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1、物理 第二章,第一章我们学习了怎样描述物体的运动，但是没有进一步讨论物体为什么会做这样或那样的运动。要讨论这个问题，必须知道运动和力的关系。在力学中只研究物体怎样运动，不涉及物体运动状态改变原因的分科，称为运动学。研究物体运动和力的关系的分科，称为动力学。,第一节 牛顿第一定律 力,牛顿第一定律 牛顿在伽利略等人的研究基础上，经长期的实践和探索总结出：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律(Newton first law)。物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质称为惯性(inertia)，因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。,力
2、 物体之间的相互作用称为力(force)。,力对物体的作用效果与力的大小、方向及力的作用点有关。我们通常把力的大小、方向及力的作用点称为力的三要素。力是个有大小和方向的量，所以力是矢量。,力可以用一根带箭头的线段来表示。线段是按一定比例(标度)画出的，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭尾表示力的作用点，力的方向所沿的直线称为力的作用线。这种表示力的方法，称为力的图示，如图2-1所示。,力的种类较多，按力的性质进行分类，有重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等；按力的作用效果进行分类，有拉力、压力、支持力、动力、阻力等。 在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛(N)。过去常用的力的单位
3、千克力(kgf)与牛顿的关系是： 1kgf=9.8N,力的作用效果 力可以使物体发生形变，例如，手用力拉弹簧，弹簧发生伸长；用力拉弓，弓就发生弯曲。在力作用下，物体发生形状或体积改变的现象称为形变。此外，力还可以改变物体的运动状态，即改变物体运动速度的大小和方向。,力的特性 (1)力不能脱离物体而单独存在。 (2)力总是成对出现。 (3)力不仅有大小，而且还有方向和作用点。,重力 物体由于地球的吸引而受到的力，称为重力(gravity)。 重力不仅有大小，而且有方向。 重力的大小可以用弹簧秤测出。 重力G的大小跟物体的质量m成正比。 重力G跟物体的质量m的关系式是 一个物体的各部分都要受到重力
4、的作用。从作用效果上看，我们可以认为物体各部分受到的重力作用集中于一点，这一点称为物体的重心(center of gravity)。,第二节 重力 弹力 摩擦力,弹力 发生形变的物体，由于自身需要恢复原状，就会对引起形变的物体产生力的作用，这种力称为弹力(elastic force)。 发生形变的物体，在外力停止作用后，如果能够恢复原状，这种形变称为弹性形变。若外力超出了一定限度，即使撤出外力，物体也不能完全恢复原状，这个限度称为弹性限度.,在弹性限度内，弹簧的弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)的长度x成正比，这个结论称为胡克定律，其数学表达式是 F=kx 式中k为弹簧的劲度系数，简称为劲度。
5、劲度系数由弹簧的材料、形状、长短、粗细等因素决定，单位是牛每米，符号是N/m。,滑动摩擦力 摩擦力是在两个互相接触的物体之间产生的。一个物体在另一个物体表面上作相对滑动的时候，要受到另一个物体阻碍它相对滑动的力，这种力称为滑动摩擦力(sliding friction force)。 滑动摩擦力Ff的大小与物体所受的支持力FN的大小成正比，即 Ff=FN(2-1) 称为动摩擦因数(dynamic friction factor)，其大小与相互接触物体的材料的性质和接触面的粗糙程度有关。,静摩擦力 大小随外力的增大而增大。 当推力增大木箱仍然不动时，说明静摩擦力大小随着推力增大而增大。但是静摩擦力
6、的增大有一个限度，静摩擦力的最大值称为最大静摩擦力。 摩擦力的利与弊 走路、夹东西、开车、机器的传动和制动，都离不开摩擦力的帮助。另一方面，人们又必须尽量减少机器中零部件之间的摩擦力及其所引起的磨损，以保持机器原有的精度和功能，延长机器的使用寿命。,作用力与反作用力 力是物体对物体的作用，只要有力发生，就一定要有受力物体和施力物体。,观察和实验表明，两个物体之间的作用总是相互的。一个物体对另一个物体有力的作用时，另一物体必同时对这个物体也有力的作用。为叙述方便，我们把发生在两个物体之间并且同时成对出现的相互作用力.,牛顿从大量的实验中总结出如下结论：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，
7、方向相反，沿一条直线，分别作用在两个物体上。这就是牛顿第三定律(Newton third law)。,第三节 牛顿第三定律,理解和应用牛顿第三定律时，应该注意 (1)作用力和反作用力总是同性质的力，或同为弹力，或同为摩擦力等。 (2)作用力和反作用力总是同时存在，同时对等变化，同时消失。 (3)作用力和反作用力方向相反，总是分别作用在两个不同的物体上，根本不存在相互平衡的问题。所谓一对平衡力，只是对作用于同一物体上的两个力而言。,水平面上物体的受力分析 将一本书放在水平桌面上，书受到两个力作用，一个是竖直向下的重力G，另一个是桌面对书的向上的支持力FN，书的受力图如图2-15所示。,斜面上物体
8、的受力分析 若有一木块沿着光滑斜面下滑，它会受到哪些力的作用呢？很明显，木块要受到竖直向下的重力G和斜面对木块产生的支持力FN，这个支持力的方向垂直于斜面向上，如图2-18所示。,第四节 物体受力分析,连接体受力分析 几个物体通过某种方式连接起来，其中一个物体运动，使其他物体也随之运动，这样的几个物体所组成的体系，称为连接体。 例如，水平气垫导轨上的滑块A，用细绳跨过定滑轮与砝码B相连，就构成一连接体。如图2-20所示。,分析物体受力情况和画受力图时，大致可按下列思路进行： (1)根据要求确定研究对象，并把被研究对象从周围物体中隔离出来，画出其示意图。 (2)分析物体受力情况时，应根据力是物体
9、间的相互作用这一概念去分析，不能多画一个力，也不能少画或画错一个力。可按重力、弹力和摩擦力的顺序逐步分析，将各个力按方向和大小画在物体上。,力的合成 一个力，如果它产生的效果跟几个力共同产生的效果相同，这个力就称为那几个力的合力(resultant of force)，而那几个力就称为这个力的分力(component of force)。求几个力的合力称为力的合成(composition of force)。 几个力如果都作用在物体的同一点，或者它们的作用线相交于同一点，这几个力称为共点力(concurrent force)。 两个互成角度的共点力，它们的合力的大小和方向可以用表示这两个力的线
10、段作为邻边所画的平行四边形的对角线来表示，这个规则称为平行四边形定则，如图2-24所示。,第五节 力 的 合 成,共点力 作用下物体的平衡条件我们常说一个物体处于平衡状态是指物体保持静止，或者处于匀速直线运动状态。 在共点力作用下物体保持平衡的条件:合力等于零.,例2-1 重量G=3N的气球，如图2-25所示，同时受到风的水平推力F1=12N，以及空气浮力F2=8N。求气球所受的合力FR。,例2-2 如图2-26所示，为两个定滑轮组，物体K重20N，物体L重15N，两滑轮之间的绳子上悬挂物体M，当=90时，三个物体都处于平衡状态。求物体M的重力是多大？,力的分解 如果几个力共同作用的效果，与原
11、来一个力产生的效果相同，这几个力就称为原来那个力的分力。求一个已知力的分力，称为力的分解(resolution of force)。,正交分解法 一个已知力沿两个互相垂直的方向分解，称为正交分解法。,第六节 力 的 分 解,例2-3 倾角为的斜面上，物块受重力G、支持力FN和摩擦力Ff作用，如图2-30所示，求它们的合力。,第六节 力 的 分 解,例2- 4 木箱重600N，放在水平地面上，一个人用大小为200N与水平方向成30向上的力拉木箱，木箱沿地平面作匀速直线运动，求木箱受到的摩擦力和地面所受压力。,加速度和力的关系 滑块的加速度a，则可以利用两个光电门测出滑块在先后两个位置上的速度v0
12、和vt，并测得两位置的距离s，就可以根据公式 s计算出来。当然，加速度也可用其他实验方法来测算。,第七节 牛顿第二定律,加速度和质量的关系 在图2-32所示的实验中，保持砝码的重量不变，改变滑块质量m的大小，然后测定其加速度，当加速度a1和a2分别对应于质量m1和m2时，则有a1a2=m2m1，就是说a与m成反比关系：a1m。 牛顿第二定律物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度方向跟合外力的方向相同，这就是牛顿第二定律(Newton second law)。,例2-5 质量为400kg的物体，在F为196N的水平拉力作用下，沿地面滑动。如果物体受到的阻力为98N，求物体所
13、得到的加速度。,例2-6 质量是1kg的物体，以0.4m/s的初速度沿水平桌面向右匀减速滑动，该物体滑动1m的距离后停止。求作用在该物体上的摩擦力。,在力学中，选定长度、质量和时间这三个物理量的单位作为基本单位。利用基本单位可以导出其余物理量单位。选定这三个物理量的不同单位，可以组成不同的力学单位制。 在国际单位制(国际代号为SI)中，取m(长度单位)，kg(质量单位)、s(时间单位)作为基本单位。 根据物理公式中其他物理量和这几个物理量的关系，可推导出其他物理量的单位。例如，选定了位移的单位米(m)和时间的单位秒(s)，利用公式v=st可以推导出速度的单位米/秒(m/s)，再利用公式a=vt
14、-v0t可以推导出加速度的单位m/s2。如果再选定质量的单位千克(kg)，利用公式F=ma就可以推导出力的单位牛(N)。这些推导出来的单位称为导出单位。,第八节 国际单位制中力学的基本量和基本单位,第九节 牛顿运动定律的简单应用,例2-7 一个静止在水平面上的物体，质量是2kg，它在水平方向受到4.4N的拉力，若物体跟平面的滑动摩擦力是2.2N，求物体在第4s末时的速度和4s内通过的位移。,解根据牛顿第二定律F合=ma和F合=F-Ff得出F-Ff=ma所以a=F-Ffm=4.4N-2.2N2kg=1.1m/s2 根据速度公式vt=at=1.1m/s24s=4.4m/s 由位移公式得s=12at
15、2=121.1m/s24s2=8.8m 答物体在第4s末的速度为4.4m/s，在4s内通过的位移为8.8m。,例2-8 一名滑雪者，从静止状态开始沿山坡作匀加速下滑，在5s内滑下57m，山坡的倾角是30，滑雪者和他的全部装备的总质量是50kg，求滑雪者滑下时受到的摩擦力。,=50kg9.8m/s212-50kg4.56m/s2=17N 答滑下时受到的摩擦力大小为17N，方向沿斜面向上。,例2-9 升降机以0.45m/s2的加速度加速上升，站在升降机里的人的质量是60kg，求人对升降机里地板的压力是多大？ 解,根据牛顿第二定律F合=ma，得FN-G=ma所以FN=G+ma=mg+ma=60kg9
16、.8m/s2+60kg0.45m/s2=615N 由牛顿第三定律得FN=FN=615N，方向竖直向下。 答人对升降机里地板的压力是615N。,第十节 牛顿力学的适用范围,自17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展，取得了巨大成就，并在科学研究和生产技术中有广泛的应用。经典力学理论在如此广阔的领域里与实际相符合，证明了牛顿运动定律的正确性。但是，牛顿定律与一切物理定律一样，也有一定的适用范围。 处理宏观物体的低速运动(指远小于光速的运动)问题时，经典力学是完全适用的。而相对论指出质量要随着速度的增大而增大，这时经典力学就不适用了。也就是说，经典力学不适用于微观粒子。 相对论和量子力学的出现，说明人类对自然界的认识更加深入，而不是表示经典力学失去意义了。,小 结,一、牛顿三定律 二、力及相关概念 三、共点力的合成与分解,二、力及相关概念,(1)力是物体之间的相互作用。 (2)重力是物体由于地球的吸引而受到的力，其等效作用在物体的重心上，其方
