《牛顿运动定律动能势能机械能守恒课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《牛顿运动定律动能势能机械能守恒课件（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第2章 牛顿运动定律-动能、势能和功能原理,吴庆文,2,本章要点,三个定律,牛顿第一定律 牛顿第二定律 牛顿第三定律,3,第9节 动能 动能定理,动能,功,动能定理：合外力对质点做的功等于其动能的增加。,单位: 焦耳 符号J 1J1Nm,一维匀加速运动：,4,a,b,o,t,t+dt,一般情况：,元功,功,动能定理,5,功率做功的快慢,平均功率：,瞬时功率(功率)：,单位: 瓦特 符号W 1W1Js1,合力做的功：,若有多个力同时作用在质点上，则,分力做功的代数和,6,例1.在光滑的水平桌面上, 固定着如图所示的半圆形屏障,质量为m 的滑块以初速 v1 沿屏障一端的切线方向进入屏障内, 滑
2、块与屏障间的摩擦系数为 。求：当滑块从屏障另一端滑出时，摩擦力对它所作的功。,俯视图,解：建立自然坐标系,运动方程,法向,分析：,受力：,切向,变力作功, 用动能定理 必须先找出末态的v2！,fN, an,v,f,7,设滑块进入屏障后，速度为 V 时，已沿屏障转动了 “ ”角，经过的时间为 t ，则上式改为：,因合外力的功只有摩擦力的功N 不作功，根据动能定理,8,例2. 速度大小为v0=20m/s的风作用于面积为S=25m2的船帆上, 作用力 , 其中a为无量纲的常数, 为空气密度，v为船速。(1)求风的功率最大时的条件；(2) a=l, v=15m/s, =1.2kg/m,求t=60s内风
3、力所做的功。,解: (1),令,即,则,时, P最大。,9,(2) 当a=l, v=15m/s, =1.2kg/m时,求t=60s内风力所做的功。,解:,10,正功,负功,注意：,(1) 功是标量，但有正负, 且与参考系有关。,(2) 力对质点所做的功, 不仅与始、末位置有关，而且往往与路径有关。,11,保守力：对质点做功的大小只与质点的始末位置有关，而与路径无关。,非保守力：对质点做功的大小不但与质点的始末位置有关，而且还与路径有关。,第10节 保守力 势能,如：摩擦力,物体间相互作非弹性碰撞时的冲击力都属于非保守力等。,如：重力、弹力、万有引力等。,简单判据： （1）对于一维运动，力是位置
4、x的单值函数则为保 守力，如弹性力； （2）一维以上的运动，大小与方向都与位置无关的 力，如重力； （3）有心力,12,选取某处(b)的势能为0,势能,保守力做的功等于势能增量的负值。,即：质点在保守力场中任一位置的势能等于把质点由该位置移到势能零点过程中保守力所做的功。,13,弹力：,xb = 0为势能零点,重力：,yb = 0为势能零点,万有引力：,几种常见保守力：,有心力,14,rb = 为势能零点,引力势能，负值。它表示一质点从引力场中某处移到无限远过程中，万有引力总是做负功。,15,（1）保守力(如:重力,弹力,万有引力)的功与路径无关, 由此可以引入的势能概念。,（2）质点在任一位
5、置的势能, 等于把质点由该位置移到势能为零的点的过程中,保守力所做的功:,注：,原则上, 势能零点可任选。,（3）保守力将质点由 a 沿任意路径移动到 b 再由 b 沿任意路径移回到 a 点，那么,保守力的环流为零,a,b,16,由势能求保守力,保守力做功等于势能增量的负值,又,比较以上式子可得,17,要求上式对任意的dx, dy, dz成立, 则必有：,若已知系统势能, 利用上式, 可由势能求保守力.,18,第11节 功能原理 机械能守恒,=,+,系统机械能的增量等于非保守力的做功。功能原理,称为：机械能,质点的动能定理：,19,系统机械能守恒:只有保守内力作功,系统的总机械能保持不变。,质
6、点系的动能定理：,对所有质点求和：,外力的总功与内力的总功之代数和等于质点系动能的增量质点系的动能定理,注意：系统动量的改变仅取决于系统所受到的外力，但系统动能的改变则和内力、外力做功均有关！,20,例4.质量为m 的小球系在线的一端，线的另一端固定，线长L，先拉动小球，使线水平张直，然后松手让小球落下求线摆下 角时，小球的速率和线的张力。,解：用牛顿第二定律,建立自然坐标,受力分析：,用dS 乘(1)的两边：,将上述结果代入(2):,21,解法二：用动能定理,0,22,解法三：用机械能守恒定律,研究对象：小球、线、地球组成的系统。,只有重力作功，Ea = Eb，机械能守恒。 令 b 处势能为
7、零,23,解决问题的思路可按此顺序倒过来，首先考 虑用守恒定律解决问题。若要求力的细节或求 加速度则必须用牛顿第二定律。,几点说明：,以上所讨论的动量定理、角动量定理、动能定理都是来自牛顿定律，所以只适用惯性系，在非惯性系必须加惯性力的作用，才可用这些定理。,24,作业：,第4章T1-T5,25,26,27,第11节 功能原理 机械能守恒,质点的动能定理：,质点系的动能定理：,对所有质点求和：,外力的总功与内力的总功之代数和等于质点系动能的增量质点系的动能定理,注意：系统动量的改变仅取决于系统所受到的外力，但系统动能的改变则和内力、外力做功均有关！,28,机械能守恒定律,由上式,只有保守内力作
8、功，系统的总机械能保持不变。,功能原理：机械能的增量等于外力做的功和非保守内力做功的总和。,或写成：,定义:,机械能,机械能,29,系统机械能守恒:只有保守内力作功,系统的总机械能保持不变。,质点系的动能定理：,对所有质点求和：,外力的总功与内力的总功之代数和等于质点系动能的增量质点系的动能定理,注意：系统动量的改变仅取决于系统所受到的外力，但系统动能的改变则和内力、外力做功均有关！,30,注意：,范围：惯性系、宏观低速运动（只有动量守恒、角动量守恒、能量守恒对宏观、微观都适用）。,10 各定理、定律的表达式，适用条件，适用范围。,20 由牛顿第二定律推出：,动量定理,动能定理,机械能守恒定律
9、,动量守恒定律,功能原理,角动量定理,角动量守恒定律,解决问题的思路按此顺序倒过来，首先考虑用守恒定律解决问题。若要求力的细节则必须用牛顿第二定律。,30 有些综合问题，既有重力势能，又有弹性势能， 注意各势能零点的位置，不同势能零点位置可以同， 也可以不同。（问：一般选哪里为势能零点？）,31,40 有些问题涉及临界现象（如弹簧下面的板刚好提离地面、小球刚好脱离圆形轨道、木块刚好不下滑等）。,解题时先建立运动满足的方程，再加上临界条件（往往是某些力为零或 v 、a 为零等）。,50 特别注意用高等数学来解的问题。凡有极值问题要用求导的方法。,32,例3. 力 作用在质量为m2kg的质点上，
10、使质点由静止开始运动,试求最初2s内这个力所做的功。,解:,33,例3. 一人从H10m深的水井中提水,开始时,桶中装有M10kg的水(忽略桶的质量).由于水桶漏水, 每升高1m要漏出0.2kg的水,求将水桶匀速地从井中提到井口的过程中,人所做的功 。,解:,因水匀速上升,34,4.,解决问题的思路可按此顺序倒过来，首先考 虑用守恒定律解决问题。若要求力的细节或求 加速度则必须用牛顿第二定律。,几点说明：,34,35,例、一个质点的质量为m, 沿x轴运动, 其加速度与速度成正比(比例系数为k),方向相反.设该质点运动的初速度为v0。 (1) 试写出该质点在x轴方向运动的受力表示式。 (2) 该
11、质点在x轴方向运动的全过程中所受的力做了多少功?,解:,(1),(2),36,如果不是恒力：,如果是匀速圆周运动：,37,a,b,o,t,t+dt,元功,动能定理,合力,38,Laplace算符：,39,方向与运动方向相反,xa xb:,xa -A xb:,弹力与摩擦力做功,40,例、 如图所示, 一质量为M的光滑圆环, 半径为R, 用细线悬挂在支点上, 环上串有质量都是m的两个珠子, 让两珠从环顶同时静止释放向两边下滑, 问滑到何处(用表示)时环将开始上升？,解：,由于环对珠的支承力不做功， 系统的机械能守恒。,当滑到图中位置时有,珠子受的法向分力为,故，环开始上升时,速度足够大时 将反向,由以上三式解得,41,保守力：对质点做功的大小只与质点的始末位置有关，而与路径无关。,非保守力：对质点做功的大小不但与质点的始末位置有关，而且还与路径有关。,势能,第9节 保守力 势能,选取某处(b)的势能为0,
