清华大学物理学概论第1章牛顿定律2动力学.ppt

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 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Mm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 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 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inertialcentrifugalforce 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Coriolisforce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 科氏力 46 北半球的河流 水流的右侧被冲刷较重 落体向东偏斜 付科摆摆动平面偏转证明地球的自转 47 赤道附近的信风 北半球东北 南半球东南 48 傅科摆 傅科摆 摆锤28kg 摆平面转动 摆平面转动周期 北京 巴黎 这是在地球上验证地球转动的著名的实验 傅科 1851 巴黎伟人祠 摆长67m 地球 摆 实物演示科氏力