物理课件 单元二 牛顿运动定律

物理单元二

牛顿运动定律第一章我们学习了怎样描述物体的运动，但是没有进一步讨论物体为什么会做这样或那样的运动。要讨论这个问题，必须知道运动和力的关系。在力学中只研究物体怎样运动，不涉及物体运动状态改变原因的分科，称为运动学。研究物体运动和力的关系的分科，称为动力学。模块一牛顿模块一定律力牛顿第一定律牛顿在伽利略等人的研究基础上，经长期的实践和探索总结出：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律(Newtonfirstlaw)。物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质称为惯性(inertia)，因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。力物体之间的相互作用称为力(force)。

力对物体的作用效果与力的大小、方向及力的作用点有关。我们通常把力的大小、方向及力的作用点称为力的三要素。力是个有大小和方向的量，所以力是矢量。

力可以用一根带箭头的线段来表示。线段是按一定比例(标度)画出的，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭尾表示力的作用点，力的方向所沿的直线称为力的作用线。这种表示力的方法，称为力的图示，如图所示。模块一牛顿模块一定律力

力的种类较多，按力的性质进行分类，有重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等；按力的作用效果进行分类，有拉力、压力、支持力、动力、阻力等。在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛(N)。过去常用的力的单位千克力(kgf)与牛顿的关系是：1kgf=9.8N模块一牛顿模块一定律力

力的作用效果在力作用下，物体发生形状或体积改变的现象称为形变。此外，力还可以改变物体的运动状态，即改变物体运动速度的大小和方向。总之，力的作用效果是使受力物体的形状或物体的运动状态发生变化。力的特性

(1)力不能脱离物体而单独存在。

(2)力总是成对出现。

(3)力不仅有大小，而且还有方向和作用点。模块一牛顿模块一定律力模块二重力

弹力

摩擦力

重力物体由于地球的吸引而受到的力，称为重力(gravity)。

重力不仅有大小，而且有方向。重力的大小可以用弹簧秤测出。重力G的大小跟物体的质量m成正比。重力G跟物体的质量m的关系式是：一个物体的各部分都要受到重力的作用。从作用效果上看，我们可以认为物体各部分受到的重力作用集中于一点，这一点称为物体的重心(centerofgravity)。

弹力发生形变的物体，由于自身需要恢复原状，就会对引起形变的物体产生力的作用，这种力称为弹力(elasticforce)。

发生形变的物体，在外力停止作用后，如果能够恢复原状，这种形变称为弹性形变。若外力超出了一定限度，即使撤出外力，物体也不能完全恢复原状，这个限度称为弹性限度。

在弹性限度内，弹簧的弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)的长度x成正比，这个结论称为胡克定律，其数学表达式是

F=kx式中k为弹簧的劲度系数，简称为劲度。劲度系数由弹簧的材料、形状、长短、粗细等因素决定，单位是牛每米，符号是N/m。模块二重力

弹力

摩擦力

滑动摩擦力摩擦力是在两个互相接触的物体之间产生的。当一个物体在另一个物体表面上作相对滑动的时候，要受到另一个物体阻碍它相对滑动的力，这种力称为滑动摩擦力(slidingfrictionforce)。滑动摩擦力的方向总与接触面相切，并且与物体的相对运动的方向相反。滑动摩擦力Ff的大小与物体所受的支持力FN的大小成正比，即

Ff=μFN

μ称为动摩擦因数(dynamicfrictionfactor)，其大小与相互接触物体的材料的性质和接触面的粗糙程度有关。模块二重力

弹力

摩擦力静摩擦力两个相互接触、相对静止的物体，当沿着接触面有相对滑动趋势时，会产生一种阻碍相对滑动趋势的力，这个力称为静摩擦力。静摩擦力的方向与接触面相切，与相对运动趋势的方向相反，大小随外力的增大而增大。静摩擦力大小随着推力增大而增大。但是静摩擦力的增大有一个限度，静摩擦力的最大值称为最大静摩擦力。当推力大于最大静摩擦力时，木箱开始滑动，滑动时的滑动摩擦力略小于最大静摩擦力。模块二重力

弹力

摩擦力摩擦力的利与弊

走路、夹东西、开车、机器的传动和制动，都离不开摩擦力的帮助。另一方面，人们又必须尽量减少机器中零部件之间的摩擦力及其所引起的磨损，以保持机器原有的精度和功能，延长机器的使用寿命。模块二重力

弹力

摩擦力作用力与反作用力两个物体之间的作用总是相互的。一个物体对另一个物体有力的作用时，另一物体必同时对这个物体也有力的作用。把两个物体之间的相互作用力中的一个力称为作用力，另一个力称为反作用力。牛顿从大量的实验中总结出如下结论：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，沿一条直线，分别作用在两个物体上。这就是牛顿第三定律(Newtonthirdlaw)。模块三牛顿模块三定律

理解和应用牛顿第三定律时，应该注意：(1)作用力和反作用力总是同性质的力，或同为弹力，或同为摩擦力等。(2)作用力和反作用力总是同时存在，同时对等变化，同时消失。(3)作用力和反作用力方向相反，总是分别作用在两个不同的物体上，根本不存在相互平衡的问题。所谓一对平衡力，只是对作用于同一物体上的两个力而言。

模块三牛顿模块三定律模块四物体受力分析

水平面上物体的受力分析将一本书放在水平桌面上，书受到两个力作用，一个是竖直向下的重力G，另一个是桌面对书的向上的支持力FN。

斜面上物体的受力分析若有一木块沿着光滑斜面下滑，它会受到哪些力的作用呢？很明显，木块要受到竖直向下的重力G和斜面对木块产生的支持力FN，这个支持力的方向垂直于斜面向上。

连接体受力分析几个物体通过某种方式连接起来，其中一个物体运动，使其他物体也随之运动，这样的几个物体所组成的体系，称为连接体。例如，水平气垫导轨上的滑块A，用细绳跨过定滑轮与砝码B相连，就构成一连接体。如图2-22所示。

模块四物体受力分析

一个物体常常要与几个物体同时发生相互作用，在分析受力情况时，往往需要把各个物体隔离出来，分析每个物体的受力情况。分析物体受力情况和画受力图时，大致可按下列思路进行：

(1)根据要求确定研究对象，并把被研究对象从周围物体中隔离出来，画出其示意图。(2)分析物体受力情况时，应根据力是物体间的相互作用这一概念去分析，不能多画一个力，也不能少画或画错一个力。可按重力、弹力和摩擦力的顺序逐步分析，将各个力按方向和大小画在物体上。模块四物体受力分析

力的合成一个力，如果它产生的效果跟几个力共同产生的效果相同，这个力就称为那几个力的合力，而那几个力就称为这个力的分力。求几个力的合力称为力的合成。

几个力如果都作用在物体的同一点，或者它们的作用线相交于同一点，这几个力称为共点力(concurrentforce)。两个互成角度的共点力，它们的合力的大小和方向可以用表示这两个力的线段作为邻边所画的平行四边形的对角线来表示，这个规则称为平行四边形定则，如图2-25所示。模块五力的合成共点力作用下物体的平衡条件

我们常说，一个物体处于平衡状态是指物体保持静止，或者处于匀速直线运动状态。

在共点力作用下物体保持平衡的条件:合力等于零。模块五力的合成

例2-1重量G=3N的气球，如图2-29所示，同时受到风的水平推力F1=12N，以及空气浮力F2=8N。求气球所受的合力FR。模块五力的合成

例2-2如图2-30所示，为两个定滑轮组，物体K重20N，物体L重15N，两滑轮之间的绳子上悬挂物体M，当α=90°时，三个物体都处于平衡状态。求物体M的重力是多大？

模块五力的合成力的分解

如果几个力共同作用的效果，与原来一个力产生的效果相同，这几个力就称为原来那个力的分力。求一个已知力的分力，称为力的分解(resolutionofforce)。正交分解法一个已知力沿两个互相垂直的方向分解，称为正交分解法。模块六力的分解例2-3倾角为θ的斜面上，物块受重力G、支持力FN和摩擦力Ff作用，如图2-37所示，求它们的合力。模块六力的分解例2- 4木箱重600N，放在水平地面上，一个人用大小为200N与水平方向成30°向上的力拉木箱，木箱沿地平面作匀速直线运动，求木箱受到的摩擦力和地面所受压力。模块六力的分解加速度和力的关系

滑块的加速度a，则可以利用两个光电门测出滑块在先后两个位置上的速度v0和vt，并测得两位置的距离s，就可以根据公式s计算出来。当然，加速度也可用其他实验方法来测算。模块七牛顿模块二定律

加速度和质量的关系

在图2-41所示的实验中，保持砝码的重量不变，改变滑块质量m的大小，然后测定其加速度，当加速度a1和a2分别对应于质量m1和m2时，则有a1∶a2=m2∶m1，就是说a与m成反比关系：a∝1/m。

牛顿第二定律物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度方向跟合外力的方向相同，这就是牛顿第二定律(Newtonsecondlaw)。

模块七牛顿模块二定律

例2-5质量为400kg的物体，在F为196N的水平拉力作用下，沿地面滑动。如果物体受到的阻力为98N，求物体所得到的加速度。

模块七牛顿模块二定律例2-6质量是1kg的物体，以0.4m/s的初速度沿水平桌面向右匀减速滑动，该物体滑动1m的距离后停止。求作用在该物体上的摩擦力。

模块七牛顿模块二定律在力学中，选定长度、质量和时间这三个物理量的单位作为基本单位。利用基本单位可以导出其余物理量单位。选定这三个物理量的不同单位，可以组成不同的力学单位制。在国际单位制(国际代号为SI)中，取m(长度单位)，kg(质量单位)、s(时间单位)作为基本单位。根据物理公式中其他物理量和这几个物理量的关系，可推导出其他物理量的单位。例如，选定了位移的单位——米(m)和时间的单位——秒(s)，利用公式v=s/t可以推导出速度的单位——米/秒(m/s)，再利用公式a=(vt-v0)/t可以推导出加速度的单位——m/s2。如果再选定质量的单位千克(kg)，利用公式F=ma就可以推导出力的单位牛(N)。这些推导出来的单位称为导出单位。模块八力学单位制模块九牛顿运动定律的简单应用例2-8一个静止在水平面上的物体，质量是2kg，它在水平方向受到4.4N的拉力，若物体跟平面的滑动摩擦力是2.2N，求物体在第4s末时的速度和4s内通过的位移。

解

根据牛顿第二定律，F合=ma和F合=F-Ff

：得出：F-Ff=ma。所以，

根据速度公式：vt=at=1.1×4m/s=4.4m/s

由位移公式得：

答：物体在第4s末的速度为4.4m/s，在4s内通过的位移为8.8m。

自17世纪以来，以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展，取得了巨大成就，并在科学研究和生产技术中有广泛的应用。经典力学理论在如此广阔的领域里与实际相符合，证明了牛顿运动定律的正确性。但是，牛顿定律与一切物理定律一样，也有一定的适用范围。处理宏观物体的低速运动(指远小于光速c