大学物理课件第02章牛顿定律.ppt

第二章牛顿定律,第二章牛顿定律,本章目录,2-1牛顿定律,2-2物理量的单位和量纲,2-3几种常见的力,2-4牛顿定律的应用举例,2-0 教学基本要求,第二章牛顿定律,*2-5非惯性系 惯性力,本章目录,第二章牛顿定律,一 掌握牛顿定律的基本内容及其适用条件,二 熟练掌握用隔离体法分析物体的受力情况，能用微积分方法求解变力作用下的简单质点动力学问题,2-0 教学基本要求,三 理解惯性系与非惯性系的概念，了解惯性力的概念,第二章牛顿定律,本章目录,2-1牛顿定律,2-2物理量的单位和量纲,2-3几种常见的力,2-4牛顿定律的应用举例,2-0 教学基本要求,*2-5非惯性系 惯性力,选择进入下一节：,END,杰出的英国物理学家，经典物理学的奠基人他的不朽巨著自然哲学的数学原理总结了前人和自己关于力学以及微积分学方面的研究成果，其中含有三条牛顿运动定律和万有引力定律,以及质量、动量、力和加速度等概念在光学方面，他说明了色散的起因，发现了色差及牛顿环，他还提出了光的微粒说,牛顿 Issac Newton（16431727）,发展简史,14731543年，哥白尼（N.Copernicus)在地心说被普遍接受时提出了日心学说新的宇宙模型。,15461601年，第谷（T.Brahe)对天体运行进行了持续不懈的 连续观察和积累，使得观察成为科学的基础。,第二章牛顿定律,15711630年，开普勒（J.Kepler)他在长期钻研大量的观察资料，详细地研究了火星轨道数据,总结出了天体运行三定律。建立在观察基础上的真正意义上的科学方法的诞生：,发展简史,第二章牛顿定律,感官印象最初的观察(假说),比较的观察(可说明可预言),科学模型建立的过程（方法）,发展简史,第二章牛顿定律,15641642年，伽利略（G.Galilei)试图在实验和数学的基础建立起天体物理学。由伽利略发端，经过牛顿集大成形成了人类的科学方法。,发展简史,第二章牛顿定律,科学方法,发展简史,第二章牛顿定律,16431727年，牛顿（I.Newton)1686年发表的原理建立起 了牛顿力学的完整的理论体系。他以运动三定 律和万有引力定律为主线以他发明的 微积分为 工具巧妙的构造了力学体系。成功地描述了天 体和地上物体的运动，在此前，还没有一个关 于物理因果性的完整体系能够表示经验世界的 任何深刻特征。,发展简史,第二章牛顿定律,牛顿力学 牛顿力学的辉煌成就，既显示了科学的魅力与威力，又决定了后来物理学家的思想、研究和实践方向。原理采用的欧几里得几何学的表述方式，处理的是质点问题。以后牛顿力学被推广到流体和刚体，并逐渐发展成严密的解析形式。,发展简史,第二章牛顿定律,1763年，欧拉（L.Euler，17071783)写成力学，把牛顿的质点力学推广到刚体，引入转动惯量的概念，论述了刚体运动的问题。,发展简史,1738年，伯努利（D.Bernoulli，17001782)出版了流体力学解决了流体运动的问题。,第二章牛顿定律,1743年，达朗贝尔（J.L.dAlembert,17001782)出版了力学研究，把力学问题化为静力学问题来处理，提出了达朗贝尔原理。,1744年，莫培督（P.L.M.de Maupertuis，16981759)提出了最小作用原理，推进了力学向解析方向发展。,发展简史,第二章牛顿定律,1788年，拉格朗日（J.L.Lagrangge,17361813)写成了他的名著分析力学，终于把解析的方法贯彻到底。全书自始至终没有一张图，完全使用纯粹的解析方法。运用广义坐标的拉格朗日方程把力学理论推向极致。,发展简史,第二章牛顿定律,1825年，拉普拉斯（P.S.M.de Laplace,17491827)完成了他的名天体力学。,发展简史,第二章牛顿定律,力学描述了大至恒星（质量103233克），小至超显微粒子（质量10-18克）的运动过程，并与一切经验一致。事实上它甚至部分证明了我们关于分子、原子和更小的基本粒子的实验，力学有成为声、热、光、电等科学赖以生存的基础。,18世纪初期，经典力学已成为非常完美的理论体系，以致于人们坚信，万物运动变化的规律均能以力学规律来描述。,在物理学家中间出现了“把一切都归为机械运动的狂热。”,发展简史,第二章牛顿定律,牛顿原理：“正如万有引力推演出行星、彗星、月球和潮 汐的运动一样，我希望能用同样的方法从力 学原理中推出自然界的其他许多现象。”,惠更斯C.Huygens：“在真正的哲学里，所有自然现象的原因都(16291695)应该用力学用语来思考，依照我的意见我 们必须这样做。”,发展简史,第二章牛顿定律,拉普拉斯概“我们必须把目前的宇宙状态看作是它以前状态率解析理论：的结果及其以后发展的原因。如果有一种智慧 能了解在一定时刻支配自然界的力，了解组成 它的实体的各自位置，如果它还伟大到足以分 析所有事物，它就能够用一个单独的公式概括 宇宙万物的运动，从最大的天体到最小的原子 都毫无例外，而且对未来就象对过去一样一目 了然”,发展简史,第二章牛顿定律,亥姆霍兹论“我们最终发现，所有涉及到物理学的问题都能力的守恒：归结为不变的引力和斥力。”“只要把自然现 象化为力，科学的使命就终结了。”“整个自 然界最终融化在力学中。”,劳厄M.Von Laun：经典力学和经典物理学已“结合成一座具有(18971960)庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙 堂。”,发展简史,第二章牛顿定律,迈克尔逊：“无论如何，可以肯定光学比较重要(18521931)的事实和定理，以及光学应用比较有名的途 径，现在已经了如指掌，光学未来研究和发 展的动因已荡然无存。”未来科学真理将不 得不在小数点后第6位数去寻找。,发展简史,第二章牛顿定律,约里：在普朗克表示决心献身理论物理时说：“年(18091884)轻人，你为什么要断送自己的前程？要知道 理论物理已经终结，微分方程已经确立，它 们的解法已经制定，可供计算的只是个别局 部的情况，可是把一生献给这个事业，值得 吗？,发展简史,第二章牛顿定律,牛顿力学在实践上的巨大成就，在相当长的一段时间内，无论谁也没有想到，整个物理学的基础需要从根本上加以改造。,经典力学的局限性,（1）尽管牛顿一再声明“我不做假设”，但他还是引入了超越经验的绝对时间和绝对空间的概念。,（2）牛顿虽然对引力的态度持审慎态度，但他最终还是对它作了抽象的、纯粹的数学形式的概括，把它实际看成一种即时的、超距作用力。,（3）质量恒定不变，与物质的运动速度和能量无关。,（4）牛顿力学只涉及到了宏观的低速世界。,第二章牛顿定律,马赫（E.Mach,1838-1916）1883年出版了他历史性的著作力学及其发展的批判历史概论，对经典力学进行了全面的、深入的批判。吹响了新的物理学革命的号角。以致于在19世纪末20世纪初在物理学领域内爆发了一场举世瞩目革命。这场革命不仅改变了科学的面貌，而且对人类的生产和生活产生了深刻而巨大的影响。,一牛顿第一定律（惯性定律）,表述：任何物体只要没有外力改变它的状态，便永远保持静止和匀速运动的状态。惯性,内涵：（1）惯性定律给了力的定义。力是产生加速度的原因，它是矢量。,（2）惯性定律不能用实验严格证实，它是理想化抽象思维的产物。,（3）惯性定律不仅适用于整个物体的运动，也适用于其中的一个独立分量。,（4）惯性定律定义了惯性系。即对于某一特定物体惯性定律成立的参考系简称惯性系。,在惯性参照系中，牛顿第1定律正确地描述了不受任何力作用的物体的运动。如果有力作用时物体如何运动？,（5）惯性定律包含了物体保持平衡的条件：合力为零就相当于没有任何作用力。这是静力学讨论问题的基础。,二牛顿第二定律,动量为 的物体，在合外力 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,当 时，为常量，,合外力,内涵：（1）定义了描述物体固有的运动特性的物理量质量。质量反映了物体在相互作用过程中速度改变的难易程度，它是物体惯性的度量。故也称为惯性质量。单位为kg。1kg的质量是以国际千克原器物质为标准的。,（2）定义了描述物体相互作用的物理量力的大小和特性。,力的特征：是物体获得加速度。,力的大小：1N（力）=1kg（质量）1ms-2（加速度）,力的性质：矢量特性-大小、方向、作用点。,即,注：为A处曲线的曲率半径,自然坐标系中,A,(1)瞬时关系,(2)牛顿定律只适用于质点,注意,(3)力的叠加原理,两个物体之间作用力 和反作用力，沿同一直线，大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上,（物体间相互作用规律）,三 牛顿第三定律,作用力与反作用力特点：,(1)大小相等、方向相反，分别作用在不同物体上，同时存在、同时消失，它们不能相互抵消,(2)是同一性质的力,注意,四 力学相对性原理,为常量,(2)对于不同惯性系，牛顿力学的规律都具有相同的形式，与惯性系的运动无关,(1)凡相对于惯性系作匀速直线运动的一切参考系都是惯性系,注意,本章目录,2-1牛顿定律,2-2物理量的单位和量纲,2-3几种常见的力,2-4牛顿定律的应用举例,2-0 教学基本要求,*2-5非惯性系 惯性力,选择进入下一节：,END,一.自然界中的力,基本作用力：在力学中把物体之间的相互作用抽象为力，自然界中的各种各样的千变万化的力可以归结为几种最基本的相互作用力。,(1)万有引力,由于物体的质量，而在物体之间存在的一种固有的作用力。量级约为210-34N。,m1和m2为两个物体的引力质量，是物体的固有特性所决定的。实验证明，引力质量等于惯性质量。,平面镜,M,M,m,m,r,1798年卡文迪许用扭称实验测出G,M=1.5kgm=15gr=5mF=610-10N,万有引力虽然无处不有，但它非常微弱，故至少有一个物体是天文学大小时它才是重要的，大部分情形下它可以忽略不计。,重力：地球上的物体所受到的引力称为重力。,重力加速度：,(2)电磁力,静电力：由于静止或运动的电荷而产生的力，也叫库仑力。量级约为2102N。它作用的基本规律是由19世纪法国物理学家C.A.库仑发现，用的也是扭称。,磁力：运动的电荷还有磁力的作用，以后讨论。,(3)强力,强力是一种核力，它使核子束缚在一起以保持核的稳定。量级约为2103N。但当粒子距离大于1F（费米=10-15m）时，它衰减很快，可以略去，故它是短程力。,弱相互作用力也是一种核力，仅在粒子间的某些反应时才显示出重要性。量级约为110-2N。但当粒子距离大于10-2F（=10-17m）时，可以略去，故它也是短程力。,(4)弱力,(5)弹力:,三种常见的弹力,两个物体之间因接触而产生的正压力绳子或线对物体的拉力弹簧的弹力,物体在外力作用下发生形变，形变物体内部产生企图恢复原来形状的力，称为弹力。,(6)接触摩擦力,把两个物体简单地堆在一起，其作用可以视为一宏观的综合作用力接触力。垂直于接触面支撑力或压力平行于接触面摩擦力,静摩擦力：,当 时,静摩擦力,最大静摩擦力,：静摩擦系数，它由接触物体的质料和表面状况决定，一般在0.10.6之间。,当 时，,滑动摩擦力,：滑动摩擦系数它与相对滑动速度v有关，与接触面面积无关。一般来说：,滑动摩擦力：,滑动摩擦力与速度的关系：,(7)流体阻力,物体与流体之间有相对运动时，物体会受到一与相对运动速度方向相反的力流体阻力。,在相对速率较小时：,k是与物体大小、形状及流体性质相关的系数（Nm-1 s）,在相对速率较大时：,是流体密度，A为物体的有效横截面积，c为阻力系数（0.41.0)。,四种相互作用的力程和强度的比较,表中强度是以两质子间相距为 时的相互作用强度为1给出的,种 类,相互作用粒子,强度,力程/m,引力作用,所有粒子、质点,弱相互作用,带电粒子,电磁作用,核子、介子等强子,强相互作用,强子等大多数粒子,温伯格萨拉姆格拉肖,弱相互作用电磁相互作用,电弱相互作用理论,三人于1979年荣获诺贝尔物理学奖,鲁比亚,范德米尔实验证明电弱相互作用，1984年获诺贝尔奖,本章目录,2-1牛顿定律,2-2物理量的单位和量纲,2-3几种常见的力,2-4牛顿定律的应用举例,2-0 教学基本要求,*2-5非惯性系 惯性力,选择进入下一节：,END,一解题步骤,已知力求运动方程 已知运动方程求力,二两类常见问题,隔离物体 受力分析 建立坐标 列方程 解方程 结果讨论,例1阿特伍德机 p33,例2 设有一辆质量为m=2500kg的骑车，在平直的高速公路上以每小时120km的速度行驶，若欲汽车平稳地停下来，驾驶员启动刹车装置，刹车阻力是随时间线性增加的，Ff=-bt,其中b=3500N.s,试问汽车经过多长时间停下来？,例3设空气对抛体的阻力与抛体的速度成正比，即，为比例系数抛体的质量为、初速为、抛射角为 求抛体运动的轨迹方程,解取如图所示的平面坐标系,由初始条件，解得:,由上式积分代初始条件得：,例4 p35,问绳和铅直方向所成的角度 为多少？空气阻力不计,例5 如图,摆长为 的圆锥摆，细绳一端固定在天花板上，另一端悬挂质量为 的小球，小球经推动后，在水平面内绕通过圆心 的铅直轴作角速度为 的匀速率圆周运动,解,越大，也越大,另有,利用此原理，可制成蒸汽机的调速器（如图所示）,