《大学物理乙》补充2质点力学概要.ppt

质点力学概要 1实物的简化模型 2质点运动的描述 3质点运动定律 4功和能 1实物的简化模型 物理学为了能揭示物质运动的本质规律 常常对研究对象进行理想化处理 以突出其主要性质 忽略次要因素 将研究对象抽象为可以用数学方法描述的理想模型 提出物理模型的基本原则 明确所提问题 突出主要因素 提出理想模型 分析各种因素在所提问题中的主次 实验验证 1 1质点 把物体分解成许多个小部分 如果每个小部分均可看作质点 那么整个物体可视为由许多质点组成的系统 称其为质点系 如果以上两个条件都不满足 可将研究对象视为质点系 为了突出物体最基本的机械运动特征 可将物体视为具有一定质量的 几何点 这样的点通常叫做质点 选用质点模型的条件是 物体自身线度与所研究的物体运动的空间范围相比 可以忽略 或者物体只作平动 1 2质点系 两个条件中 具一即可 1 3刚体 刚体 指在任何情况下形状和大小不变的理想物体 当物体自身线度与所研究的物体运动的空间范围比不可以忽略 物体又不作平动时 即必须考虑物体的空间方位 刚体模型 刚体是一个内部各质点之间无相对位置变化且质量连续分布的特殊质点系 1 4理想流体 绝对不可压缩 完全没有黏滞性的流体 2 1位置矢量 在直角坐标系中为 由坐标原点引向质点的矢量 简称位矢 位矢的方向 位矢的大小为 质点运动时 有 已知运动学方程 可求质点运动轨迹 速度和加速度 意义 运动方程 2质点运动的描述 求 解 h x 坐标表示为 例 如图所示 以速度v用绳跨一定滑轮拉湖面上的船 已知绳初长l0 岸高h 取坐标系如图 依题意有 质点运动学的基本问题之一是确定质点运动学方程 为正确写出质点运动学方程 先要选定参考系 坐标系 明确起始条件等 找出质点坐标随时间变化的函数关系 O 船的运动方程 说明 2 2位移 讨论 1 位移是矢量 有大小 有方向 位移不同于路程 2 位移与坐标系原点的位置无关 3 与 r的区别 x y z O P1 P2 O O 分清 反映物体位置 距离与方位 的变化 位移只取决于质点的始末位置 在三维直角坐标系中的位移 x y z O 时刻t 质点位于P1 位矢为 时刻t t 质点位于P2 位矢为 时间 t内质点的位移为 建如图所示坐标 则 位移的模为 2 3速度 描述物体运动快慢的物理量 1 平均速度 o 2 瞬时速度 A B B 讨论 1 速度有矢量性 瞬时性和相对性 2 注意速度与速率的区别 瞬时速度 速度的大小为 其中 例一运动质点在某瞬时位于矢径的端点处 其速度大小为 A B C D 在三维直角坐标系中的速度 2 4加速度 1 平均加速度 2 瞬时加速度 讨论 1 加速度反映速度的变化 大小和方向 情况 P1 P2 O 2 加速度的方向总是指向轨迹曲线凹的一面 反映速度变化快慢的物理量 大小为 其中 在三维直角坐标系中的加速度 运动学的二类问题 1 第一类问题 已知运动学方程 求 1 t 1s到t 2s质点的位移 2 t 2s时 已知一质点运动方程 求 例 解 1 2 当t 2s时 微分法 例设质点的运动方程为其中求 1 时的速度 2 作出质点的运动轨迹图 解 1 由题意可得速度分量分别为 时速度为 速度与轴之间的夹角 2 运动方程 由运动方程消去参数可得轨迹方程为 解 已知 求 和运动方程 代入初始条件 代入初始条件 2 第二类问题 已知加速度和初始条件 求 例 t 0时 积分法 解由加速度定义 例有一个球体在某液体中竖直下落 其初速度为 它的加速度为求 1 经过多少时间后可以认为小球已停止运动 2 此球体在停止运动前经历的路程有多长 质点运动学两类基本问题 一 由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的位矢 速度和加速度 二 已知质点的加速度以及初始速度和初始位置 可求质点速度及其运动方程 例 一质点由静止开始作直线运动 初始加速度为a0 以后加速度均匀增加 每经过 秒增加a0 求经过t秒后质点的速度和运动的距离 提示1 直线运动中矢量可以用标量代替 初始位置和初始速度 提示2 初始条件 解 据题意知 加速度和时间的关系为 1 实验基础 实验事实总结 实验事实证明 2 物理意义 力是物体运动状态改变的原因 力的成对性与一致性 3 适用范围 惯性坐标系 宏观低速运动的物体 3质点运动定律 3 1惯性定律 若平面光滑无摩擦 球会滚多远 显然 球会永远滚下去 伽利略的正确结论在隔了一代人之后 由牛顿总结成了一条基本定律 牛顿第一定律 惯性定律 其数学表达式为 时 牛顿第一定律 力 的概念 注意三个重要概念 惯性 力 惯性参照系 3 2质点的动力学方程 质量不随时间变化时 牛顿第二定律的分量形式 牛顿第二定律 力的度量 定量描述 注意 力的瞬时性 矢量性和对应性 3 3牛顿第三定律 牛顿第三定律指明了一个真实存在的力的标志 在于总能找到它的反作用力 并且在其它物体的运动中表现出来 物体之间的作用力具有成对性 即作用力与反作用力必须同时出现 且属于同种性质的力 作用力与反作用力是相对的 无主从之分 各自产生的效果不会抵消 牛顿第三定律 力的特性 注意 力的成对性 一致性和同时性 4功和能机械能守恒定律 4 1功 研究力对空间的积累效应 1 恒力的功 2 变力的功 M a b 一段上的元功 在 在ab一段上的总功 缓慢拉质量为m的小球 解 例 0时 求 已知用力 保持方向不变 作的功 解 例一质量为m 总长为l的铁链 开始时有一半放在光滑的桌面上 而另一半下垂 如图所示 求铁链全部滑离桌面时重力所作的功 重力作的元功 则铁链全部滑离桌面时 重力作的功 4 2动能动能定理 质点的动能定理 合力的功 合力在某一过程中对质点所作的功 等于质点在该过程动能的增量 1 Ek是一个状态量 A是过程量 2 动能定律只适用于惯性系 说明 4 3势能机械能守恒定律 1 保守力势能 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 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 a b d c 势能 在保守力场中 A B 取 则 势能零点 势能是位置的函数 在数值上等于从B到势能零点保守力所做的功 该函数通常称作势能函数 势能是系统具有的作功本领 蕴藏在保守力场与位置有关的能量 势能的定义式 零势能点 讨论 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 势能增量 在保守力场中 质点从P1 P2位置 势能增量为 质点在该过程中 保守力的功A为 保守力的功等于质点在始末两位置势能增量的负值 微分形式 3 保守力场中任意两点间的势能差与势能零点选取无关 r 几种常见的势能 势能定义 1 重力势能 2 万有引力势能 r M m 等势面 3 弹性势能 质点的势能与位置坐标的关系可以用图线表示出来 势能曲线 重力势能 万有引力势能 弹性势能 E 势能零点 保守力的大小 由势能函数求保守力 由势能曲线求保守力 势能曲线上某点斜率的负值 就是该点对应的位置处质点所受的保守力 2 机械能守恒定律 对质点 机械能守恒定律 保守力所作的功A应为 质点在仅有保守力作功的条件下运动 由动能定理得 故有 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 4 机械能守恒定律只适用于惯性系 3 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 对一个孤立系统来说 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 电流通过电热器能发热 把电能又转换为热能 讨论 作业 1 将按照直角坐标系展开 2 在直角坐标系中计算1 2 3