应用型本科大学物理　上册 课件 第2章牛顿运动定律

2.1牛顿运动定律1.牛顿第一定律1）

力的科学定义:力的起源：物体间的相互作用；力的效果：改变了物体的运动状态。2）

物体的固有属性--惯性:维持物体运动的是惯性，改变物体运动的是力。2.1.1中学物理知识回顾与拓展物体将保持静止或做匀速直线运动，直到其他物体对它的作用力迫使其改变这种状态为止。惯性是物体固有的，物体的惯性有平动惯性和转动惯性，质点作平动时只有平动惯性。4）牛顿第一定律只适用于惯性参照系。满足牛顿第一定律的参照系为惯性参照系，静止或匀速直线运动的参照系为惯性系。3）平动惯性和转动DNA双螺旋分子之间的相互作用力：10-14N电子与质子之间的相互作用力：10-9N耳机声音对耳膜的作用力：10-4N(10-13N：人仍能感知)水对水坝的作用力：1011N太阳对地球的引力：1022N1）

牛顿第二定律建立起物体受力与物体运动之间的定量关系；2）给出了惯性的确切定义：质量是物体惯性的量度；质量越大惯性越大，改变物体的运动状态就越不容易；2.牛顿第二定律3）第二定律只适用于质点的运动

4）

具有瞬时性。5）牛顿第二定律只适用于惯性参照系，非惯性参照系不适用。自然坐标系：直角坐标系：3.牛顿第三定律1）牛顿第三定律对力的性质加以补充，力的来源为物体间的的相互作用，2）F与

Fˊ性质相同，作用力为弹力，反作用力也为弹力。3）F与Fˊ

同时产生、同时消失，无前后、主次之分；4）

F与Fˊ大小相等方向相反，但作用在两个不同物体上，不是一对平衡力；5）牛顿第三定律适用于任何参照系。

牛顿运动定律是研究物体相互作用与机械运动关系的定律，通过本章我们学习用牛顿定律解决问题思路和方法。

牛顿定律是力学的核心，牛顿第一定律是前提，牛顿第二定律是核心，牛顿第三定律对力的性质加以补充。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。

牛顿定律是经典力学的基础。但它有一定的适用范围，在原子线度和接近光速的情况下，牛顿定律不再适用。4.牛顿运动定律的适用范围（1）牛顿运动定律适用于质点。（2）牛顿力学适用于宏观物体的低速运动情况。（3）牛顿力学只适用于惯性参考系。物理量在国际单位制中共有七个基本单位.用SI表示.

长度(m),质量(kg),时间(s),电流(A),热力学温度(K),物质的量(mol),发光强度(cd)其它单位全是导出单位.例:速度(m.s-1),角速度(rad.s-1),加速度(m.s-2),力(1N=1kg.m.s-2)1）

基本单位和导出单位：5.物理量的单位国际单位制（SI）的力学基本量和单位质量9192631770

倍时间秒s133Cs原子某特征频率光波周期的长度米m光在真空中在（1/299792458）s内所经过的距离量的名称单位符号单位名称单位的定义千克kg保存在巴黎度量衡局的“kg标准原器”的质量（1）重力：来源于万有引力

重力引力常量Om1rm2F216.力学中常见的力1）正压力：物体挤压引起的弹性力垂直于接触面垂直于公切面压力支承力小球受力？（2）

弹力接触面发生形变。弹性力讨论形变弹力产生条件物体发生接触；弹力的方向与接触面垂直。例：判断下例中两物体之间有无弹力？无弹力物理知识的理解弹性形变、弹性限度、平衡位置接触力2）张力（绳子的拉力）绳子看成一小段一小段组成柔软的绳子一般形变很小哪些力是作用力与反作用力？如果绳子的质量可以不计呢？aMFTFNW考虑绳子质量aFMFFTa……FxF弹xOOx原长“—”号表示弹力的方向与物体位移的方向相反。3）弹簧的弹性力（3）摩擦力一般情况滑动摩擦力静摩擦力摩擦力讨论a、摩擦力的起因及微观机理十分复杂，因相对运动的方式以及相对运动的物质不同而有所差别。b、摩擦力有干摩擦与湿摩擦之分，还有静摩擦、滑动摩擦及滚动摩擦之分。c、有关理论研究认为，各种摩擦都源出于接触面分子原子之间的电磁相互作用。,其中g是重力加速度。a、惯性质量：物体惯性大小的量度。d、地球的万有引力：地球上的物体受万有引力也可称为重力场的场强。e、重力加速度：b、引力质量：c、作用力与反作用力：2.1.2基本自然力1.引力相互作用2.电磁相互作用3.强相互作用与万有引力不同的是，电磁力可以表现为引力，也可以表现为斥力。电磁力的强度也比较大4.弱相互作用类型相互作用的物体强度作用距离宏观表现引力相互作用弱相互作用电磁相互作用强相互作用一切微粒和物体大多数微粒电荷微粒或物体核子、介子等10-3810-1310-21长短(~10-18m)长短(~10-15m)有无有无七个基本单位的量纲:长度[L]、质量[M]、时间[T]、电流[I]、热力学温度[Θ]、物质的量[N]、发光强度[J]所有物理量的单位都可以用基本量量纲的幂次之积表示,即:[Q]=LαMβTγIδ

ΘεNζJη2.1.3量纲：例:速度的量纲加速度量纲力的量纲2.2牛顿运动定律的应用牛顿运动定律将质点运动规律进一步与力联系起来，属动力学问题。质点动力学中也有两类基本问题：已知求质量为的质点运动学方程mr()tr所受合外力F()am第一类质量为的m质点受力情况及初始条件质点的运动规律v()r等()tr,v()t或第二类求导2addtr2一般方法积分按具体情况分离变量求积运用牛顿定律解题的步骤3.建立坐标系，列方程（牛顿方程和辅助方程）4.解方程，并讨论结果.1.审题意，弄清已知与待求，确定研究对象字母→待求量表达式→代值→讨论结果2.分析受力，画力的示意图分析物理过程，根据特点选择坐标系【例2-1】一枚质量为3.03×103kg的火箭,在与地面成58.0°倾角的发射架上,点火后发动机以恒力61.2kN作用于火箭,火箭的姿态始终与地面成58.0°夹角。经48.0s后关闭发动机,计算此时火箭的高度和距发射点的距离。（忽略燃料质量和空气阻力)火箭距发射点O的距离为s=(x2+y2)1/2【解】建立图示Oxy坐标,列出动力学方程Fcosθ=maxFsinθ-mg=may加速度是恒量,根据初始条件,由运动学方程可得点Q的位置坐标为x=1/2axt2

y=1/2ayt2=(Fsinθ–mg)/2mt2=8.44×103m=Fcosθ/2mt2=1.23×104m=1.49×104m【例2-2】如图，已知F=4.0N，物体1和物体2的质量分别为m1=0.30kg，m2=0.20kg，两物体与水平面间的摩擦因数μ=0.20。设绳和滑轮的质量以及绳与滑轮间的摩擦力都可忽略不计，连接物体的绳长一定，求物体2的加速度以及绳对它的张力。【例2-3】设卫星M在固定平面xOy

内运动(见图)，已知卫星的质量为m，运动方程是式中A，B，k

都是常量。求作用于卫星M的力F。【解】本例属第一类问题。由运动方程求导得到质点的加速度在固定坐标轴x和y

上的投影，即可见力F恒指向固定点O，与卫星M

的矢径r的方向相反。这种作用线恒通过固定点的力称为有心力，这个固定点称为力心。例2-4

质量为m

的物体，在F=kt

的外力作用下由静止开始沿直线运动。求：物体的运动学方程。解：变力问题下面考虑一个质量m的飞机在铅垂平面内作半径为R的理想圆周运动的例子（斤斗），假设飞机推力和阻力相等，飞机进入筋斗的速度为v0，求：（1）航迹倾角θ时，飞机的速率v和升力Y；（2）v0为何值时飞机刚好能做完整的圆周运动。

例2.6跳伞员和伞具的总质量为m，在空中某处由静止开始下落，设降落伞受到的空气阻力与速率成正比即空气阻力F=kv，k是比例常量。求跳伞员运动速率随时间变化的规律。【解】分离变量得讨论：速率随时间t增加而变大，且是指数变化。时，vT为终极速度（即物体在粘性流体中下落时能达到的极限速度），这时物体作匀速直线运动。3.当这时就很接近终极速度了。4.当5.当举例：航空跳伞;雨滴下落。2.当傅科摆2.3非惯性系惯性力牛顿第一运动定律：惯性定律牛顿第二运动定律：牛顿第三运动定律：惯性系：牛顿第一定律严格成立的参考系非惯性系：相对惯性系做变速运动的参考系牛顿定律成立牛顿定律不成立伽利略变换平动系2.3.1惯性力1)

牛顿第二定律形式特征：左边是合力右边是质量乘加速度惯性系中合力是相互作用力之和3)在非惯性系中牛顿第二定律的形式为2)非惯性系中“合力”=相互作用力之和+平移惯性力惯性力是参考系加速运动引起的附加力本质上是物体惯性的体现它不是物体间的相互作用没有反作用力但有真实的效果惯性力与质点的位置无关，各处均匀。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，离敌舰875码垂直攻击发射11枚均未爆炸！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？二战中的小故事离心子L,击针座Z,雷管G炮弹引信示意图Zk1k2k2GLL物理知识应用案例：加速度计和惯性引信原理加速度表示意图COmBkA

例2.7设电梯相对地面以加速度a上升,电梯中有

一质量可忽略不计的滑轮,在滑轮的两侧用轻绳

挂着质量为m1和m2的重物,已知m1>m2,试求:(1)m1和m2相对电梯的加速度;(2)绳中张力.解：以电梯为参考系三式联立求解，可得转动系2.3.2转动参考系中的惯性力转动系牛顿定律成立转动系牛顿定律成立转动系牛顿定律成立转动系应用：洗衣机脱水、离心机、车转弯、银河系自转、宇宙飞船、地球自转对重力影响、潮汐等。

匀速转动参考系惯性离心力在匀速转动的参考系上考察一个静止物体则物体的惯性离心力为转盘相对惯性系的加速度是1.描述质点运动的物理量1.1位置矢量第一二章总结运动方程：位置矢量随时间变化的函数关系式1.2位移1.3速度在直角坐标系内在自然坐标系内大小方向沿轨迹的切线方向1.4加速度在直角坐标系内在自然坐标系内2.两类运动学问题由运动方程求速度、加速度时用导数，由速度（加速度）求位移（速度）时用积分。

4.1力的叠加原理:重力、摩擦力、弹力（拉力、压力、支持力）4.2解题步骤：（1）确定研究对象。对于物体系，画出隔离图。（2）进行受力分析，画出受力图。（3）建立坐标系，运动方向是重要方向。（4）对各隔离体建立牛顿运动方程（分量式）。（5）解方程，进行符号运算，然后代入数据。4.牛顿定律的应用1-1一质点沿x轴作直线运动，它的运动学方程为x=3+5t+6t2-t3

(SI)

则

(1)质点在t=0时刻的速度

，

(2)加速度为零时，该质点的速度

。

一质点沿半径为0.1m的圆周运动，其角坐标θ随时间t的变化规律是θ=2+4t2(SI)．在t=2s时，它的法向加速度an=_____；切向加速度at=______．1-16已知一个质点作直线运动，其加速度a=3v+2。在t=0的初始时刻，其位置在x=0处，速度为0。试求任意时刻质点运动的速度和位置。【解】

（1）2-17有一物体放在地面上，重量为P，它与地面间的摩擦系数为μ，今用力使物体在地面上匀速前进，问此力与水平面夹角θ为多大时最省力．由当即此时有2-1倾角为30°的一个斜面体放置在水平桌面上．一个质量为2kg的物体沿斜面下滑，下滑的加速度为3.0m/s2．若此时斜面体静止在桌面上不动，则斜面体与桌面间的静摩擦力f＝

。

以2kg的物体为对象：以斜面体为对象:2-5一物体质量为M，置于光滑水平地上．今用水平力F通过一质量为m的绳拉动物体前进，则物体的加速度a＝____，绳作用于物体上的力T＝_____以M+m为对象:以M为对象:2-20

如图所示，质量为m=2kg的物体A放在倾角a=30°的固定斜面上，斜面与物体A之间的摩擦系数m=

0.2．今以水平力F

=19.6N的力作用在A上，求物体A的加速度的大小．平行斜面方向：垂直斜面方向：如图：用一斜向上的力F将重为G的木块压靠在墙上，如不论用多大的力，都无法使木块向上滑动，则木块与墙面的静摩擦因素满足：

(A)

(B)

(C)

(D)≥≥≥≥30o解所以选（B）300≤≤≤即若不论用多大的力,都无法使木块向上滑动,应满足≥此时应满足

3

质量

的物体，在一光滑路面上作直线运动，