大学物理牛顿力学.ppt

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1、1第二章运动与力第二章运动与力( Motion and Forces)2 牛顿不仅是曾经有过的最伟牛顿不仅是曾经有过的最伟大的天才，而且是最幸运的人，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的历史中只有一个人能够成其法则的诠释者。则的诠释者。拉普拉斯拉普拉斯3 我已经把哲学的原理我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。不是哲学的，而是数学的。 牛顿牛顿4 人们不要以为牛顿的伟人们不要以为牛顿的伟大工作真的能够被这一理论大工作真的能够被这一理论或者任何别的理论所代替。或者任何别的

2、理论所代替。作为自然哲学（指物理学）作为自然哲学（指物理学）领域里我们整个近代概念结领域里我们整个近代概念结构的基础，他的伟大而明晰构的基础，他的伟大而明晰的观念，对于一切时代都将的观念，对于一切时代都将保持着它的独特的意义。保持着它的独特的意义。 -爱因斯坦爱因斯坦 5Issac Newton (1642 (16421727) 1727) In 1687, The Mathematical Principles of Natural Philosophy 牛顿运动定律牛顿运动定律 and and 万有引力定律万有引力定律本章内容本章内容： 牛顿运动定律牛顿运动定律 自然界中常见力和基本力自然

3、界中常见力和基本力 牛顿定律的应用牛顿定律的应用 国际单位制（国际单位制（SI）与量纲）与量纲62.1 牛顿运动定律牛顿运动定律1.牛顿第一定律牛顿第一定律 “Every body continues in its state of rest, or in uniform motion in a straight line unless it is compelled to change that state by forces impressed upon it.”.0constvFii一、一、 牛顿运动定律牛顿运动定律 任何物体都将保持静止或匀速直线运动的状任何物体都将保持静止或匀速直线运

4、动的状态，除非其他物体的作用迫使它改变这种状态。态，除非其他物体的作用迫使它改变这种状态。7 72.2.牛顿第二定律牛顿第二定律 T h e c h a n g e o f m o t i o n i s T h e c h a n g e o f m o t i o n i s proportional to the motive force proportional to the motive force impressed, and is made in the impressed, and is made in the direction of the right line in wh

5、ich direction of the right line in which that force is impressed.that force is impressed. ddpFtpm=v质点的动量质点的动量F合外力合外力其中其中8dtpdF当当vc(光速光速)时，时，m=const.amF牛牛定义了物体的定义了物体的“惯性质量惯性质量”物物体惯性的度量体惯性的度量.牛牛只在惯性系中成立只在惯性系中成立.牛牛的特点：瞬时性和矢量性的特点：瞬时性和矢量性.vmp质点的动量质点的动量F合外力合外力其中其中Notes:9 第二定律是矢量式，第二定律是矢量式，在具体应用时常常写成在具体应用时

6、常常写成分量式。分量式。zZyYxXmaFmaFmaF 牛顿方程的自然坐标分量式牛顿方程的自然坐标分量式 2ntvmFdtdvmF1010 动量守恒动量守恒动量是一个重要的物理量，应用范围远超动量是一个重要的物理量，应用范围远超出牛顿力学。出牛顿力学。例如电磁波（光子）就具有例如电磁波（光子）就具有动量。动量。.const p实验表明：在光子与光子、光子与其他粒实验表明：在光子与光子、光子与其他粒子的相互作用过程中，系统的总动量严格子的相互作用过程中，系统的总动量严格守恒。守恒。若若0ddpFtNotesNotes113.牛顿第三定律牛顿第三定律 “To every action there

7、is always opposed an equal reaction, or, the mutual actions of two bodies upon each other always directed to contrary parts.”作用力与反作用力是作用在不同物作用力与反作用力是作用在不同物体上的，彼此不能抵消体上的，彼此不能抵消.2112FFNote:12 牛顿第一定律在其中成立的参考系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）的状态保持静止或匀速直线运动（惯性运动）的状态

8、牛顿第二定律在惯性系中成立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）间的关系与参考系无关）4. 4. 惯性参考系（惯性系）惯性参考系（惯性系）13 相对一个惯性系作加速运动的参考系一定是相对一个惯性系作加速运动的参考系一定是非非惯性系惯性系相对一个惯性系作转动的参考系也一定是非惯相对一个惯性系作转动的参考系也一定是非惯性系性系自然界中不存在严格的惯性系：自然界中不存在严格的惯性系：任何物体之间任何物体之间都有万有引力，参考系所选定的参照物

9、体总要都有万有引力，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。受到引力作用而产生加速度。马赫认为：马赫认为：如果一个参考系相对宇宙全部物质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分布的平均加速度等于零，就可把这个参考系看成惯性系。成惯性系。判断一个实际的参考系是不是惯性系，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。加速度效应。 141 1、FK4FK4系：系：以以15351535颗恒星平均静止位形作为基颗恒星平均静止位形作为基准准目前最精确目前最精确实用的惯性系：实

10、用的惯性系：太阳系太阳系z zx x y y地心系地心系地面系地面系2 2、太阳系：、太阳系：由天文学观测结果得出，绕银河系由天文学观测结果得出，绕银河系中心公转的法向加速度约为中心公转的法向加速度约为 210sm102 比较精确比较精确 153 3、地心系：、地心系：绕太阳公转的法向加速度约为绕太阳公转的法向加速度约为 23sm106 较好的惯性系较好的惯性系 太阳系太阳系z zx x y y地心系地心系地面系地面系4 4、地面系：、地面系：地球自转使赤道处的物体产生的法地球自转使赤道处的物体产生的法向加速度为向加速度为较差较差22sm104 . 3 16相对一个惯性系做匀速直线运动的其它任

11、意参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考系也是惯性系，在这些参考系中牛顿定律都成立成立牛顿相对性原理牛顿相对性原理：对于描述力学定律来说，所对于描述力学定律来说，所有的惯性参考系都是平等的。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：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，等于它所受的物体的动量对时间的变化率，等于它所受的合力合力”5. 5. 牛顿相对性原理牛顿相对性原理伽利略相对性原理伽利略相对性原理17 牛顿相对性原理的数学表述：牛顿相对性原理的数学表述：惯性系惯性系S S 惯性系惯性系S

12、S , , 牛顿方程如何变化？牛顿方程如何变化？对于不同的惯性系，力学的基本规律对于不同的惯性系，力学的基本规律牛顿牛顿方程的形式相同。方程的形式相同。或者说：或者说：牛顿方程具有伽利牛顿方程具有伽利略变换下的协变对称性。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牛顿相对性原理可表述为amF F =ma （S S系）系） （S S 系）系）18二、二、SI单位和量纲单位和量纲（International system of units

13、and Dimension） （一（一)国际单位制国际单位制 1. 基本量与基本单位基本量与基本单位 基本量基本量 基本单位基本单位 2.导出量与导出单位导出量与导出单位 导出量导出量 导出单位导出单位193.国际单位制国际单位制 1960年第年第11届国际计量大会通过并建议届国际计量大会通过并建议世界各国采用的单位制。简称世界各国采用的单位制。简称SI。SI中的基本单位：中的基本单位：长度：米（长度：米（m）；质量：千克（）；质量：千克（kg）;时间：秒（时间：秒（s）；电流强度：安培（）；）；电流强度：安培（）；热力学温度：开尔文（热力学温度：开尔文（K）物质的量：摩尔（物质的量：摩尔（

14、mol ）;光强度：坎德拉（光强度：坎德拉（ cd ）20（二）量纲（二）量纲 表示导出单位是由哪些基本单位组成的表示导出单位是由哪些基本单位组成的式子。式子。量纲通常是用方括号表示，如：量纲通常是用方括号表示，如： a=长度长度 /时间时间2=L T-2P=质量质量 速度速度=M LT -1V=长度长度/ 时间时间=L T-121量纲的用途：量纲的用途：M LT- 1=MLT-1一个等式相等应满足一个等式相等应满足：量纲相同 、数值相等、量性相同vmvmvmtF12A）验证等式）验证等式vmtFB) 换算单位：换算单位： V = LT-1 V=米米/秒秒=100厘米厘米/秒秒22C) C)

15、分析问题分析问题: : 例：例：声音在气体中传播仅取决于气体的压强声音在气体中传播仅取决于气体的压强P P 与与密度密度 和一些数字常数，计算在具有参和一些数字常数，计算在具有参 数数 P P1 1 、 1 1和和P P2 2 、 2 2 的两种气体中的声速之比。的两种气体中的声速之比。解解：声速声速V V是是P P 、 的函数的函数 V=fV=f（P P、 ） V = =L TL T-1-1、 P P =M L=M L-1-1 T T-2-2 、 =M L=M L-3-31221221121/PPPPVV22321TLMLTMLppkV pV 压强压强23 2.2 自然界中常见力自然界中常见

16、力(Forces in Natural environment) 1 .重力重力:2 .弹性力弹性力:相互接触的物体彼此发生形变而相互接触的物体彼此发生形变而产生的相互作用力产生的相互作用力.注意：注意：接触是产生弹性力的必要条件，接触是产生弹性力的必要条件， 而不是充分条件。而不是充分条件。处于地球表面附近的物体受到的地球处于地球表面附近的物体受到的地球的引力，方向指向地心。（的引力，方向指向地心。（ mg ）24例：如图，试分析静例：如图，试分析静止止 圆球的受力。圆球的受力。GN两个物体相互接触有相对运动或相对运动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（动摩擦力）或与相对运动趋势方向相反的力（静摩擦力）。的力（静摩擦力）。 3 . 摩擦力：摩擦力：(Frictional force)25静摩擦力静摩擦力: : 外外静静Ff Nf 滑滑以自行车前后轮为例，说明摩擦力的方向：以自行车前后轮为例，说明摩擦力的方向：后轮后轮F FF F前轮前轮B BF FNmaxf0 静静滑动摩擦力滑动