清华大学物理学概论第1章牛顿定律2动力学.ppt

1、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,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：

2、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,演示,取一小块风dm为研究对象,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

3、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,如物体A和B接触,A给B的叫支持力,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,滑

4、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,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,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

5、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,17,18,1)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,3）受力图 画研究对象受到的力 通常叫隔离体受力图,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,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：,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

6、：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,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

7、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,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,27,28,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

8、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,分析：,垂直、近距,惯性力大,摩擦力大,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,

9、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）,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

10、 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,40,41,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：,42,固体潮（形变）：,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,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,科