平动非惯性参照系课件

第六讲力学的理论体系与问题讨论大学物理专题讲座主讲人冯杰9/19/20231第六讲力学的理论体系与问题讨论大学物理专题讲座主讲人第六讲力学的理论体系与问题讨论

一、经典物理学的理论体系一、经典物理学的理论体系1、传统的教学体系普通物理学——力学、热学、电磁学、光学、原子物理学理论物理学——四大力学：理论力学、热力学与统计物理学电动力学、量子力学、*固体物理学应用物理学：电动力学——电工学、电路分析；无线电电子学(微电子学)2、目前的教学体系大学物理学——力学、热学、电磁学、波动与光学、量子物理学理论物理学——四大力学：理论力学、热力学与统计物理学电动力学、量子力学、*固体物理学9/19/20232第六讲力学的理论体系与问题讨论

一、经典物理学的理论体机械力学流体动力学天体力学二、力学的理论体系9/19/20233机械力学二、力学的理论体系8/6/202331、基本概念实物——力、质点、惯性、惯性质量、引力质量机械运动——力学平衡态、惯性运动、惯性参照系、非惯性参照系绝对时空观——伽利略变换2、基本规律动力学规律形式不变性——伽利略变换力与物体运动的关系——牛顿第一、第二定律力学规律——万有引力定律、胡克定律、摩擦定律力学普遍规律——牛顿第三定律、力的叠加原理(力的独立作用原理)三、经典力学涉及的基本概念和原理9/19/202341、基本概念实物——力、质点、惯性、惯性质量、引力质量3、基本原理★动量守恒定律★角动量守恒定律★机械能(能量转化与)守恒定律★动能定理——柯尼希定理★动量定理ⅰ角动量ⅱ角动量定理交流与讨论：为什么地球万古千年始终绕着太阳旋转而没有坠落到太阳上？9/19/202353、基本原理★动量守恒定律★角动量守恒定律★机械能(能量转化4、质点力学的理论体系（1）基本的理论体系（2）应用的理论体系9/19/202364、质点力学的理论体系（1）基本的理论体系（2）应用的理论体(1)惯性参照系的定义(3)惯性参照系的选择和判断只能通过观察和实验(2)伽利略相对性原理说明ⅰ时间过程短暂ⅱ

精确度要求不高在一定的精度下，使牛顿第一定律成立只要找到一个惯性参照系，必然有无数个惯性参照系物体的受力趋于零(4)选择地球作为惯性参照系的条件5、惯性参照系9/19/20237(1)惯性参照系的定义(3)惯性参照系的选择和判断只能通过观(1)惯性的定义(2)牛顿第一定律中“惯性”是平动惯性，“质点”平动惯性的大小，在牛顿第二定律中惯性质量反映；刚体的“转动惯性”用“惯量张量”表达物体尽量维持原来运动状态的特性注意：★从狭义相对论的观点——“物体速度越大，其惯性越大”是对的，其依据是注意：★经典力学“物体的惯性与其运动速度无关”是低速条件下的近似；

(3)惯性是物体的固有属性，与外界因素无关6、惯性9/19/20238(1)惯性的定义(2)牛顿第一定律中“惯性”是平动惯性，“质(4)不能用牛顿第一定律的表述给“惯性”下定义不能说“惯性是物体不受力下，变成静止或匀速直线运动状态的特性”(5)惯性不是力注意：物体的惯性，与该物体的“受力”或“不受力”无关！注意：★如果在经典力学条件下，将物体的惯性与其运动速度直接联系，则是错误的的概念——因为经典力学条件下，质量是不变的，而质量是惯性的量度。9/19/20239(4)不能用牛顿第一定律的表述给“惯性”下定义不能说“惯性是7、惯性运动（1）定义（2）注意区分“惯性”与“惯性运动”不受力下，物体静止或作匀速直线运动称为惯性运动★

“惯性运动”的条件是不受力。不能将受力而合力为零条件下的运动称为惯性运动★物体的惯性，与其“受力”或“不受力”无关！9/19/2023107、惯性运动（1）定义（2）注意区分“惯性”与“惯性运动”不8、非惯性参照系（1）非惯性参照系的定义（2）惯性力使牛顿第一定律不能成立的参照系由于非惯性参照系相对于惯性参照系有加速度，因而非惯性参照系中的物体由于惯性，相对于惯性参照系有加速度，相当于物体受到一个力——惯性力，其方向与非惯性参照系相对于惯性参照系的加速度方向相反。交流与讨论：

方程F=ma与F-ma=0有没有区别？为什么？9/19/2023118、非惯性参照系（1）非惯性参照系的定义（2）惯性力使牛顿第（3）惯性力的类型★(平动)惯性力——平动非惯性参照系；★惯性离心力——转动非惯性参照系;★

科里奥利力——自转动非惯性参照系摩擦定律牛顿三定律力的叠加原理万有引力定律胡克定律交流与讨论：如果牛顿三定律只保留一个,你认为应当保留哪一个？9、牛顿经典力学理论系统的思考9/19/202312（3）惯性力的类型★(平动)惯性力——平动非惯性参照系；★惯（1）牛顿第一定律是其他原理的前提和基础★

有了力的定性定义，才会有定量定义——牛顿第二定律★首次批驳了亚里士多德:力是维持运动的原因的错误观点★第一次科学地给出了力的定性定义——力的本质和力的效果★第一次提出了经典力学的几个基本概念——惯性参照系、力的含义（定性定义）、惯性及惯性运动★惯性运动——回答了，如果物体“不受力”，其动力学规律★

经典留学的全部规律都是建立在“惯性”参照系基础之上的10、牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位9/19/202313（1）牛顿第一定律是其他原理的前提和基础★有了力的定性定义★有了力的完整定义，才会完善力本身的规律——摩擦定律牛顿三定律力的叠加原理万有引力定律胡克定律交流与讨论：如果牛顿三定律只保留一个,你认为应当保留哪一个？9/19/202314★有了力的完整定义，才会完善力本身的规律——摩擦定律牛顿（2）牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例★受力作用下物体的运动规律不能包括不受力作用下物体的运动规律★牛顿第二定律是建立在物体“受力”的真实实验基础上的，因此不能逻辑的推断出F0的理想极限情况★牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第二定律的建立奠定了基础★合力为零F=0，不是不受力；虽然a=0，但不是第一定律的惯性运动9/19/202315（2）牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例★受力作用下物体的运★

在经典力学范围之外，牛顿第二定律及某些力的概念不再有效，但牛顿第一定律推广表述：“一个不受外界作用的孤立体现保持原来的运动状态”仍然有效！惯性系概念——使牛顿第二定律成立的参照系质点概念——是牛顿第二定律的物质客体模型力的定性定义——是牛顿第二定律进一步定量定义力的基础惯性概念——是牛顿第二定律进一步定义惯性大小：惯性质量的基础★牛顿第一定律引入的基本概念为牛顿第二定律的建立奠定了基础9/19/202316★在经典力学范围之外，牛顿第二定律及某些力的概念不再有效，（3）牛顿第一定律的实验验证★不能用实验直接验证不受力的实验只能是理想实验“惯性运动”与“不受力”是循环论证“惯性运动”与“惯性系”也是循环论证★验证的方法是反复实验的间接论证★

逻辑推论是间接的辅助论证方法9/19/202317（3）牛顿第一定律的实验验证★不能用实验直接验证不受力的实验11、牛顿第二定律在经典力学理论系统中的重要地位（1）牛顿第二定律的建立★有了力的定性定义，才会有定量定义——牛顿第二定律★F，m，a都已经定义；★对于标准物体（质点），人为规定：a∝F★对于任意物体，通过测量：a∝F★对于力的方向，人为规定：a∝F★对于任意物体，固定外力，人为规定：

：a∝1/m★最后得★单位问题9/19/20231811、牛顿第二定律在经典力学理论系统中的重要地位（1）牛顿第（2）牛顿第二定律定义“力”和“质量”不妥当★只是定量定义，不满足“定义”的完备性要求。★不妥当是指：F=ma；m=F/a；★颠倒了因果关系；★力和质量是基本概念（经典力学）★如此定义，则力和质量变成了导出概念★变成循环论证★注意：在国际单位制中，虽然力是导出量，但是，力在经典力学中基本概念地位是不变的。（3）牛顿第二定律实验检验★科学思维上，取决于“力”和“质量”如何定义★科学方法上，可以采用“控制变量法”直接验证9/19/202319（2）牛顿第二定律定义“力”和“质量”不妥当★只是定量定义12、重力概念的分析（1）重力概念的两种不同的定义★第一种定义定性定义：重力是地球与其表面附近物体之间的万有引力定量定义：其方向指向地心关于视在重力：其方向不是指向地心♣没有考虑地球的自转效应。♣或者认为地球是惯性参照系。♣考虑地球的自转效应。9/19/20232012、重力概念的分析（1）重力概念的两种不同的定义★第一种认为地球是惯性参照系或者是惯性参照系对重力的描述9/19/202321认为地球是惯性参照系或者是惯性参照系对重力的描述8/6/20★第二种定义定性定义：重力是物体所受万有引力与惯性离心力的合力定量定义：物体相对于地球静止时，重力是水平秤盘支撑力N（或悬线拉力T）的平衡力。即，其大小为：P=N=T；或者由牛顿第二定律：P=ma其方向不是指向地心♣考虑地球的自转效应♣即认为地球是惯性参照系。♣说明：两种定义属于各自的人为规定，没有谁对谁错的问题。★国际计量大会已经决定，废弃“重量”9/19/202322★第二种定义定性定义：重力是物体所受万有引力与惯性离心力的合13、机械波能量的讨论（1）波动——机械振动能量的传播★平面简谐波表达式●此质元的振动动能★振动质元的振动速度9/19/20232313、机械波能量的讨论（1）波动——机械振动能量的传播★★此质元的弹性形变●此质元的弹性势能9/19/202324★此质元的弹性形变●此质元的弹性势能8/6/202324（2）简谐波的动能与势能同相（同步）变化★介质的线变——产生纵波纵波内介质质元的线变——波的平衡位置，形变最大、速度最大9/19/202325（2）简谐波的动能与势能同相（同步）变化★介质的线变——产生（2）简谐波的动能与势能同相（同步）变化★介质的切变——产生横波横波内介质质元的线变——波的平衡位置，形变最大、速度最大9/19/202326（2）简谐波的动能与势能同相（同步）变化★介质的切变——产生14、经典力学理论的适用范围（1）研究对象——“宏观”物质中的“实物”，“机械运动”（2）运动状态——低速运动（v<<c）（4）牛顿第三定律对适用范围的特殊要求★“实物”——实物——质点、质点组——不包括“场”★

“机械运动”——最简单、最基本的运动形式★“宏观”——经典决定论——（3）参照系——惯性系(弱引力场条件)★接触——实物物接触或体相距足够近★近距离——超星系爆炸:作用力与反作用力的先后问题★低速——远离速度足够慢（5）牛顿第二定律的适用条件★宏观、低速条件★惯性系条件★质点条件9/19/20232714、经典力学理论的适用范围（1）研究对象——“宏观”物质中如何构建适合科学思维又有利于科学方法的普通物理学体系？END-6参考书目1、漆安慎杜婵英《力学》高等教育出版社2、赵凯华罗蔚茵《力学》高等教育出版社3、《普通物理教学手册》北京师范大学出版社4