高中物理竞赛基础：牛顿定律

第三讲 运动定律3.1 牛顿定律311、牛顿第一定律任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。这是牛顿第一定律的内容。牛顿第一定律是质点动力学的出 发点。物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质称为惯性。牛顿第一定律又称 为惯性定律，惯性定律是物体的固有属性，可用质量来量度。无论是静止还是匀速直线运动状态，其速度都是不变的。速度不变的运动也就是没有加速度的运动，所以物体如果不受到其他物体的作用，就作没有加速度 的运动，牛顿第一定律指出了力是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律只在一类特殊的参照系中成立，此参照系称为惯性参照系。简称惯性系。相对某一惯性系作匀速运动的参照系必定也是惯性系，牛顿第一定律不成立的参照系称为非惯性参照系，简称非惯性系，非惯性系相对惯性系必作变 速运动，地球是较好的惯性系，太阳是精度更高的惯性系。312牛顿第二定律(1)定律内容：物体的加速度跟所受外力的合力成正比，跟物体的质量成反比， 加速度的方向跟合外力的方向相同(2)数学表达式：a =Fm或F =ma(3)理解要点牛顿第二定律不仅揭示了物体的加速度跟它所受的合外力之间的数量关系，而且揭示了加速度方向总与合外力的方向一致的矢量关系。在应用该定律处aF / m F =kma理物体在二维平面或三维空间中运动的问题，往往需要选择适当的坐标系，把它 写成分量形式F =maxF =ma F =mayF =mazxyz牛顿第二定律反映了力的瞬时作用规律。物体的加速度与它所受的合外力是时刻对应的，即物体所受合外力不论在大小还是方向上一旦发生变化，其加速 度也一定同时发生相应的变化。当物体受到几个力的作用时，每个力各自独立地使物体产生一个加速度，就如同其他力不存在样；物aF22aSF体受几个力共同作用时，产生的加速度等于每个力单独a1F1作用时产生的加速度的矢量和，如图 3-1-1 示。这个结 论称为力的独立作用原理。图 3-1-1牛顿第二定律阐述了物体的质量是惯性大小的量度，公式m =F / a反映了对同物体，其所受合外跟它的加速度之比值是个常数，而对不同物体其比值不同，这个比值的大小就是物体的质量，它是物体惯性大小量度，当合外力不变时，物体加速度跟其质量成反比，即质量越大，物体加速度越小，运动状态越 难改变，惯性也就越大。牛顿第二定律的数学表达式F =ma定义了力的基本单位；牛顿（N）。因为， ，故 ，当定义使质量为 1kg 的物体产生1 m s2加速度的作用力为 1N 时，即 1N=1kg 1m s2时，k=1。由于力的单位 1N 的规定使牛顿第二定律公式F中的 k=1，由此所产生的单位制即我们最常用的国际单位制。在惯性参考系中，公式F =ma中的 ma 不是一个单独的力，更不能称它是什么“加速力”，它是一个效果力，只是在数值上等于物体所受的合外力。 对一个质点系而言，同样可以应用牛顿第二定律。如果这个质量系在任意的 x 方向上受的合外力为 x ，质点系中的 n 个物体（质量分别为m , m , LL m 1 2n）在 x 方向上的加速度分别为a , a ,LL a 1x 2 xnx，那么有F =m a +m a +LL +m a x 1 1 x 2 2 x n这就是质点系的牛顿第二定律。nx313、牛顿第三定律（1） 定律内容：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相 反，作用在一条直线上。（2） 数学表达式： F =-F （3） 理解要点 牛顿第三定律揭示了物体相互作用的规律，自然界中的力的作用都是相互 的，任何一个物体既为受力体，则它一定就是施力体。 相互作用力必定是同一性质的力，即如果其中一个力是摩擦力，则它的反 作用力也一定是摩擦力。 两个相互作用力要与一对平衡力区分清楚。 这个相互作用力是指的性质力。对于效果力不一定能找到“整体”的反作用力，如有人说向心力的反作用力就是离心力。这是错误的，因为向心力往往是由多个力作用是共同效果，其中每个力都有其各自的反作用力，故向心力这个合力就不一定有一个所谓反作用力。314、关于参照系的问题（1 ）惯性参照系：牛顿第一定律实际上又定义了一种参照系，在这个参照系中观察，一个不受力作用的物体将保持静止或匀速直线运动状态，这样的参照系就叫做惯性参照系，简称惯性系。由于地球在自转的同时又绕太阳公转，所以严格地讲，地面不是一个惯性系。在一般情况下，我们可不考虑地球的转动，且在研究较短时间内物体的运动，我们可以把地面参照系看作一个足够精确的惯性 系。（2）非惯性参照系：凡牛顿第一定律不成立的参照系统称为非惯性参性系，一切相对于惯性参照系做加速运动的参照系都是非惯性参照系。在考虑地球转动时，地球就是非惯性系。在非惯性系中，物体运动不遵循牛顿第二定律，但在引入“惯性力”的概念以后，就可以利用牛顿第二定律的形式来解决动力学问题了。 （关于惯性力的应用在后边将到）。