复旦大学《大学物理》课件-牛顿定律(1).pdf

(1)(1)掌握：牛顿定律及其适用条件，牛顿定律的应用。掌握：牛顿定律及其适用条件，牛顿定律的应用。(2)(2)理解：惯性、质量和力的概念；力的叠加原理；力学理解：惯性、质量和力的概念；力的叠加原理；力学相对性原理；物理量的单位和量纲。相对性原理；物理量的单位和量纲。(3)(3)了解：几种常见的力（万有引力、弹性力、摩擦力）；了解：几种常见的力（万有引力、弹性力、摩擦力）；非惯性系、惯性力。非惯性系、惯性力。杰出的英国物理学家，经典物理杰出的英国物理学家，经典物理学的奠基人。学的奠基人。他的不朽巨著他的不朽巨著自然哲自然哲学的数学原理学的数学原理总结了前人和自己关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，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，他散的起因，发现了色差及牛顿环，他还提出了光的微粒说。还提出了光的微粒说。牛顿牛顿 Issac Newton （16431727）任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外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力迫使它改变运动状态为止。“惯性惯性”和和“力力”的概念的概念当当 时，时，恒矢量恒矢量v0F 如果如果物体在一参考系中不受其它物体作用，而保持物体在一参考系中不受其它物体作用，而保持静止或匀速直线运动，这个参考系就称为静止或匀速直线运动，这个参考系就称为惯性参考系。惯性参考系。惯性惯性 物体保持其运物体保持其运动状态不变的特性。动状态不变的特性。tmttptFd)(dd)(d)(v 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动量随时间的变化率应当等于作用于物体的合外力p)(iFF当当 时，时，为为常量常量cvmamtmtFdd)(v合外合外力力vmp:动量amtmtFdd)(vktmjtmitmFyxddddddzvvvxxmaF yymaF zzmaF kmajmaimaFyxz 即即牛顿定律的矢量性：牛顿定律的矢量性：注：注：为为A处曲线的曲率半径。处曲线的曲率半径。22tddddtsmtmFv自然坐标系中自然坐标系中n2tntdd)(emetmaamamFvvmF2nvateneA(1)瞬时瞬时关系关系(2)牛顿定律只适用于牛顿定律只适用于质点质点注意注意321aaaa321FFFF(3)2211amFamFamtmtFdd)(v 当几个力同时作用当几个力同时作用于物体时，其合力所产于物体时，其合力所产生的加速度等于每个力生的加速度等于每个力单独存在时所产生的加单独存在时所产生的加速度的矢量和。速度的矢量和。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，大小相等，方向相反，分别作用在大小相等，方向相反，分别作用在两个两个物体上物体上FF2112FF（物体间相互作用规律）（物体间相互作用规律）12F21FmmTFTFGG地球地球例例 分析物体间的相互作用力分析物体间的相互作用力作用力与反作用力特点：作用力与反作用力特点：(1)大小相等、方向相反，分别作用在大小相等、方向相反，分别作用在不同不同物体上，物体上，同时存在、同时消失同时存在、同时消失，它们，它们不能相互抵消不能相互抵消。(2)是同一性质的力。是同一性质的力。注意注意u vvFamamF xutxx yyzzoouxPaa为常量为常量uttddddvvamFamF (2)对于对于不同不同惯性系，牛顿力学的规律都具有惯性系，牛顿力学的规律都具有相相同同的形式，与惯性系的运动无关的形式，与惯性系的运动无关 (1)凡相对于惯性系作凡相对于惯性系作匀速直线运动匀速直线运动的一切参考的一切参考系都是惯性系系都是惯性系伽利略相对性原理伽利略相对性原理注意注意（力学相对性原理）（力学相对性原理）力学的力学的基本单位基本单位 1984年年2月月27日，我国国务院颁布实行以国际单位日，我国国务院颁布实行以国际单位制制（SISI）为基础的法定单位制。为基础的法定单位制。物理量物理量长度长度L质量质量M时间时间T单位名称单位名称米米千克千克秒秒符号符号mkgs单位制：单位制：国际单位制规定了国际单位制规定了七个基本单位：七个基本单位：电流单位电流单位A安培，安培，热力学温度热力学温度K开尔文，开尔文，物质的量物质的量mol摩尔，发光强度摩尔，发光强度cd坎德拉。坎德拉。速率速率ts/ddv1sm-导出量：导出量：amF2smkg1N1-力力rFWddmN1J1功功 力学还有力学还有辅助量：辅助量：角度角度:弧度弧度 rad 立体角立体角:球面度球面度sr 基本量纲基本量纲：L、M、TsqpQTMLdim某一物理量某一物理量 的量纲的量纲Q量纲：量纲：如：如：速度的量纲是速度的量纲是1LT角速度的量纲是角速度的量纲是1T力的量纲是力的量纲是2MLT量纲作用：量纲作用：(1)可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)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)量纲可检验文字描述的正误量纲可检验文字描述的正误。212mmFrG 221rmmGF 如：如：213TMLdimG引力常数引力常数2211kgmN1067.6G19物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 20物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 221rmmGF 1 1、万万有有引引力力引引力力常常数数2211kgmN1067.6Gm1 m2r 重重力力,mgP 2rGmgE2sm80.9-2RGmgE地地表表附附近近21物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 2 2、弹弹性性力力 常常见见弹弹性性力力有有：正正压压力力、支支撑撑力力、张张力力、弹弹簧簧弹弹性性力力等等kxF弹弹簧簧弹弹性性力力胡胡克克定定律律由由物物体体形形变变而而产产生生的的。22物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 3 3、摩摩擦擦力力 0一一般般情情况况 NfFF滑滑动动摩摩擦擦力力N0f0mFF最最大大静静摩摩擦擦力力静静摩摩擦擦力力 f0mf0FF23物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 24物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 问问题题：弹弹性性力力和和摩摩擦擦力力分分别别属属于于四四种种基基本本力力中中的的哪哪一一种种？25物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 1、惯惯 性性 系系：牛牛顿顿定定律律适适用用的的参参考考系系，称称为为惯惯性性系系。（循循环环定定义义？！）2、非非惯惯性性系系：牛牛顿顿定定律律不不适适用用的的参参考考系系，叫叫非非惯惯性性系系。“一一个个远远离离其其他他一一切切物物体体，而而且且没没有有自自转转的的物物体体是是惯惯性性参参照照系系，一一切切相相对对于于该该物物体体做做匀匀速速直直线线运运动动的的参参照照系系也也是是惯惯性性参参照照系系。牛牛顿顿定定律律就就是是在在这这样样的的参参照照系系中中成成立立。”王王燕燕生生教教授授 （大大学学物物理理问问题题讨讨论论集集）26物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 1 1、地地面面参参考考系系 地地面面是是一一个个最最常常用用的的惯惯性性系系。但但只只能能说说地地面面是是一一个个近近似似的的惯惯性性系系，而而不不是是一一个个严严格格的的惯惯性性系系，因因为为地地球球有有自自转转角角速速度度：由由于于地地球球的的自自转转，地地球球上上的的物物体体有有法法向向加加速速度度。2 2、地地心心参参考考系系 地地心心参参考考系系相相对对地地面面参参考考系系严严格格些些，地地球球绕绕太太阳阳公公转转的的角角速速度度：27物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 3 3、日日心心参参考考系系 日日心心参参考考系系相相对对地地心心参参考考系系更更严严格格些些，但但太太阳阳还还绕绕银银河河中中心心旋旋转转：4 4、F FK K4 4参参考考系系 F FK K4 4参参考考系系是是以以选选定定的的1 15 53 35 5颗颗恒恒星星的的平平均均静静止止的的位位形形作作为为基基准准的的参参考考系系，是是比比以以上上三三个个参参考考系系都都严严格格的的惯惯性性系系。28物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 T在在加加速速运运动动的的车车上上分分析析力力aomg 29物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 需需要要在在非非惯惯性性系系研研究究问问题题，寻寻找找适适用用的的定定律律。有有了了惯惯性性力力，非非惯惯性性系系中中牛牛顿顿定定律律在在形形式式上上成成立立！性性质质：不不是是真真实实的的力力，无无施施力力物物体体，无无反反作作用用力力，是是非非惯惯性性系系加加速速度度的的反反映映。SoaSS:成成立立oamam amamFoiFamo 定定义义惯惯性性力力amF iFamF 0aaa 30物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 匀匀速速转转动动参参考考系系:rm甲甲乙乙e对对甲甲：小小球球受受弹弹性性力力n2ermF作作圆圆周周运运动动对对乙乙：小小球球受受到到弹弹性性力力n2ermF的的作作用用却却不不运运动动，？圆盘为非惯性系，m除受到弹性力作用外，还受到一与圆盘向心加速度方向相反的惯性力。n20ermF:向向心心力力，离离心心力力，惯惯性性离离心心力力。结结论论可可推推广广到到转转动动参参考考系系 惯惯性性离离心心力力31物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 非惯性系和惯性力实例 以加速上升的电梯为参考系，可以认为乘坐电梯的人除了受到重力的作用，还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重。32物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 人造重力：21世纪，人类在空间站中长期生活，为了克服失重带来的不利影响，将空间站设计成一个大转轮，绕轴自转，其上各点都有一个指向转动轴的向心加速度。以空间站为参考系，与它一起旋转的物体都受到一个背离转动轴的惯性力。33物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 例 升降电梯相对于地面以加速度a 沿铅直向上运动。电梯中有一轻滑轮绕一轻绳，绳两端悬挂质量分别为m1和m2的重物(m1 m2)。求：(1)物体相对于电梯的加速度。(2)绳子的张力。解：设所求加速度为ar,以电梯为参考系对两物作受力分析如图34物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 例 一水桶绕自身垂直轴以角速度 旋转,当水与桶一起转动时,水面的形状如何？grmgrmrz22tandd解：水面上水珠受力分析如图 mg m 2rzN rz0r rgrzdd2rzzrrgz02dd0两两边边积积分分：水水面面为为旋旋转转抛抛物物面面grzz222035物物理理学学第第五五版版 大大学学物物理理 第第二二章章 牛牛顿顿定定律律 例例题题:a 已已知知人人的的质质量量 m=60 kg。(1)a=0；(2)a=0.5 ms-2上上升升；(3)a=0.5 ms-2下下降降，分分别别求求台台秤秤的的读读数数。解解:台台秤秤的的读读数数表表示示人人体体对对其其的的压压力力 NNN（1）mgN mg（2）mgmaNm