清华大学物理学概论第1章牛顿定律2(动力学).ppt

1 动量定理 角动量定理 动能定理 牛顿运动定律 质点力学 质点系力学 刚体力学 牛顿力学牛顿力学 2 1.4 牛顿运动定律 一.牛顿运动定律 1.牛顿运动第一定律 内容 惯性定律 重要概念 1.惯性 inertia (惯性定律) 2.惯性系 惯性定律在其中严格成立的参考系 叫惯性参考系 简称惯性系 维持原运动状态的属性 3 最好的惯性系： FK4系 是由1535个恒星平均静止 位形作为基准的参考系 哪些参考系是惯性系呢？ 只能靠实验来确定 相对已知惯性系匀速运动的参考系也是惯性系 目前惯性系的认识情况是 4 地面参考系 自转加速度 地心参考系 公转加速度 太阳参考系 绕银河系加速度 稍好点的惯性系： 太阳 一般工程上 可用的惯性系 地球(地心或地面) 5 2.牛顿第二定律 定义质点动量： 内容：某时刻质点受的合力为 则，合力与动量的变化率有关系： 6 重要概念 在惯性系中使用 惯性质量(惯性的量度 ) 在牛顿力学范围内由于质量测量 与运动无关，所以常见到关系是 ： 两式统一 的证明 7 3.牛顿第三定律 内容 作用与反作用 重要概念 施力与受力同时出现同时消失 对参考系无特殊要求(由牛顿创造性发现的) 8 船 演示 前 进 方 向 风吹来 取一小块风dm为研究对象 初 末 由牛顿第 三定律 前 进 方 向 风对帆的反作用 方向与 相反 例：利用牛顿定律可解释“逆风行舟 ” 9 牛顿力学的胜利 1978年发射空间飞船ISEE3，4年后经37次点火和5次 飞近太阳而进入了一个复杂的轨道。85年拦截了一个彗 星，86年与哈雷慧星相遇。2012年返回。 嫦娥奔月 10 国务院于2004年1月正式批准绕月探测工程立项。 用月球应用科学首席科学家欧阳自远的话来说： “10年的论证终于结束了，中国的绕月探测工程自 此正式开始实施。” 2007年10月24日，让世人瞩目 的嫦娥一号卫星发射成功。 11 二.受力分析 1. 接触力 垂直作用表面的分力叫 压力或支持力 B 给A 的叫压力 A B 如物体A和B接触 NBA A给B的叫支持力 NAB NAB和NBA是一对作用力和反作用力 施力者和受力者 12 平行作用表面的分力叫 摩擦力 f 摩擦力的箭头方向的判断： 看相对运动趋势：与相对运动趋势相反 fAB fBA 滑动摩擦力与运动方向相反 固体表面状况用摩擦系数 表征 A B N（正）压力 13 滑动摩擦力与运动方向相反 固体表面状况用摩擦系数 表征 N（正）压力 静摩擦力大小与整体受力和运动状态有关， 一般要通过动力学方程才可解出。 但一旦从静止状态启动，则就有一个最大静 摩擦力的问题。最大静摩擦力与压力的关系 是 一般不同，但有时会混着用 14 2. 非接触力 场力 如万有引力场中受力 场源是M m受M引力大小是 方向就是指向M 重力场也是一种引力场 地球是引力源，对地球上物体有引力作用 作用力也是 引力恒量 均是质点 15 重力场也是一种引力场 地球是引力源，对地球上物体有引力作用 作用力也是 引力恒量 均是质点 引力强度：单位质量受力 大小： 方向：指向场源中心 16 质点受的引力 ： 大小： 方向：指向场源中心 地球上质点 则 一般工程中使用的重力加速度 故地球上物体受地球的重力写成 17 重力加速度 g 和地球 纬度 的关系式为: 式中： G 万有引力常量 Me 地球质量 R 地球半径 地球自转转角速度 F引 r F0 P m R O P 18 1)相互作用力 有受力者就得有施力者 大小相等方向相反 分别作用在两者身上 2）力的三要素 作用点 大小 方向 A B NBA NAB 讨论 3）受力图 画研究对象受到的力 通常叫隔离体受力图 A NBA f 桌面 N桌 G 19 1.5 牛顿定律的应用 两类问题：已知运动求力 已知力求运动 桥梁是加速度 解题步骤： 确定对象 分析运动 画隔离体受力图 建坐标 列方程 解方程 20 如取直角坐标系，则牛二的分量方程是： x y 如取自然坐标系，则牛二的分量方程是： 21 例 自由落体运动（在重力作用下 ） 已知： 求： 解： 第二步：建坐标系如图 第一步：画质点m的受力图 第三步：列牛顿定律方程 （原理式） 22 第四步：解方程得 第五步：由运动学关系求其他物理量 匀加速直线运动 得 则 （同学自解） 第1章结 23 特别提醒： 1.明确对象 2.画对象的受力图隔离体 专注，不要左顾右盼 3. 直接对质点列牛二原理式 不是质点就得分质量元 例 习题1-8 求加速度-整体 求7对8的力-1-7或8-13 习题1-9 对M就得分一系列的dM 24 *1.6 非惯性系中的惯性力 1.必须明确的原则 牛顿第二定律只适用于惯性系 一.在非惯性系中怎么使用牛顿第二定律 2.面对的现实 有些实际问题只能在非惯性系中解决 3.任务 寻求一普遍物理方法 可使用统一的动力学规律 25 4.可行的办法 在分析受力时 只需加上某种 “虚拟”的力（称为惯性力） 有两种类型的非惯性系 平动非惯性系（非惯性系相对惯性系平动） 转动非惯性系（非惯性系相对惯性系转动） 26 二.平动加速参考系的(平移)惯性力 地面 火车 设：地面参考系为惯性系 火车参考系相对地面参考系加速平动 加速度为 质点在火车参考系中运动的加速度为 27 在地面参考系中可 使用牛顿第二定律 （1） 变形 在火车参考系中形式 上使用牛顿第二定律 （2） 地面 火车 28 分析： 1)我们认识的牛顿第二定律形式： 左边是合力 右边是质量乘加速度 合力是相互作用力之和 2)非惯性系中 “合力” = 相互作用力之和+ 3)在非惯性系中牛顿第二定律的形式为 29 惯性力： 非惯性系中的附加力 作用：使非惯性系中可用牛顿第二定律 性质：既虚拟又真实 “虚拟”（牛顿力学观点） 无相互性 “真实” 同真实力一样产生加速度 大小：惯性质量 （因而所产生的加速度与质量无关） 对惯性力的认识： 本质：物体惯性的体现 有真实的效果 30 二战中的小故事： 美 Tinosa号潜艇携带16枚鱼雷 离敌舰4000码 发射4枚 斜向攻击使敌舰停航 离敌舰 875码 垂直攻击发射11枚 均未爆炸！ 在太平洋 敌 舰 体 分析： Fi 垂直、近距 惯性力大 摩擦力大a0 撞针滑块 雷管 导板 鱼雷 S 您 能 改 进 吗 ？ 31 例1 平移惯性力在地球上的效应 地球实际上是一个非惯性系 惯性力必然有实际的效应 太阳引力失重和潮汐现象都是 平移惯性力在非惯性系中的实际效应 32 将地心看做非惯性系 地球上任何质量为m的质点受的平移惯性力 都应为 将太阳看做惯性系 地球绕太阳的公转加速度为： 太阳引力失重 33 受到太阳的引力 则：太阳引力和惯性力之和是 在地心参考系（非惯性系）中 物体受的惯性力是 34 1）惯性力可以抵消引力太阳引力失重 说明加速效应与引力效应相当（爱因斯坦提出 广义相对论的基本实验事实之一） 2）验证惯性定律的参考系在哪？ 太空中的太阳引力失重的参考系 （广义相对论定义的局域惯性系） 讨论 35 在飞船中 可验证惯性定律 宇航员将水果 摆放在立圆的 圆周上， 不受力，维持 图形不变 36 飞船中验证了惯性定律 （真正验证惯性定律的参考系恰恰是相对 牛顿惯性系的加速系，认识上的飞跃） 37 涨潮 和 退潮 2. 潮汐现象 日涨为潮 夜涨为汐 利用平移惯性力可解释潮汐现象 38 解释： 在地球上分析：海水除了受太阳(月亮)的引力外 还需考虑地球是个非惯性系的惯性力 在质量较大的运动空间中 由于太阳（月球）引 力强度不同（存在引力梯度） 从而质点的合力 不同 整个质点系就会发生形变 以太阳引力变化为例图示定性说明 假设平移惯性力强度处处相等 39 注意：平移惯性力为 太阳引力在质点与太阳的连线方向 示意地球表 面海水形状 40 41 地球 月亮 涨潮 落潮 月球对地面上海水的引潮力 落潮 涨潮 月 月 日 地 地 大潮 小潮 大潮与小潮 日 引潮力常触发地震 地震常发生于阴历初一 、十五附近（大潮期） ，如： 76.阴7.2,唐山 93.阴8.15,印度 95.阴12.17,神户 42 固体潮（形变）： 月 变形滞后,造成地 球对月球引力矩, 阻止月球自转 地球 使月球自转和公转周期最终达到一致。 影响： 使地球自转变慢。 使接近大星体的小星体被引潮力撕碎。 化石生长线判断：3亿年前，一年约400天。 由植物年轮，珊瑚和牡蛎 如SL 9慧星被木星引潮力撕碎（1992） 。 43 三. 匀速转动非惯性系中的惯性力 1.离心力 inertial centrifugal force 惯性力只有 转盘相对惯性系的加速度是 o 在转盘参考系中： 相对转盘静止的物体m的 叫惯性离心力 44 2 . 科里奥利力 Coriolis force 相对转动参考系运动的物体的惯性力是： 除有离心力外 还有科里奥利力 简单 推导 45 1、科里奥利力的特征 1）与相对速度成正比 只有在转动参考系中运动时才出现 2）与转动角速度一次方成正比 当角速度较小时，科氏力比惯性离心力更重要 3）科氏力方向垂直相对速度 该力不会改变相对速度的大小 4）科氏力在地球上的表现 讨论科氏力：