人教版高中物理必修1第四章 牛頓運(yùn)動定律1 牛頓第一定律 課件(5).ppt

2 1牛頓運(yùn)動定律 牛頓第一定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 一個(gè)物體 如果不受其它物體作用 或所受合力為零 則它將保持靜止或作勻速直線運(yùn)動 這就是牛頓第一定律 該定律的最初表述是伽利略提出的 后經(jīng)笛卡爾改進(jìn) 牛頓使之進(jìn)一步完善 關(guān)于第一定律 有下列幾點(diǎn)需要說明 1 慣性定律是不能直接用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格地驗(yàn)證的 它是理想化抽象思維的產(chǎn)物 我們不妨改用下列較為現(xiàn)代化的說法來表述慣性定律 自由粒子永遠(yuǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動的狀態(tài) 2 第一定律提出了力和慣性這兩個(gè)重要概念 牛頓第一定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 3 第一定律是大量觀察與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的抽象與概括 4 第一定律定義了一類重要的參考系 慣性系 牛頓第一定律的意義 一定存在這樣的參考系 在該系中 所有不受力的物體都保持自己的速度不變 這類參考系 稱為慣性參考系 或稱慣性系 即 慣性定律斷言 慣性系一定存在 5 慣性不是個(gè)別物體的性質(zhì) 而是參考系的性質(zhì) 或者說 是時(shí)空的性質(zhì) 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 運(yùn)動的變化與所加的動力成正比 并發(fā)生在所加的力的那個(gè)直線方向上 這就是牛頓第二定律 該定律的主要思想在伽利略對拋體和斜面運(yùn)動的分析中已有體現(xiàn) 牛頓將其總結(jié)為定律 關(guān)于第二定律 有下列幾點(diǎn)需要說明 1 第二定律的數(shù)學(xué)表述為 其中F是物體所受的作用力 m是慣性質(zhì)量 在牛頓力學(xué)的范圍內(nèi) 它是常量 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 質(zhì)量的單位是千克 千克的標(biāo)準(zhǔn)是保存在巴黎國際計(jì)量局中的一個(gè)鉑銥圓柱體 在原子尺度上 利用原子質(zhì)量單位 用12C作它的標(biāo)準(zhǔn) 國際協(xié)議規(guī)定12C的原子質(zhì)量精確地等于12個(gè)原子質(zhì)量單位 原子質(zhì)量單位與千克的關(guān)系為1原子質(zhì)量單位 千克 我們這里定義的質(zhì)量是用來描述物體的慣性大小的 所以我們又稱它為慣性質(zhì)量 有了質(zhì)量的單位 我們可以定義力的單位為牛頓 定義為 1牛頓 1千克 1米 秒2 2 質(zhì)量m和力F的定義 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 3 質(zhì)量m是絕對量 由于 同一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在不同的慣性系中 a F不變 故m不變 于是在牛頓力學(xué)中 是絕對量 與時(shí)間的選取無關(guān) 與坐標(biāo)系的選取無關(guān) 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 4 質(zhì)量具有可加性 理由 不是來自于牛頓第二定律 而是來自實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn) 在足夠光滑的水平平面上 如圖所示 我們做三個(gè)實(shí)驗(yàn) 物體A 質(zhì)量mA 與一彈簧相連 把彈簧拉到長L 然后釋放物體A 在彈簧的牽動下 A作加速運(yùn)動 測量出開始時(shí)刻的加速度aA 用上述彈簧與物體B相連 仍拉長到L 測出釋放時(shí)刻的加速度aB 仍是上述彈簧 拉長到L 和捆綁在一起的A B相連 測出釋放時(shí)刻的加速度aAB 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 4 質(zhì)量具有可加性 如果 則 而aA aB aAB都可以測量 如上式滿足 則質(zhì)量有可加性 實(shí)驗(yàn)表明 在宏觀低速運(yùn)動時(shí) 質(zhì)量具有可加性 牛頓第二定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 5 第二定律適用的參考系是慣性系 6 第二定律是矢量式 因而力是矢量 7 第二定律是瞬時(shí)關(guān)系式 8 第二定律中的各量可直接測定 因而所給出的預(yù)言是明確的 可以用實(shí)驗(yàn)證偽 牛頓第三定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它對抗 或者說 兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)大小相等 方向相反 數(shù)學(xué)表達(dá)式 這就是牛頓第三定律 從動力學(xué)角度看 有了前兩個(gè)定律已經(jīng)完整了 牛頓第三定律是關(guān)于力的性質(zhì)的定律 而不是動力學(xué)本身的定律 它是牛頓獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的 關(guān)于牛頓第三定律 有下列幾點(diǎn)需要說明 作用力與反作用力性質(zhì)相同 譬如都為萬有引力 電磁力 彈性力等 2 作用力與反作用力作用在兩個(gè)物體上 永遠(yuǎn)不會相互抵消 牛頓第三定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 3 適用范圍 由于第三定律不涉及運(yùn)動 因而它與第一 第二定律不同 并不要求參考系是慣性系 牛頓第三定律 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 對于接觸力 第三定律總是正確的 對于非接觸力 第三定律則不一定正確 作用力與反作用力相等而反向是以力的傳遞不需要時(shí)間即傳遞速度為無限大為前提的 這是牛頓的超距作用的觀點(diǎn) 如果力的傳遞速度是有限的 作用與反作用就不一定相等 設(shè)想物體A靜止不動 另一物體以一定速度向右運(yùn)動 t時(shí)刻它在B點(diǎn) t 時(shí)刻它在B 點(diǎn) 如圖 如果力的傳遞速度有限 當(dāng)它處在圖中B 點(diǎn)時(shí) 它在時(shí)刻t對A的作用力剛傳到A物體上 方向向下 而物體受到物體A的作用力則指向左上方 這是因?yàn)槲矬wA靜止不動 它的作用早已傳到空間各處 故 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 2 3動力學(xué)問題的求解 動力學(xué)的典型問題大致可以歸結(jié)為以下三類 已知質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況 求其他物體施于該質(zhì)點(diǎn)的作用力 即研究質(zhì)點(diǎn)何以作這種運(yùn)動 已知其它物體施于這質(zhì)點(diǎn)的作用力 求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動情況 已知質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動情況與所受力的某些方面 求質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動情況與所受力的未知方面 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 綜上所述 求解質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)問題的步驟為 隔離物體 如果所討論的問題多于一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 可以把幾個(gè)物體分別隔離出來 對每個(gè)物體分別加以討論 受力分析 采用圖示方法把質(zhì)點(diǎn)受到的力 主動力與約束力 全部示于圖中 不得遺漏 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 運(yùn)動分析 對質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動分析是十分必要的 必要的運(yùn)動分析 加上正確的受力分析 提供了給出動力學(xué)方程的前提條件 選定坐標(biāo)系 列出方程 動力學(xué)方程是矢量方程 為了算出結(jié)果 一般應(yīng)寫出分量方程 方程求解 討論 對分量方程進(jìn)行數(shù)學(xué)求解 必須注意結(jié)果的合理性 給出必要的討論 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 例 豎直上拋物體最小應(yīng)具有多大速度v0才不再落回地面 不計(jì)空氣阻力 已知引力正比于1 x2 x是物體到地心的距離 解 由于物體只受萬有引力作用 引力的方向指向地心 初速度的方向與之相反 這是直線運(yùn)動 只須取一維坐標(biāo) 很自然以地球?yàn)閰⒖枷?如圖建立坐標(biāo)系 初始條件 t 0時(shí) x R dx dt v0 列出運(yùn)動方程為 注意該方程的特點(diǎn)是并不顯含時(shí)間t 而題目也沒有要求我們?nèi)デ笞鴺?biāo)和時(shí)間的關(guān)系x t 而只有當(dāng)上拋的物體在某一時(shí)刻速度變?yōu)榱愫?才有可能落回地面 故只須知道速度是否可能變?yōu)榱慵纯?無需求解x t 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 將上述方程兩邊同乘以dx 可得 利用初始條件積分得 若 v 0時(shí) 物體這時(shí)折回而向地面降落 若 則永遠(yuǎn)有v 0 物體永遠(yuǎn)向上運(yùn)動 不再回到地球 所以豎直上拋物體若要不回地球 它的初速v0最小應(yīng)為 第二宇宙速度 逃逸速度 史瓦西與黑洞 蟲洞 雙星 2 4力學(xué)相對性原理和伽利略變換 力學(xué)相對性原理 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 一切慣性系在力學(xué)上都是等價(jià)的 在任何慣性系中 力學(xué)定律具有相同的形式 以上兩種描述意義是相同的 這稱為力學(xué)相對性原理 這里所說的 一切慣性系在力學(xué)上都是等價(jià)的 并不是說人們在不同的慣性系中所看到的現(xiàn)象都一樣 比如在火車上的自由落體運(yùn)動 站臺上的觀察者看來 物體做的是平拋運(yùn)動 一切慣性系在力學(xué)上都是等價(jià)的 這句話的意義是 不同慣性系中的動力學(xué)規(guī)律 如牛頓的三個(gè)定律 都一樣 從而都能正確地解釋所看到的現(xiàn)象 時(shí)間和空間的絕對性 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 當(dāng)考慮兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換時(shí) 不隨之而變的量稱為絕對量 考慮兩個(gè)相互運(yùn)動的參考系K和K 牛頓認(rèn)為 即時(shí)間間隔和空間間隔不隨坐標(biāo)系的選取而改變 特別地 若選取兩坐標(biāo)系的基矢 則有 這稱為時(shí)間和空間的絕對性 時(shí)間和空間的絕對性 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 牛頓的絕對時(shí)空觀 滿足牛頓絕對時(shí)空觀的坐標(biāo)變換 伽利略變換 伽利略變換 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 考慮兩個(gè)相互作勻速直線運(yùn)動的參考系K和K 設(shè)它們具有相同的坐標(biāo)基矢 如圖 由于時(shí)間和空間的絕對性 有 設(shè)t0 0 且當(dāng)t0時(shí)刻 兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合 K 系相對于K系以速度u勻速運(yùn)動 即 于是 這稱為伽利略變換 伽利略變換 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 伽利略變換 分量形式為 由于 可得 伽利略變換 第二章質(zhì)點(diǎn)動力學(xué) 結(jié)論 兩個(gè)相互作勻速直線運(yùn)動的參考系具有相同的加速度 這就導(dǎo)致如果牛頓第一定律在K系中成立 則在K 系中也成立的結(jié)論 在牛頓力學(xué)范圍內(nèi) 物體的質(zhì)量是不變量 而力的定律中 力幾乎都表現(xiàn)為物體相對位置的函數(shù)或相對速度的函數(shù) 相對位置和相對速度在伽利略變換下又是不變的 所以 F m a各量在不同的慣性系中保持不變 這就導(dǎo)致牛頓第二定律在任何慣性系中具有相同形式的結(jié)論 即伽利略變換與力學(xué)相對性原理是一致的 通常所謂的伽利略變換正是指兩個(gè)慣性系之間的坐標(biāo)變換 將力學(xué)的相對性原理推廣到更一般的相對性原理 在任何慣性系中 物理學(xué)定律具有相同的形式 即不僅力學(xué)定律 所有的物理學(xué)定律 包括電磁的定律等 都具有相同的形式 這