《大學(xué)物理力學(xué)》課件

《大學(xué)物理力學(xué)》課程概述本課程旨在全面系統(tǒng)地介紹大學(xué)物理力學(xué)的基礎(chǔ)知識和概念。從經(jīng)典力學(xué)的基本原理出發(fā),深入探討牛頓力學(xué)、剛體力學(xué)、振動力學(xué)等重要內(nèi)容,并結(jié)合真實生活案例幫助學(xué)生理解和應(yīng)用相關(guān)原理。力學(xué)的基本概念物體和運動力學(xué)研究各種物體的平衡、運動與相互作用的規(guī)律。物體可以是剛體、液體或氣體,運動包括位置、速度、加速度的變化?；玖亢蛦挝涣W(xué)研究的基本量包括質(zhì)量、長度、時間、速度、力等,都有相應(yīng)的國際標準單位。準確定義和測量這些基本量是力學(xué)的基礎(chǔ)。參考系和坐標系描述物體運動需要建立參考系和坐標系,如地球坐標系、慣性坐標系等。選擇恰當?shù)膮⒖枷涤欣诜治鰡栴}。理想化假設(shè)為了簡化分析,力學(xué)常采用理想化假設(shè),如將物體視為質(zhì)點、忽略摩擦、將物體視為剛體等。這些假設(shè)幫助建立數(shù)學(xué)模型。矢量及其運算1矢量的概念矢量是既有大小又有方向的物理量,如位移、速度、加速度等。其運算需要考慮方向。2向量加法兩個矢量相加可以用平行四邊形法或三角形法,得到一個新的矢量。3標量乘法將一個矢量乘以一個標量可以得到一個新的矢量,其大小發(fā)生變化,方向可能發(fā)生變化。4向量點積和叉積向量點積可以得到一個標量,向量叉積可以得到一個新的矢量。牛頓運動定律第一定律物體如果受到的合外力為零,則它要么靜止不動,要么等速直線運動。這個定律闡述了慣性的概念。第二定律物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比,與物體質(zhì)量成反比。這個定律描述了力與加速度的關(guān)系。第三定律對于任何一對相互作用的物體而言,它們所施加在對方的力互為作用力和反作用力,大小相等方向相反。這個定律描述了力的相互作用。力的分類接觸力包括常見的摩擦力、彈力、牽引力等,需要物體之間直接接觸才能產(chǎn)生。場力如萬有引力、靜電力、磁力等,不需要物體直接接觸就能產(chǎn)生作用。慣性力當物體加速或減速時會產(chǎn)生慣性力,表現(xiàn)為離心力和彎曲力等。內(nèi)力物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元之間相互作用產(chǎn)生的力,如分子間的引力和斥力。摩擦力摩擦力的作用摩擦力可以阻礙物體的運動,也可以讓物體保持靜止狀態(tài),在日常生活中扮演著重要角色?；瑒幽Σ廉攦蓚€接觸面相對滑動時,物體表面之間會產(chǎn)生滑動摩擦力,阻礙物體的運動。靜摩擦力當一個物體處于靜止狀態(tài)時,會產(chǎn)生靜摩擦力,阻止物體開始運動。重力1引力定律任何兩個物體之間都存在著引力,大小與兩物體質(zhì)量成正比,與距離平方成反比。2重力加速度物體受到的重力加速度大小與地球質(zhì)量和位置有關(guān),通常取為9.8m/s2。3自由落體運動在真空中,物體受重力作用時會以恒定的重力加速度向下運動。4勢能物體受重力作用時會存在勢能,隨物體升高而增加,降低而減少。彈力恢復(fù)性彈力是物體遭受外力變形時產(chǎn)生的內(nèi)部力,當外力消失時物體會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。廣泛應(yīng)用彈力在日常生活和工業(yè)中廣泛應(yīng)用,如彈簧、橡皮筋、金屬制品等。遵循胡克定律彈力大小與物體的變形量成正比,稱為胡克定律,是物理學(xué)中重要的定律。離心力離心力的定義離心力是作用于運動物體上的一種慣性力，它是相對于運動物體而言的，與物體的實際運動方向相反。離心力的產(chǎn)生當物體做圓周運動時，離心力就會產(chǎn)生。離心力的大小與物體的質(zhì)量、速度和運動半徑有關(guān)。離心力的應(yīng)用離心力廣泛應(yīng)用于離心分離機、離心泵、離心風機等設(shè)備中。同時也是高速公路設(shè)計中的重要考慮因素。慣性力定義慣性力是一種由于物體的自身慣性而產(chǎn)生的力。當物體的狀態(tài)發(fā)生變化時，物體會產(chǎn)生一股與變化方向相反的力。特性慣性力是一種虛力，不存在實在的作用機制。它只是描述物體狀態(tài)變化時的表現(xiàn)效果。作用慣性力在很多日常生活中的現(xiàn)象中都可以觀察到,如汽車急剎車時乘客向前傾、旋轉(zhuǎn)木馬上的人向外飛馳等。應(yīng)用慣性力的認識對于理解和分析各種運動現(xiàn)象非常重要,是物理學(xué)中的基礎(chǔ)概念之一。靜力學(xué)力的平衡靜力學(xué)研究物體在力的作用下處于平衡狀態(tài)的條件和特征。通過分析物體上各種力的相互作用,可以確定物體的穩(wěn)定性和平衡狀態(tài)。受力分析靜力學(xué)的核心是分析物體受力情況,通過合力為零來確定物體的平衡狀態(tài)。這需要系統(tǒng)地考慮各種力的作用點、大小和方向。質(zhì)點平衡對于質(zhì)點而言,只要合力為零,物體就處于平衡狀態(tài)。這是靜力學(xué)分析的基礎(chǔ),可以推廣到更復(fù)雜的剛體系統(tǒng)。靜摩擦力摩擦力的定義靜摩擦力是兩個接觸表面之間的接觸阻力,阻礙相對運動發(fā)生。它的大小與接觸面積和表面粗糙度有關(guān)。靜摩擦力的方向靜摩擦力始終與相對運動的方向相反,以阻礙相對運動的發(fā)生。靜摩擦力的大小靜摩擦力的大小由牛頓第二定律決定,其最大值等于法線力乘以靜摩擦系數(shù)。滾動摩擦力定義滾動摩擦力是指物體在平面上滾動時,由于物體與地面之間的接觸而產(chǎn)生的摩擦力。它與滑動摩擦力不同,滾動摩擦力通常較小。產(chǎn)生原因滾動物體表面與地面之間存在微小的接觸變形,導(dǎo)致能量耗散,產(chǎn)生滾動摩擦力。這種摩擦力與接觸面積、材質(zhì)等有關(guān)。影響因素滾動物體的半徑、重量、滾動速度等都會影響滾動摩擦力的大小。一般來說,半徑越大、重量越輕、速度越慢,滾動摩擦力越小。應(yīng)用實例滾動摩擦力廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備,如輪胎、皮帶、滾珠軸承等,可以有效減少能量損耗。平衡條件1力的平衡當一物體受到多個力的作用時,如果這些力的合力為零,則該物體處于平衡狀態(tài)。2力矩平衡當一物體受到多個力矩作用時,如果這些力矩的代數(shù)和為零,則該物體處于平衡狀態(tài)。3支持反作用力當一物體受到支撐力或張力作用時,支持反作用力與這些力相等且方向相反。4重力平衡當一物體所受重力與支撐力或張力平衡時,該物體處于靜止或勻速直線運動。質(zhì)點的平面運動1勻速直線運動物體在同一直線上以恒定速度運動2勻加速直線運動物體在同一直線上以恒定加速度運動3拋物線運動在重力場中的物體運動軌跡為拋物線質(zhì)點的平面運動是指物體在二維平面內(nèi)的運動,包括勻速直線運動、勻加速直線運動以及拋物線運動。這些概念是理解更復(fù)雜的運動形式的基礎(chǔ)。通過分析質(zhì)點在二維平面內(nèi)的運動規(guī)律,我們可以更好地理解實際物理世界中的運動現(xiàn)象。變質(zhì)量系統(tǒng)質(zhì)量變化在變質(zhì)量系統(tǒng)中,物體的質(zhì)量并不保持不變,而是隨時間而發(fā)生變化。這種質(zhì)量變化通常是由于物體的失重或吸收物質(zhì)引起的。牛頓第二定律對于變質(zhì)量系統(tǒng),牛頓第二定律需要做相應(yīng)修改,考慮質(zhì)量的時間變化對加速度的影響。應(yīng)用實例變質(zhì)量系統(tǒng)的經(jīng)典應(yīng)用包括火箭發(fā)動機、噴氣式飛機、離心機等,這些都涉及物體質(zhì)量隨時間變化的情況。功和能量功的概念功是一個物理量,表示物體受力在移動過程中所做的工作。功的計算公式為F·s,其中F為施加的力,s為位移。動能定理動能定理表示,一個物體的動能變化量等于作用在它上的所有外力的功的總和。這反映了能量在運動過程中的變化規(guī)律。勢能概念勢能是物體所具有的由于位置或狀態(tài)而產(chǎn)生的能量。常見的勢能類型有重力勢能、彈性勢能等。物體的總能量由動能和勢能兩部分組成。功的原理功的定義功是指一個物體在受力作用下所做的機械工作。它等于力的大小乘以位移的大小。功的原理功的原理指當一個物體在受力作用下發(fā)生位移時,所做的功等于力的積分。這是描述機械能量轉(zhuǎn)化的基本定律。動能定理1動能的定義動能是一個物體因其質(zhì)量和速度而具有的能量。2動能定理動能定理表示一個物體的動能變化等于該物體受到的合外力做的功。3應(yīng)用動能定理在工程機械、交通工具、運動控制等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。勢能引力勢能質(zhì)點在引力場中所具有的勢能,取決于質(zhì)點的質(zhì)量和位置高度。越高的位置,引力勢能越大。彈性勢能當彈性物體發(fā)生形變時所儲存的勢能,取決于物體的形變量和彈性系數(shù)。電場中的電勢能電荷在電場中所具有的勢能,取決于電荷的大小和所處的電位高度。保守力系統(tǒng)保守力做的功僅依賴初末狀態(tài)，與路徑無關(guān)。能量在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化，總和保持不變。保守力產(chǎn)生的勢能取決于物體的位置,勢能函數(shù)是物體位置的單值函數(shù)。在保守力系統(tǒng)中,施加在物體上的總功等于物體的動能改變量。機械能原理能量守恒機械能原理表示在沒有外力做功的情況下，物體的總機械能(動能+位能)保持不變。這說明能量是可以轉(zhuǎn)換但不能創(chuàng)造或消失的。能量轉(zhuǎn)換物體在運動過程中，動能和位能之間會不斷轉(zhuǎn)換。當物體位置改變時，其位能發(fā)生變化，而動能相應(yīng)發(fā)生變化。應(yīng)用機械能原理廣泛應(yīng)用于力學(xué)分析中，為我們研究各種物體的運動及其規(guī)律提供了重要依據(jù)。動量及其守恒1動量的定義動量是物體的物理量,表示物體的運動狀態(tài),定義為質(zhì)量與速度的乘積。2動量守恒定律在一個封閉系統(tǒng)中,動量的總和在任何時刻都保持不變,這就是動量守恒定律。3動量守恒應(yīng)用動量守恒定律廣泛應(yīng)用于機械、航空航天、碰撞分析等各個領(lǐng)域。動量定理動量定義物體的動量是物體質(zhì)量與速度的乘積。動量代表物體的"運動量"，是描述物體運動狀態(tài)的重要物理量。動量守恒定律在沒有外力作用下，物體動量的變化等于物體所受合外力的積分。這就是動量定理，是描述物體運動規(guī)律的重要定律之一。動量應(yīng)用動量定理在物理學(xué)中有廣泛應(yīng)用,如研究碰撞過程中物體的運動規(guī)律,以及火箭發(fā)射、汽車碰撞等實際問題。碰撞概念解釋碰撞是兩個或多個物體在短時間內(nèi)發(fā)生接觸并產(chǎn)生作用力的物理過程。碰撞可以是彈性碰撞或非彈性碰撞。動量守恒碰撞過程中，系統(tǒng)的總動量在無外力作用下保持不變。這是動量守恒定律的表現(xiàn)。能量轉(zhuǎn)換在碰撞過程中,部分動能會轉(zhuǎn)化為其他形式的能量,如熱能或聲能。這種能量轉(zhuǎn)換取決于碰撞的性質(zhì)。應(yīng)用場景碰撞在日常生活和科技領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,如汽車撞擊測試、氣囊設(shè)計、電子元件的焊接等。角動量及其守恒角動量概念角動量是描述剛體或點質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)的重要物理量。它是質(zhì)量、速度和距離中心的距離的乘積。角動量守恒定律在無外力矩作用下，一個封閉系統(tǒng)的角動量保持不變。這是力學(xué)中的重要定律之一。應(yīng)用案例角動量守恒定律廣泛應(yīng)用于天體物理、航天器旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、陀螺儀等諸多領(lǐng)域。剛體的轉(zhuǎn)動剛體的轉(zhuǎn)動剛體在空間中任意一點的線速度，都與該點到轉(zhuǎn)軸的距離呈正比關(guān)系。剛體的轉(zhuǎn)動具有很強的規(guī)律性和可預(yù)測性。轉(zhuǎn)動慣量剛體的轉(zhuǎn)動慣量是決定其轉(zhuǎn)動慣性大小的重要物理量。不同形狀和質(zhì)量分布的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量也不盡相同。轉(zhuǎn)動動能剛體的轉(zhuǎn)動動能等于其轉(zhuǎn)動慣量與角速度的平方乘積的一半。轉(zhuǎn)動動能反映了剛體轉(zhuǎn)動的能力。剛體的平面運動基本概念剛體平面運動是指剛體在平面內(nèi)的運動。其中包括平移運動和轉(zhuǎn)動運動。平移運動保持剛體內(nèi)部點相對位置不變，而轉(zhuǎn)動運動則伴隨著剛體內(nèi)部點位置的變化。平移與轉(zhuǎn)動剛體平面運動可以分解為平移和轉(zhuǎn)動。平移是指剛體整體的位移,轉(zhuǎn)動則是剛體繞某一軸心的旋轉(zhuǎn)。通過分析這兩種運動,可以更好地理解剛體的整體運動。速度與角速度剛體平面運動的速度包括線速度和角速度。線速度描述剛體質(zhì)點的速度,而角速度描述剛體的旋轉(zhuǎn)速度。速度分析有助于研究剛體的整體運動規(guī)律。加速度與角加速度除了速度,剛體平面運動還涉及線加速度和角加速度。線加速度反映剛體質(zhì)點的加速度,而角加速度反映剛體繞軸心的旋轉(zhuǎn)加速度。第一定律牛頓第一定律物體的運動狀態(tài)只有在外力的作用下才會發(fā)生改變。未受外力作用的物體將保持靜止或勻速直線運動。慣性概念物體保持靜止或勻速直線運動的性質(zhì)即為慣性。慣性是物體自身固有的特性。外力作用只有當外力作用于物體時,物體的運動狀態(tài)才會發(fā)生變化。外力可以改變物體的速度大小和方向。第二定律牛頓力學(xué)第二定律物體所受合力等于物體質(zhì)量與加速度乘積。這一定律描述了力與運動的關(guān)系,為研究物體運動提供了重要