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1、质点动力学,第二章,三个定律,牛顿第一定律 牛顿第二定律 牛顿第三定律,动量定理 角动量定理 动能定理,三个守恒定律,动量守恒定律 角动量守恒定律 机械能守恒定律,三个定理,21 牛顿运动定律和惯性系,一、牛顿运动定律的表述及其应用,1 牛顿第一定律(又称为惯性定律),(1)表述: 任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其它物体对它作用的力迫使它改变这种状态为止。,(2)两个重要的概念,惯性:一切物体都会保持运动状态不变，并且反抗外界改变其运动状态。这种固有属性称为惯性，其大小用质量来量度。,力:力是一个物体对另一物体的作用，这种作用能迫使物体改变其运动状态，力是使物体产生加速度的原因。,
2、（3）第一定律定义了惯性参照系。惯性系：满足牛顿第 一定律的参照系(相对于惯性系作匀速直线运动的参照系） 。否则叫非惯性系。,甲看A:满足第一定律,乙看A:不满足第一定律,甲是惯性系， 乙是非惯性系,（4）牛顿第一定律的独立性问题：牛顿第二定律中，当 时， ， 质点保持静止或匀速直线运动， 是否说明牛顿第一定律是第二定律的推论？,答：否。牛顿第二定律可用实验验证，而牛顿第一定律， 由于物体实际上不可能不受力，故不能用实验验证。,牛顿第一定律是从大量实验事实中概括总结出来的，但它不能直接用实验来验证。因为世界上没有完全不受其他物体作用的“孤立”物体。我们确信牛顿第一定律的正确性，是因为从它所导出
3、的其他结果都和实验事实相符合。从长期实践和实验中总结归纳出一些基本规律(常称为原理、公理、基本假设或定律等)，虽不能用实验等方法直接验证，但以它们为基础导出的定理等都与实践相符合，因此人们公认这些基本规律的正确，并以此为基础研究其它有关问题，甚至建立新的学科。这种科学的，唯物的研究问题的方法，在科学发展史中屡见不鲜。如牛顿第一定律、能量守恒定律、热力学第二定律，爱因斯坦狭义相对论的两条基本假设等都属于这类基本规律。,牛顿第一定律是从大量实验事实中概括总结出来的,牛顿第一定律可以陈述为：,任何质点，只要其它物体作用于它的所有力的合力为零，则该质点就保持其静止或匀速直线运动状态不变。,几种实用的
4、惯性系,（1）地面参考系,因为地球有自转角速度：,由于我们生活在地面上，地面是一个最常用的惯性系。但只能说地面是一个近似的惯性系，而不是一个严格的惯性系。,由于地球的自转，地球上的物体有法向加速度。,（2）地心 参考系,地心参考系相对地面参考系严格些，地球绕太阳公转的角速度：,（3）日心 参考系,日心参考系相对地心参考系更严格些，但太阳还绕银河中心旋转：,（4）FK4参考系,FK4参考系是以选定的1535颗恒星的平均静止的位形作为基准的参考系，是比以上三个参考系都严格的惯性系。,2 牛顿第二定律,表述:一个物体的动量随时间的变化率正比于这个物体所受的合力，其方向与所受的合力方向相同。其数学表达
5、式为：,m为变量,m为常量,因为这方程虽然只与受力物体的加速度有关，而与其位置和速度无直接的关系，但根据此方程所求出的加速度，可以进一步求出物体的速度与时间的关系以及位置与时间的关系，所以它也称为牛顿运动方程。,是质点动力学的基本方程,牛顿第二定律的数学表达式,牛顿第二定律是关于物体运动规律的定量说明，是牛顿定律的核心部分,在第二定律中容易看出，在外力一定时，不同物体的加速度与其质量成反比。质量越大，加速度越小；质量越小；加速度就越大。这就是说，质量大的质点，改变其运动状态较难；质量小的质点，改变其运动状态较易。由此可见，质量是物体惯性大小的量度，又称为惯性质量。,牛顿第二定律是力的瞬时作用规
6、律,它说明了物体所受合外力与物体获得的加速度之间的瞬时关系。力和加速度同时产生，同时变化，同时消失，它们之间具有瞬时性，同时性和同向性。,牛顿第二定律是矢量式，在应用该定律时，经常把力和加速度沿选定的坐标轴分解。在直角坐标系中，第二定律可写成如下分量式：,在自然坐标系中为：,还应指出，牛顿第二定律只适用于惯性参考系。,10 这里“m”为变量, 指的是相对论中质量随速度变化。,20 牛顿第二定律只适用于质点及惯性系。,30 非惯性系中，必须引入 “惯性力”的概念，牛顿第二定律才能继续沿用。,30 非惯性系中，必须引入 “惯性力”的概念，牛顿第二定律才能继续沿用。,问题出在：在非惯性系中用了牛顿第
7、二定律！,奇怪?,*若在加速平动参照系：,地面上的观察者认为没有问题，小球所受合力为零，它 的加速度也为零。,哦！,车厢中的观察者以车厢为参照系（非惯性系） 他认为，小球受三个力的作用：,其合力为：,其中:,质点在非惯性系受的所有力的合力,这就是非惯性系的牛顿第二定律,非惯性系中引入惯性力后，牛二律的形式与惯性系一致。,真实力,虚拟力,3 牛顿第三定律,表述:当物体A以力F作用于物体B时，物体B同时也以力F作用在物体上，力F和F总是大小相等，方向相反，且在同一直线上。可用数学表达为：,作用力与反作用力的特点：,*作用力和反作用力总是成对出现，同时存在，同时消失，没有主从之分。,*作用力和反作用
8、力是分别作用在两个物体上的，不能相互抵消。,*作用力和反作用力总是属于同种性质的力。,第三定律比第一、二定律前进了一步，由对单个质点的研究过渡到对两个以上质点的研究，它是由质点力学过渡到质点系力学的桥梁。,*第三定律不涉及物体的运动，与参照系无关，无论 在惯性系还是非惯性系中均成立。,需要指出，作用力与反作用力相等而方向相反，是以力的传递不需要时间即传递速度无限大为前提的。如果力的传递速度有限，作用力与反作用力就不一定相等了。例如，电磁力以光速传递，但在较强电磁力作用下，粒子的运动速度可达很大，与光速可比拟，此时作用力与反作用力就不一定相等了。,在通常的力学问题中，物体的运动速度往往不大，即使
9、力以有限的速度传递，但因传递速度比物体运动的速度大得多，所以牛顿第三定律总是适用的。,(3)牛顿运动定律的适用条件与适用范围,*牛顿运动定律仅适用于惯性参考系。,*牛顿运动定律仅适用于物体速度比光速低得多的情况，不适用于接近光速的高速运动物体。在高速情况下，必须应用相对论力学，牛顿力学是相对论力学的低速近似,*牛顿运动定律一般仅适用于宏观物体，在微观领域中，要应用量子力学，而牛顿力学是量子力学的宏观近似。,二、几种常见的力,通常将力学的问题分为两类：一类是已知力求运动；另一类是已知运动求力。当然在实际问题中常常是两者兼有。其中关键的是正确分析物体的受力情况，为此我们必须认清有关各种力的特点和作
10、用方式。在力学中最常见的三种力，即重力、弹性力和摩擦力。,1.重力,重力是地球对其附近物体的一种吸引力，即地球与物体之间的万有引力。,地球表面附近的一切物体，不论是处于静止或运动状态，都要受到重力的作用。,忽略地球的自转效应时,其大小为：,方向铅直向下，指向地心。,2.弹性力,弹性力是物体在外力作用下发生形变(即改变形状或大小)时，物体内部产生企图恢复原来形状的力，它的方向要根据物体变形的情况来决定。,弹性力产生在直接接触的物体之间，并以物体的形变为先决条件。,例：如图，试分析静止圆球的受力。,圆球和斜面有接触但无力的作用,* 接触是产生弹性力的必要条件，而不是充分条件。,(1) 弹簧的弹性力
11、,弹簧被拉伸或压缩时产生的弹簧弹性力，遵守胡克定律： ，x表示形变位移， k为弹簧的劲度系数。而弹簧弹性力的方向总是指向要恢复它原长的方向。,(2)绳索中的张力,绳子被拉紧时会产生张力,大小取决于绳被拉紧的程度，它的方向总是沿着绳而指向绳要收缩的方向。,若整根绳子是一轻绳，即它的质量可忽略不计，则绳子两端所受的拉力的大小相等，而且绳子内部的张力的大小各处一样并等于它两端的外力的数值大小。,(3) 物体间相互挤压而引起的弹性力,把一个重物放在桌面上，由于重物压紧桌面，它们都会因相互挤压而产生微小的形变，通常我们把重物作用于支持面上的弹性力叫做压力，而把支持面作用于重物的弹性力叫做支承力。,压力和
12、支承力方向垂直于物体间的接触面或接触点的公切面，指向受力物体，称之法向力。,一个物体所受的压力的大小还与物体受到的其他作用力以及它的运动状态有关，因此在具体问题中一般需由动力学方程解算得出。,3.摩擦力,两个彼此接触而相互挤压的物体，当存在着相对运动或相对运动趋势时，在两者的接触面上就会引起相互作用的摩擦力,摩擦力产生在直接接触的物体之间，并以两物体之间是否有相对运动或相对运动的趋势为先决条件。,摩擦力的方向沿两物体接触面的切线方向，并与物体相对运动或相对运动趋势的方向相反。粗略地说，产生摩擦力的原因通常是由于两物体的接触表面凹凸不平。,静摩擦力,生活经验表明，当我们用手去推地板上的木箱时，用
13、力较小是推不动的；直到推力逐渐增到足够大时，木箱才开始滑动。这说明，两个相互接触的物体在受到外力作用而具有相对运动趋势时，物体之间就产生一种阻碍相对滑动的力，它发生在物体的接触处，这种力叫做静摩擦力。,根据实验，最大静摩擦力的大小与接触面的法向支承力的大小成正比.,静摩擦力的大小由沿水平方向的外力大小所决定，且随外力大小的改变而改变，方向与相对滑动的趋势相反。当外力增加到某一数值，物体刚能滑动时，静摩擦力达到极限值而不再随外力增大而增大，这一极限值叫做最大静摩擦力，用符号fmax表示。当外力小于最大静摩擦力时，物体将保持它原来的静止状态。静摩擦力可取零至最大静擦力之间的各个数值。,滑动摩擦力,
14、当作用于上述物体的力超过最大静摩擦力而发生相对滑动时，两接触面之间的摩擦力称为滑动摩擦力,fk= N,应用牛顿定律的解题步骤：,例.一质量为 m 的物体，以 v0 的初速度沿与水平方向成 角的方向抛出，空气的阻力与物体的动量成正比，比例系数为 k ，求物体的运动轨迹。,解：建立坐标系如图,研究对象“m”受力：,运动方程： （矢量方程）,运动方程的分量式：,由（1）,由（2）,例. 一光滑的劈，质量为 M ，斜面倾角为 ，并位于 光滑的水平面上，另一质量为m 的小块物体，沿劈的斜面无摩擦地滑下， 求劈对地的加速度。,解：研究对象：m 、M,设M对地的加速度为,以劈为参照系，建立坐标如图,受力分析
15、：如图,m 对M的加速度为,运动方程：,对m：,对M：,M对M,m对M,将,代入（2）（3）,M对地,附：将上式代入（1）得,m对M：,m对地：,（2）,（3）,解得：,例.一电梯以加速度 a上升，在电梯内 有一轻滑轮，其上通过绳子挂有一对重物，他们的质量分别为 m1, m2 。( m1m2 ) 试求：两重物相对于电梯的加速度ar ，及绳子的张力。,解：,（注意要统一对地坐标系）,例. 一小钢球， 从静止开始自光滑圆 柱形轨道的顶点下滑。 求：小球脱轨时的 角度。,解：,由式 (2),由式 (1) 得：,由(3)、(4)可解得：,例:有一柔软的链条，长度为 l , 其部 分平放在光滑的桌面上 ,另一部分悬垂在桌 边 , 其长度为b。开始链条静止。 试求：当链条全部脱离桌子时的速度。,设链条单位长度质量为,积分得：,由上面得到：,例.一链条总长为L，质量为m。放在桌面上并使其下垂，下垂的长度为a，设链条与桌面的滑动摩擦系数为，令链条从静止开始运动，则：（1）到链条离开桌面的过程中，摩擦力对链条做了多少功？（2）链条离开桌面时的速率是多少？,解：(1)建坐标系如图,注意：摩擦力作负功！,(2)对链条应用动能定理：,前已得出：,
