第二章2-1牛顿定律及其应用

1、第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件第三节第三节 动能定理及能量守恒定律动能定理及能量守恒定律大学物理学电子教案大学物理学电子教案第二章第二章 质点动力学质点动力学第一节第一节 牛顿运动定律及其应用牛顿运动定律及其应用1 牛顿运动定律牛顿运动定律2 几种常见的力几种常见的力3 牛顿运动定律应用牛顿运动定律应用第二节第二节 动量定理及动量守恒定律动量定理及动量守恒定律1 冲量与动量定理冲量与动量定理2 质点系的动量守恒定律质点系的动量守恒定律1能量守恒定律能量守恒定律2功与动能定理功与动能定理3势能与机械能守恒

2、定律势能与机械能守恒定律第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件动力学动力学研究物体之间的相互作用，以及这种相研究物体之间的相互作用，以及这种相互作用所引起的物体的运动状态发生变化的规律。互作用所引起的物体的运动状态发生变化的规律。牛顿运动定律牛顿运动定律质点动力学的基础。质点动力学的基础。本章讨论牛顿运动定律的内容及其对质点运动的初本章讨论牛顿运动定律的内容及其对质点运动的初步应用。步应用。 第一节第一节 牛顿运动定律及其应用牛顿运动定律及其应用第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二

3、版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件牛顿牛顿(Isaac Newton, 1642(Isaac Newton, 16421727)1727)重要贡献有重要贡献有万有引力定律万有引力定律、经典力学经典力学、微积分微积分和和光学光学。万有引力定律：总结了伽利略和开普勒的理论和万有引力定律：总结了伽利略和开普勒的理论和经验，用数学方法完美地描述了天体运动的规律。经验，用数学方法完美地描述了天体运动的规律。牛顿运动三大定律：牛顿运动三大定律：自然科学的数学原理自然科学的数学原理中中含有牛顿运动三条定律和万有引力定律，以及质含有牛顿运动三条定律和万有引力定律，以及质量、动量、力和加速

4、度等概念。量、动量、力和加速度等概念。光学贡献：牛顿发现色散、色差及牛顿环，他还光学贡献：牛顿发现色散、色差及牛顿环，他还提出了光的微粒说。提出了光的微粒说。反射式望远镜的发明反射式望远镜的发明英国物理学家、数英国物理学家、数学家、天文学家，学家、天文学家，经典物理学的奠基经典物理学的奠基人。人。我不知道世人将如何看我，但是，就我自己看来，我好象不过是我不知道世人将如何看我，但是，就我自己看来，我好象不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地为找到一个比通常更光滑的贝壳一个在海滨玩耍的小孩，不时地为找到一个比通常更光滑的贝壳而感到高兴，但是，有待探索的真理的海洋正展现在我的面前。而感到高兴，但是，有待

5、探索的真理的海洋正展现在我的面前。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件 数学形式：数学形式： 时，时， 恒矢量恒矢量v0F惯性惯性 任何物体都有保持其运动状态不变的性质任何物体都有保持其运动状态不变的性质, 这一性质叫惯性这一性质叫惯性. 任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止直到外力迫使它改变运动状态为止. .力力 力是物体运动状态发生变化的原因力是物体运动状态发生变化的原因. 惯性参照系惯性参照系 物体在某参考系中物体在某参考系中

6、, 不受其他物体作用不受其他物体作用而保持静止或匀速直线运动状态而保持静止或匀速直线运动状态 , 这个参考系称为惯这个参考系称为惯性系性系 . 相对惯性系静止或匀速直线运动的参照系也是相对惯性系静止或匀速直线运动的参照系也是惯性系惯性系 . 一一 牛顿第一定律牛顿第一定律第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件dtdmamF二二 牛顿第二定律牛顿第二定律 物体受到外力作用时，物体所获得的加速度的大小与合外物体受到外力作用时，物体所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体质量成反比，加速度的方向与合外力力的大

7、小成正比，与物体质量成反比，加速度的方向与合外力方向同向方向同向,这就是这就是牛顿第二定律牛顿第二定律。上式中上式中F是合外力，力的单位是牛顿，是合外力，力的单位是牛顿，m是物体的质量（物体应是物体的质量（物体应可看成质点）。可见，可看成质点）。可见，力是物体产生加速度的原因力是物体产生加速度的原因。 物体的受力情况复杂，物体所受合力为每一个作用力的矢物体的受力情况复杂，物体所受合力为每一个作用力的矢量和，每一个作用力都对物体产生加速度，合力的加速度就是量和，每一个作用力都对物体产生加速度，合力的加速度就是各个分力形成的加速度矢量和，这一结论称为各个分力形成的加速度矢量和，这一结论称为力的叠加

8、原理力的叠加原理,数数学公式为学公式为：amamFFFFFniiniin1121.第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件tmamFzzzddv 力是矢量，可以分解到坐标轴上，在直角坐标系中，三力是矢量，可以分解到坐标轴上，在直角坐标系中，三个轴的分力可表示为：个轴的分力可表示为：tmamFxxxddvtmamFyyyddv牛顿第二定律具有牛顿第二定律具有三个主要性质三个主要性质：(1) 因果性因果性 力是产生加速度的原因，而不是维持物体运力是产生加速度的原因，而不是维持物体运动的原因。若不存在力，则没有加速度。

9、动的原因。若不存在力，则没有加速度。(2) 瞬时性瞬时性 当质量一定物体所受外力发生瞬变时，加速当质量一定物体所受外力发生瞬变时，加速度的大小或方向也随之发生突变，加速度与合外力保持度的大小或方向也随之发生突变，加速度与合外力保持一一对应关系。一一对应关系。(3) 相对性相对性 牛顿定律只在惯性参照系中才成立。牛顿定律只在惯性参照系中才成立。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件 两个物体之间作用力两个物体之间作用力 和反作和反作用力用力 , 沿同一直线沿同一直线, 大小相等大小相等, 方向相反方向相反, 分别

10、作用分别作用 在两个物体上在两个物体上 .FF/FF（物体间相互作用规律）（物体间相互作用规律）三三 牛顿第三定律牛顿第三定律mmTTPP地球地球第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件牛顿第三定律具有以下三个特定：牛顿第三定律具有以下三个特定： (1) 非平衡性非平衡性 由于作用力与反作用力分别作用在不同的两由于作用力与反作用力分别作用在不同的两个物体上，因此，在没有其它外力作用下，两个物体不能达个物体上，因此，在没有其它外力作用下，两个物体不能达到平衡效果。到平衡效果。(2) 同时性同时性 作用力与反作用力同

11、时出现，同时消失。作用力与反作用力同时出现，同时消失。(3) 同性力同性力 作用力与反作用力是同一种性质的力。例如，作用力与反作用力是同一种性质的力。例如，若其中一个作用力是弹性力，则反作用力一定是弹性力。若其中一个作用力是弹性力，则反作用力一定是弹性力。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件1、万有引力万有引力：-2211kgmN1067. 6G万有引力常数万有引力常数： 万有引力定律适用于两个质点万有引力定律适用于两个质点. 1m2mrer2、重力重力: 地球对地面附近物体的万有引力地球对地面附近物体的万有

12、引力.gmG22E2Esm82. 9RGmrGmg二、几种常见的力二、几种常见的力 各种物体之间存在着许许多多相互作用，常见的相互各种物体之间存在着许许多多相互作用，常见的相互作用有作用有万有引力万有引力、重力重力、弹性力弹性力以及以及摩擦力摩擦力。Fr221ermmGF第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件3 3、弹性力、弹性力: :（压力、支持力、张力、弹簧弹性力等）（压力、支持力、张力、弹簧弹性力等）kxF 在在弹性限度内弹性限度内弹性力遵从弹性力遵从胡克定律胡克定律 物体在受力物体在受力形变时形变时,有

13、恢复原状的趋势有恢复原状的趋势, 这种抵抗外这种抵抗外力力, 力图恢复原状的的力就是力图恢复原状的的力就是弹性力弹性力. .上式中的上式中的k k是是劲度系数劲度系数，负号表明弹性力与位移反方向。，负号表明弹性力与位移反方向。4 4、摩擦力：、摩擦力： 当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋势当相互接触的物体作相对运动或有相对运动的趋势时时, 它们中间所产生的阻碍相对运动的力称为摩擦力它们中间所产生的阻碍相对运动的力称为摩擦力.摩摩擦力分为擦力分为静摩擦力静摩擦力和和滑动摩擦力滑动摩擦力。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理

14、学院教学课件教学课件NFkk 滑动滑动摩擦力摩擦力NFsmax最大最大静摩擦静摩擦接触面间正压力接触面间正压力上式中上式中 是最大静摩擦系数，是最大静摩擦系数， 是最大静摩擦力。是最大静摩擦力。smaxF 静摩擦系数和滑动摩擦系数是静摩擦系数和滑动摩擦系数是无量纲无量纲的常数，必须由的常数，必须由实验确定，在说摩擦系数时，必须明确是哪两个之间的摩实验确定，在说摩擦系数时，必须明确是哪两个之间的摩擦系数，并且要考虑两种物体接触的一些性质。擦系数，并且要考虑两种物体接触的一些性质。接触面间正压力接触面间正压力第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广

15、东海洋大学理学院教学课件教学课件摩擦在摩擦在实际实际中的意义中的意义 害处害处: 消耗大量有用的能量消耗大量有用的能量, 使机器运转部分发热等使机器运转部分发热等. 减少摩擦的主要方法减少摩擦的主要方法: 化滑动摩擦为滚动摩擦化滑动摩擦为滚动摩擦, 化干摩擦为湿摩擦化干摩擦为湿摩擦. 摩擦的摩擦的必要性必要性: 人行走人行走, 车辆启动与制动车辆启动与制动, 机器转动（皮带轮）机器转动（皮带轮）, 弦乐器演奏等弦乐器演奏等. 失重状态下悬浮在飞船舱内的宇航员失重状态下悬浮在飞船舱内的宇航员, 因几乎受因几乎受不到摩擦力将遇到许多问题不到摩擦力将遇到许多问题. 若他去拧紧螺丝钉若他去拧紧螺丝钉,

16、 自自己会向相反的方向旋转己会向相反的方向旋转, 所以必须先将自己固定才行所以必须先将自己固定才行.第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件1 1）确定研究对象进行受力分析；确定研究对象进行受力分析； （隔离物体，画受力图，（隔离物体，画受力图，不要画力的分解图不要画力的分解图. .）2 2）取坐标系；取坐标系；3 3）列方程（一般用分量式列方程（一般用分量式, , 用用文字符号文字符号列方程式）；列方程式）；4 4）利用其它的约束条件列补充方程；利用其它的约束条件列补充方程；5 5）先）先用文字符号求解，用文字

17、符号求解，后后代入数据计算结果代入数据计算结果. . 解题的基本思路解题的基本思路2 4 牛顿定律应用举例牛顿定律应用举例三、牛顿定律应用举例三、牛顿定律应用举例第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件例例2-12-1 如图如图2-1，水平地面上有一质量为，水平地面上有一质量为M的物体，静的物体，静止于地面上。物体与地面间的静摩擦系数为止于地面上。物体与地面间的静摩擦系数为 ，若，若要拉动物体，问最小的拉力是多少？沿何方向？要拉动物体，问最小的拉力是多少？沿何方向？s对物体对物体M做受力分析：做受力分析：解解：M

18、Ff例题图 2-1xNGFfyFxFyo受力情况分析第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件例题例题2-12-1续续1:1:列出动力学方程列出动力学方程:在直角坐标系中在直角坐标系中:xNGFfyFxFyo受力情况分析aMGNfFF0cos fFxxMafFfFcosx轴轴:0sinGNFGNFyy轴轴:物体启动时，由物体启动时，由x轴方程可得轴方程可得:物体刚启动时，摩擦力为最大静摩擦力，即物体刚启动时，摩擦力为最大静摩擦力，即：NfssfN把把N的表达式带入公式的表达式带入公式第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物

19、理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件例题例题2-12-1续续2:2:可求得摩擦力可求得摩擦力f :把把 带入到启动时的条件式带入到启动时的条件式 ：xNGFfyFxFyo受力情况分析sinFGfssincosssMgF0sincosFGFs 当要求最小拉力时，需要上式中的分母最大当要求最小拉力时，需要上式中的分母最大，因此需要对分母求因此需要对分母求最大值最大值。第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院教学课件教学课件例题例题2-12-1续续3:3:构建一个新的函数并求极值构建一个新的函数并求极值:xNGFfyFxFyo受力情况分析21sincosssssMgMgF sincossA 0sincossddAF最小时，需要角度满足最小时，需要角度满足stan cossin22sdAd由于由于0，因此因此F有最小值。有最小值。带入，最终得到带入，最终得到第二章第二章 牛顿定律牛顿定律物理学教程物理学教程（第二版）（第二版）广东海洋大学理学院广东海洋大学理学院