(静止或匀速直线运动)注意静摩擦力待求,恰好滑动时例题1-1:
求右图中,剪断绳子时,A、B的加速度。
(1)解:
(1)明确明确牛顿定律是力的瞬时作用瞬时作用规律,要求A、B加速度,必须求出剪断瞬时物体求出剪断瞬时物体A、B的受力的受力。
(1)剪断绳子时,A、B的加速度?
剪断时,B瞬时平衡,合外力为0剪断时,A没有了绳子张力,弹簧仍然伸长
(2)(未剪断时)向上
(2)(未剪断时)剪断时,弹簧仍然伸长四-1例题1-2:
如右图,m相对静止于三角块上,求先设下滑再设上滑,同理得解:
未指明过程,考虑多种可能。
两种可能情况如图例题1-3:
A从B下面抽出,
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- 大学物理 基础 课件 第二 质点 动力学