大学物理-牛顿力学.ppt

1 第二章运动与力 MotionandForces 物之道 2 大自然及其法则在黑夜中隐藏 上帝说 派牛顿去吧 于是 一切豁然开朗 蒲柏 3 牛顿不仅是曾经有过的最伟大的天才 而且是最幸运的人 因为只有一个宇宙 因而在世界的历史中只有一个人能够成其法则的诠释者 拉普拉斯 4 我已经把哲学的原理确定下来了 但这些原理不是哲学的 而是数学的 牛顿 5 人们不要以为牛顿的伟大工作真的能够被这一理论或者任何别的理论所代替 作为自然哲学 指物理学 领域里我们整个近代概念结构的基础 他的伟大而明晰的观念 对于一切时代都将保持着它的独特的意义 爱因斯坦 6 IssacNewton 1642 1727 In1687 TheMathematicalPrinciplesofNaturalPhilosophy 7 2 1牛顿运动定律 1 牛顿第一定律 Everybodycontinuesinitsstateofrest orinuniformmotioninastraightlineunlessitiscompelledtochangethatstatebyforcesimpresseduponit 一 牛顿运动定律 任何物体都将保持静止或匀速直线运动的状态 除非其他物体的作用迫使它改变这种状态 8 8 2 牛顿第二定律 Thechangeofmotionisproportionaltothemotiveforceimpressed andismadeinthedirectionoftherightlineinwhichthatforceisimpressed 9 当v c 光速 时 m const 牛 定义了物体的 惯性质量 物体惯性的度量 牛 只在惯性系中成立 牛 的特点 瞬时性和矢量性 Notes 10 第二定律是矢量式 在具体应用时常常写成分量式 牛顿方程的自然坐标分量式 11 11 动量守恒 动量是一个重要的物理量 应用范围远超出牛顿力学 例如电磁波 光子 就具有动量 实验表明 在光子与光子 光子与其他粒子的相互作用过程中 系统的总动量严格守恒 若 Notes 12 3 牛顿第三定律 Toeveryactionthereisalwaysopposedanequalreaction or themutualactionsoftwobodiesuponeachotheralwaysdirectedtocontraryparts 作用力与反作用力是作用在不同物体上的 彼此不能抵消 Note 13 牛顿第一定律在其中成立的参考系 在惯性系中 任何不受其他物体作用的物体都保持静止或匀速直线运动 惯性运动 的状态 牛顿第二定律在惯性系中成立 在非惯性系中 牛顿第一 二定律不成立 牛顿第三定律仍然成立 作用力与反作用力之间的关系与参考系无关 4 惯性参考系 惯性系 14 相对一个惯性系作加速运动的参考系一定是非惯性系相对一个惯性系作转动的参考系也一定是非惯性系 自然界中不存在严格的惯性系 任何物体之间都有万有引力 参考系所选定的参照物体总要受到引力作用而产生加速度 马赫认为 如果一个参考系相对宇宙全部物质分布的平均加速度等于零 就可把这个参考系看成惯性系 判断一个实际的参考系是不是惯性系 取决于在多大的精度上可以观测到这个参考系的加速度效应 15 1 FK4系 以1535颗恒星平均静止位形作为基准 目前最精确 实用的惯性系 太阳系 z x y 地心系 地面系 16 17 相对一个惯性系做匀速直线运动的其它任意参考系也是惯性系 在这些参考系中牛顿定律都成立 牛顿相对性原理 对于描述力学定律来说 所有的惯性参考系都是平等的 在任一惯性系中都可以把牛顿第二定律描述为 物体的动量对时间的变化率 等于它所受的合力 5 牛顿相对性原理 伽利略相对性原理 18 牛顿相对性原理的数学表述 惯性系S 惯性系S 牛顿方程如何变化 对于不同的惯性系 力学的基本规律 牛顿方程的形式相同 或者说 牛顿方程具有伽利略变换下的协变对称性 质量和运动速度无关 力只与物体相对位置或相对运动有关 即质量和力都与参考系无关 牛顿相对性原理可表述为 S系 S 系 19 二 SI单位和量纲 InternationalsystemofunitsandDimension 一 国际单位制1 基本量与基本单位基本量基本单位2 导出量与导出单位导出量导出单位 20 3 国际单位制 1960年第11届国际计量大会通过并建议世界各国采用的单位制 简称SI SI中的基本单位 长度 米 m 质量 千克 kg 时间 秒 s 电流强度 安培 热力学温度 开尔文 K 物质的量 摩尔 mol 光强度 坎德拉 cd 21 二 量纲表示导出单位是由哪些基本单位组成的式子 量纲通常是用方括号表示 如 22 量纲的用途 MLT 1 MLT 1 一个等式相等应满足 量纲相同 数值相等 量性相同 A 验证等式 B 换算单位 V LT 1 V 米 秒 100厘米 秒 23 C 分析问题 例 声音在气体中传播仅取决于气体的压强P与密度 和一些数字常数 计算在具有参数P1 1和P2 2的两种气体中的声速之比 解 声速V是P 的函数V f P P ML 1T 2 ML 3 压强 24 2 2自然界中常见力 ForcesinNaturalenvironment 1 重力 2 弹性力 相互接触的物体彼此发生形变而产生的相互作用力 注意 接触是产生弹性力的必要条件 而不是充分条件 25 例 如图 试分析静止圆球的受力 两个物体相互接触有相对运动或相对运动趋势而产生的一对与相对运动方向相反 动摩擦力 或与相对运动趋势方向相反的力 静摩擦力 3 摩擦力 Frictionalforce 26 静摩擦力 以自行车前后轮为例 说明摩擦力的方向 滑动摩擦力 27 4 流体曳力 Fluidfriction v较小时 3 终极速率 terminalspeed v较大时 空气中 物体在流体中下落的最大速率 C 曳引系数 空气密度 A 物体有效横截面积 28 5 表面张力 SurfaeeTension 液面各部分之间存在的相互拉紧的力 在长为l的边界线上的表面张力 N m 表面张力系数 由液体种类和温度决定 29 存在于任何两个物体之间的吸引力 长程力 2 电磁力 electromagneticforce 1 万有引力 gravitationalforce 带电粒子或带电宏观物体之间的作用力 以光子 photon 为传递媒介 长程力 万有引力 2 3基本的自然力 FundementalForces 30 3 强力 strongforce 存在于核子 介子和超子之间的相互作用力 以胶子 gluon 作为传递媒介 强力是比电磁力更强的基本力 两个相邻质子间的强力可达104N 比电磁力大100倍 短程力 4 弱力 weakforce 核子 介子等粒子之间存在的作用 以W W Z0粒子为传递媒介 短程力 31 万有引力 电磁力 强力 弱力 1 10 6 10 38 10 2 种类相对强度作用距离 10 15m 10 17m 不限 不限 四种基本自然力比较 32 2 4应用牛顿定律解题 theaplicationofNewton sLaws 3 看运动 选取坐标系 或确定坐标原点及正方向 4 列牛顿定律方程 或分量式 5 求解 先文字运算 求出表达式后 代入数值 得出答案 并作必要的讨论 1 确定研究对象 认物体 2 查受力 画出受力图 33 例2 1 质量为m的物体沿X轴运动 受力F kx 当x A时 v 0 求v与x的函数关系 解 简谐振动 34 例2 2 有一质量为 的轮船以速率 沿直线行进 假设水的阻力大小与船的速率成正比 K 如果发动机因故障而停止工作 求船还能行驶多远 解 建立坐标系 35 非惯性系包括 平动加速系 转动系 2 5非惯性系 惯性力与科里奥利力 一 平动加速系中的惯性力 再看一例 36 在S系中 牛顿第二定律成立 设系相对惯性系S以加速度平动 在惯性系S中 设质点的加速度为 真实力 质点的加速度 在非惯性系中 设质点的加速度为 在系中 形式上的牛顿第二定律 37 惯性力有真实的效果 平移惯性力各处均匀 与质点的位置无关 质点所受平移惯性力的大小 等于质点的质量和此非惯性系整体相对惯性系的加速度的乘积 方向与此加速度的方向相反 平移惯性力 38 二战中的小故事 美Tinosa号潜艇携带16枚鱼雷 在太平洋离敌舰4000码斜向攻击 发射4枚 使敌舰停航 但离敌舰875码垂直攻击发射11枚 均未爆炸 近距离 垂直攻击 滑块受摩擦力大 雷管不能被触发 问题出在惯性力上 39 设圆盘匀速转动 物体m相对圆盘静止 转动系中的惯性力 科里奥利力 40 物体相对圆盘运动时 还要受科里奥利力 代入S系牛顿第二定律 得圆盘系中形式上的牛顿第二定律 科里奥利力 41 槽壁真实力 例 圆盘匀速转动 物体m相对圆盘沿径向运动的情况的科里奥利力 北半球 冲刷右岸 演示实验 科里奥利力 42 与中学地理知识矛盾了 怎么回事 43 1851年傅科在巴黎 北半球 的一个大厅里悬挂摆长67米的摆 发现摆动平面每小时沿顺时针方向转过11 15 角度 傅科摆摆面的旋转 演示实验 44 在地面系看 地球不转 摆面转 在恒星系看 地球转 摆面不转 物体的惯性依赖于宇宙及其分布 马赫原理 不同意见 宇宙物质分布不对称 惯性不对称 45 赤道附近的信风 科里奥利力例 46 牛顿在科学研究方法上的贡献 我把这部著作叫做 自然哲学的数学原理 因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力 而后用这些力去论证其他的现象 牛顿的研究方法 归纳 演绎法归纳法 从实验出发 由特殊到一般演绎法 以理论为主 有一般到特殊 自然哲学的数学原理 47 值得思考 牛顿在这里不仅讲了研究的目的 还讲了科学研究方法 即从特殊 现象 到一般 规律 再从一般回到特殊 前者是英国哲学家培根强调的 归纳法 它以实验为基础 后者是被数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的 演绎法 它要用数学工具 在牛顿前 两种方法被认为是互相排斥的 牛顿在科学方法上的重大贡献就是他把两种方法结合起来了 48 牛顿的自然哲学思想牛顿在 自然哲学的数学原理 中 提出了4条 哲学中的推理法则 简单性原理 除那些真实而已足够说明其现象者外 不必再去寻求自然界事物的其他原因 因果性原理 对于自然界中同一类结果 必须尽可能归之于同一种原因 49 统一性原理 物体的属性 凡是既不能增强也不能减弱者 又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者 就应视为所有物理的普遍属性 真理性原理 在实验哲学中 我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的或很接近于真实的 虽然可以想象出任何相反的假说 但是在没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现例外之前 仍然应当给予如此的对待 50 恩格斯 不管自然科学家采取什么样的态度 他们还是得受哲学的支配 玻恩 真正的科学是富于哲学理性的 尤其是物理学 它不仅是走向技术的第一步 而且还是通向人类思想的最深层的途径 51 站在巨人肩膀上的牛顿 如果说我比其他人看得远一点的话 那是因为我站在巨人的肩上 我不知世人将如何看待我 但是在我看来 我不过像一个在海滨玩耍的孩子 为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴 但那浩瀚的真理之海洋 却还在我的面前未曾发现呢 52 牛顿的世界 一座运行准确的钟 一旦上好发条使钟走起来 一切就都按照它的工匠最初设计运行 钟的运转 宇宙像是一架运行极好的钟 53 不需要工匠或他