chap2质点动力学课件

第二章质点动力学§1牛顿运动定律任何质点都保持静止或匀速直线运动状态，直到其它物体作用的力迫使它改变这种状态为止。第一定律引进了二个重要概念惯性——质点不受力时保持静止或匀速直线运动状态的的性质,其大小用质量量度。

力——使质点改变运动状态的原因质点处于静止或匀速直线运动状态时：(静力学基本方程)一.牛顿第一定律••二.牛顿第二定律某时刻质点动量对时间的变化率正比与该时刻作用在质点上所有力的合力。取适当的单位，使

k=1，则有当物体的质量不随时间变化时

•直角坐标系下为三.牛顿第三定律第三定律揭示了力的两个性质成对性——物体之间的作用是相互的。同时性——相互作用之间是相互依存，同生同灭。当物体A以力作用于物体B时，物体B也同时以力作用于物体A上，和总是大小相等，方向相反，且在同一直线上。••讨论第三定律是关于力的定律，它适用于接触力。对于非接触的两个物体间的相互作用力，由于其相互作用以有限速度传播，存在延迟效应。四、力学中常见的几种力

1.

万有引力质量为m1、m2，相距为r的两质点间的万有引力大小为用矢量表示为说明(1)依据万有引力定律定义的质量叫引力质量，常见的用天平称量物体的质量，实际上就是测引力质量；依据牛顿第二定律定义的质量叫惯性质量。实验表明：对同一物体来说，两种质量总是相等。如图所示，一质点m旁边放一长度为L、质量为M的杆，杆离质点近端距离为l。解例该系统的万有引力大小。求当

l>>L

时(2)万有引力定律只直接适用于两质点间的相互作用杆与质点间的万有引力大小为质点与质量元间的万有引力大小为设绳子MN两端分别受到的拉力为和。MNP想象把绳子从任意点P切开，使绳子分成MP和NP两段，其间的作用力大小T叫做绳子在该点P的张力。如图所示。设绳子以垂直加速度运动，绳子质量线密度为，

则其上任一小段

l满足下列方程

l由方程看出：一般情况下，绳子上各处的张力大小是不相等的，但在绳子的质量可以忽略不计时，绳子上各处的张力相等。•3.摩擦力当两相互接触的物体彼此之间保持相对静止，且沿接触面有相对运动趋势时，在接触面之间会产生一对阻止上述运动趋势的力，称为静摩擦力。（1）静摩擦力说明静摩擦力的大小随引起相对运动趋势的外力而变化。最大静摩擦力为

fmax=µ0N（2）滑动摩擦力两物体相互接触，并有相对滑动时，在两物体接触处出现的相互作用的摩擦力，称为滑动摩擦力。(µ0为最大静摩擦系数，N为正压力)(µ为滑动摩擦系数)4.物体运动时的流体阻力当物体穿过液体或气体运动时，会受到流体阻力，该阻力与运动物体速度方向相反，大小随速度变化。(1)当物体速度不太大时，流体为层流，阻力主要由流体的粘滞性产生。这时流体阻力与物体速率成正比。(2)当物体穿过流体的速率超过某限度时（低于声速），流体出现旋涡，这时流体阻力与物体速率的平方成正比。(3)当物体与流体的相对速度提高到接近空气中的声速时，这时流体阻力将迅速增大。设一高速运动的带电粒子沿竖直方向以

v0

向上运动，从时刻

t=0开始粒子受到

F=F0t水平力的作用，F0为常量，粒子质量为

m

。水平方向有例解粒子的运动轨迹。求运动轨迹为竖直方向有设一物体在离地面上空高度等于地球半径处由静止落下。在地面附近有以地心为坐标原点，物体受万有引力解可得：例它到达地面时的速度（不计空气阻力和地球的自转）。求例在竖直向上方向建坐标，地面为原点（如图）.设压力为

N解Oyly取整个绳为研究对象一柔软绳长

l，线密度r，一端着地开始自由下落.求下落到任意长度

y时刻，给地面的压力为多少？装沙子后总质量为M的车由静止开始运动，运动过程中合外力始终为

f，每秒漏沙量为

。解取车和沙子为研究对象，地面参考系如图，t=0时

v

=0例fx求车运动的速度。

即六、牛顿运动定律的适用范围1.惯性系甲乙m——牛顿定律适用——牛顿定律不适用有力地面参考系中的观察者甲：运动车厢参考系中的观察者乙：有力和加速度即无加速度惯性系：牛顿运动定律适用的参照系结论：牛顿第二定律不能同时适用于上述两种参考系讨论(2)

相对于一惯性系作匀速直线运动的参照系都是惯性系。(1)

严格的惯性系是关于参照系的一种理想模型。大多数情况下，通常取地面参照系为惯性参照系。2.牛顿运动定律的适用范围牛顿运动定律适用于宏观物体的低速运动。说明物体的高速运动遵循相对论力学的规律；微观粒子的运动遵循量子力学的规律。牛顿力学是一般技术科学的理论基础和解决实际工程问题的重要依据和工具。(1)(2)TT质量分别为

m1和

m2的两物体用轻细绳相连接后，悬挂在一个固定在电梯内的定滑轮的两边。滑轮和绳的质量以及所有摩擦均不计。当电梯以

a0=g/2的加速度下降时。解取电梯为参考系例m1和m2的加速度和绳中的张力。求m1gm2gO'对m1有对m2有m方法（一）取地面为参考系例一光滑斜面固定在升降机的底板上，如图所示，当升降机以匀加速度a0

上升时，质量为m的物体从斜面顶端开始下滑。yxx方向y方向物体对斜面的压力和物体相对斜面的加速度。求解设物体的加速度为yxx方向y方向方法（二）取升降机为参考系惯性力

解出小球的速度例题2-4

由地面沿铅直方向发射质量为m的宇宙飞船。试求宇宙飞船能脱离地球引力所需的最小初速度(不计空气阻力及其它作用力）解：选宇宙飞船为研究对象。设地球为均质球，地心为原点，取x坐标轴向上为正。飞船只受地球引力作用，根据万有引定力定律，地球对飞船引力的大小为由牛顿第二定律得

对一段有限时间有xyzO质点动量的增量等于合力对质点作用的冲量——质点动量定理

(1)

物理意义：质点动量的变化依赖于作用力的时间累积过程合力对质点作用的冲量质点动量矢量的变化(2)

矢量性：冲量的方向与动量的增量方向相同讨论（动量定理积分形式）在力的整个作用时间内，平均力的冲量等于变力的冲量平均力冲量的任何分量等于在它自己方向上的动量分量的增量动量定理的分量形式例一篮球质量0.58kg，从2.0m高度下落，到达地面后，以同样解

篮球到达地面的速率对地平均冲力tF(max)F0.019sO相当于40kg重物所受重力!速率反弹，接触时间仅0.019s.求

对地平均冲力?例质量为m的匀质链条，全长为L，开始时，下端与地面的距离为h,当链条自由下落在地面上时所受链条的作用力？Lh解

设链条在此时的速度根据动量定理地面受力m求

链条下落在地面上的长度为l(l<L)时，地面

dm三、质点系动量定理P表示质点系在时刻t的动量（质点系动量定理）一对内力直角坐标系：在有限时间内：(1)只有外力可改变系统的总动量(2)内力可改变系统内单个质点的动量——内部作用复杂说明某段时间内，质点系动量的增量，等于作用在质点系上所有外力在同一时间内的冲量的矢量和——质点系动量定理一粒子弹水平地穿过并排静止放置在光滑水平面上的木块,已知两木块的质量分别为m1,m2，子弹穿过两木块的时间各为t1,t2

，设子弹在木块中所受的阻力为恒力F子弹穿过第一木块时，两木块速度相同，均为v1

子弹穿过第二木块后，第二木块速度变为v2例解求

子弹穿过后，两木块各以多大速度运动解得四、质点系动量守恒定律当动量守恒的分量表述(1)动量守恒定律适用于惯性系质点系动量守恒定律说明(2)动量守恒定律也适用于高速，微观领域如图所示，两部运水的卡车A、B在水平面上沿同一方向运动，B的速度为u，从B上以6kg/s的速率将水抽至A上，水从管子尾部出口垂直落下，车与地面间的摩擦不计，时刻t时，A车的质量为M，速度为v。选A车M和t时间内抽至A车的水m为研究系统，水平方向上动量守恒解例求

时刻t，A的瞬时加速度ABuvA在恒星系中，两个质量分别为m1和m2的星球，原来为静止，且相距为无穷远，后在引力的作用下，互相接近，到相距为r时。解由动量守恒，机械能守恒例解得相对速率求它们之间的相对速率为多少？oxyv2v1mv2mv1例题2-6图（a）（b）例题2-6一个质量的垒球，以的速率沿水平方向飞向击球手，被击中后，又以相同的速率沿的仰角方向飞出。设球和棒的作用时间ms，求垒球受到棒的平均打击力。解：直接用动量定理的矢量形式求解。垒球被击中前后的动量和的矢量关系。组成矢量三角形。由题意可知垒球受到棒的平均打击力约为垒球自身重力的5900倍，说明打击力是多么强大！

aDcos2mvtF=例题2-8

粒子是氦原子核。在一次粒子散射实验中，粒子和静止的氧原子核发生“碰撞”。实验测出，碰撞后粒子沿与入射方向成角的方向运动，而氧原子核沿与粒子入射方向成角的方向运动。求碰撞前后粒子的速率比。Mxyo图2-12粒子散射解：

令粒子入射方向与x轴平行，由动量守恒定律得由以上两式解得即碰撞后粒子的速率约为初速率为71%。§3动能定理和能量守恒定律1.恒力的功2.变力的功研究力在空间的积累效应功、动能、势能、动能定理、机械能守恒定律。MMabsxyzOab求质点M

在变力作用下，沿曲线轨迹由a运动到b，变力作的功

一段上的功：M在一、功在直角坐标系中

说明(1)功是标量，且有正负(2)合力的功等于各分力的功的代数和在ab一段上的功在自然坐标系中(3)一般来说，功的值与质点运动的路径有关

二、功率力在单位时间内所作的功，称为功率。平均功率

当t

0时的瞬时功率

质量为10kg的质点，在外力作用下做平面曲线运动，该质点的速度为解在质点从y=16m到y=32m的过程中，外力做的功。求例,开始时质点位于坐标原点。L缓慢拉质量为m的小球，解xy例=0

时，求已知用力保持方向不变作的功。已知

m=2kg,在

F=12t作用下由静止做直线运动解例求t=02s内F作的功及t=2s时的功率。xyzO三、几种常见力的功1.重力的功重力mg在曲线路径M1M2上的功为重力所作的功等于重力的大小乘以质点起始位置与末了位置的高度差。

(1)重力的功只与始、末位置有关，而与质点所行经的路径无关。(2)质点上升时，重力作负功；质点下降时，重力作正功。mG结论②①2.弹性力的功

(1)弹性力的功只与始、末位置有关，而与质点所行经的路径无关。(2)弹簧的变形减小时，弹性力作正功；弹簧的变形增大时，弹性力作负功。弹簧弹性力由x1到x2

路程上弹性力的功为弹性力的功等于弹簧劲度系数乘以质点始末位置弹簧形变量平方之差的一半。结论xO3.万有引力的功

上的元功为

万有引力F在全部路程中的功为(1)万有引力的功，也是只与始、末位置有关，而与质点所行经的路径无关。Mabm结论在位移元4.摩擦力的功在这个过程中所作的功为

摩擦力的功，不仅与始、末位置有关，而且与质点所行经的路径有关。摩擦力方向始终与质点速度方向相反(2)质点移近质点时，万有引力作正功；质点A远离质点O时，万有引力作负功。结论摩擦力四、质点动能定理

作用于质点的合力在某一路程中对质点所作的功，等于质点在同一路程的始、末两个状态动能的增量。

(1)Ek是一个状态量,A

是过程量。(2)动能定律只用于惯性系。

说明五、质点系动能定律把质点动能定理应用于质点系内所有质点并把所得方程相加有:(1)内力和为零,内力功的和是否为零？不一定为零ABABSL讨论(2)内力的功也能改变系统的动能例:炸弹爆炸，过程内力和为零，但内力所做的功转化为弹片的动能。

一轻弹簧的劲度系数为k=100N/m，用手推一质量m=0.1

kg的物体把弹簧压缩到离平衡位置为x1=0.02m处,如图所示。放手后，物体沿水平面移动到x2=0.1m而停止。

放手后，物体运动到x1

处和弹簧分离。在整个过程中，解例物体与水平面间的滑动摩擦系数。求摩擦力作功弹簧弹性力作功根据动能定理有长为l的均质链条，部分置于水平面上，另一部分自然下垂,已知链条与水平面间静摩擦系数为0,滑动摩擦系数为(1)以链条的水平部分为研究对象，设链条每单位长度的质量为，沿铅垂向下取Oy轴。解Oy例求满足什么条件时，链条将开始滑动

(2)若下垂部分长度为b时，链条自静止开始滑动，当链条末端刚刚滑离桌面时，其速度等于多少？当y>b0

，拉力大于最大静摩擦力时，链条将开始滑动。设链条下落长度y=b0时，处于临界状态(2)以整个链条为研究对象，链条在运动过程中各部分之间相互作用的内力的功之和为零，摩擦力的功重力的功根据动能定理有六、势能与机械能守恒定律

1.保守力如果力所做的功与路径无关，而只决定于物体的始末相对位置，这样的力称为保守力。保守力沿闭合路径一周所做的功为零。

即例如重力、万有引力、弹性力都是保守力。

作功与路径有关的力称为非保守力。

例如:摩擦力质点在保守力场中某点的势能，在量值上等于质点从M点移动至零势能点M0的过程中保守力（1）重力势能

（2）弹性势能

xyzOOx所作的功。2.势能（3）万有引力势能

rMm等势面例如在质量为M、半径为R、密度为

的球体的万有引力场中MRxm质点在球外任一点C

，与球心距离为x，质点受到的万有引力为:ORxMO质点在球内任一点C，与球心距离为x，质点受到的万有引力为m在保守力场中，质点从起始位置

1到末了位置2，保守力的功

A等于质点在始末两位置势能增量的负值质点的势能与位置坐标的关系可以用图线表示出来。（3）势能曲线(1)由于势能零点可以任意选取，所以某一点的势能值是相对的。(2)保守力场中任意两点间的势能差与势能零点选取无关。说明zO重力势能弹性势能E万有引力势能xOrO3.机械能守恒定律对质点系:当机械能守恒定律机械能增量(2)守恒定律是对一个系统而言的(3)守恒是对整个过程而言的，不能只考虑始末两状态说明(1)守恒条件把一个物体从地球表面上沿铅垂方向以第二宇宙速度解根据机械能守恒定律有:

例物体从地面飞行到与地心相距

nRe处经历的时间。求发射出去，阻力忽略不计，4.能量守恒定律

能量不能消失，也不能创造，只能从一种形式转换为另一种形式。对一个封闭系统来说，不论发生何种变化，各种形式的能量可以互相转换，但它们总和是一个常量。这一结论称为能量转换和守恒定律。

3.机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在机械运动范围内的体现1.能量守恒定律可以适用于任何变化过程2.功是能量交换或转换的一种度量例如：利用水位差推动水轮机转动，能使发电机发电，将机械能转换为电能。讨论电流通过电热器能发热，把电能又转换为热能。