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第2章 牛顿运动定律 上图为安装在纽约联合国总部的傅科摆 本章内容 2. 1 牛顿运动三定律 2. 2 力学中常见的几种力 2. 3 牛顿运动定律的应用 2. 4 牛顿运动定律的适用范围 2.1 牛顿运动三定律 任何质点都保持静止或匀速直线运动状态，直到其它物体作用的力迫使它改变这种状态为止。 第一定律引进了二个重要概念 惯性 —— 质点不受力时保持静止或匀速直线运动状态的的性质,其大小用质量量度。 力 —— 使质点改变运动状态的原因 质点处于静止或匀速直线运动状态时： ( 静力学基本方程 ) 一. 牛顿第一定律 ? ? 二. 牛顿第二定律 某时刻质点动量对时间的变化率正比与该时刻作用在质点上所有力的合力。 取适当的单位，使 k =1 ，则有 当物体的质量不随时间变化时 直角坐标系下为 ? 讨论 (1) 第二定律只适用于质点的运动情况 自然坐标下 物体在运动中质量有所增减,如火箭、雨滴问题。 高速（v 106 m/s ) 运动中,质量与运动速度相关,如相对论效应问题。 (2) 以下两种情况下，质量不能当常量 ? ? ? 三. 牛顿第三定律 第三定律揭示了力的两个性质 成对性 —— 物体之间的作用是相互的。 同时性 —— 相互作用之间是相互依存，同生同灭。 当物体 A 以力 作用于物体 B 时，物体 B 也同时以力 作用于物体 A 上， 和 总是大小相等，方向相反， 且在同一直线上。 ? ? 讨论 第三定律是关于力的定律，它适用于接触力。对于非接触的两个物体间的相互作用力，由于其相互作用以有限速度传播，存在延迟效应。 2.2 力学中常见的几种力 一. 万有引力 质量为 m1、m2 ，相距为 r 的两质点间的万有引力大小为 用矢量表示为 说明 (1) 依据万有引力定律定义的质量叫引力质量，常见的用天平称量物体的质量，实际上就是测引力质量；依据牛顿第二定律定义的质量叫惯性质量。实验表明：对同一物体来说，两种质量总是相等。 如图所示，一质点m 旁边放一长度为L 、质量为M 的杆，杆离质点近端距离为l 。 解 例 该系统的万有引力大小。 求 当 l L 时 (2) 万有引力定律只直接适用于两质点间的相互作用 杆与质点间的万有引力大小为 质点与质量元间的万有引力大小为 (3) 重力是地球对其表面附近物体万有引力的分力 为物体所处的地理纬度角 设地球半经为R ，质量为M ，物体质量为m ，考虑地球自转后物体重力为 二. 弹性力 当两宏观物体有接触且发生微小形变时，形变的物体对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫弹性力 。 ? 在形变不超过一定限度内，弹簧的弹性力 遵从胡克定律 ? 绳子在受到拉伸时，其内部也同样出现弹性张力。 ? 无形变，无弹性力 设绳子MN 两端分别受到的拉力为 和 。 M N P 想象把绳子从任意点P 切开，使绳子分成MP 和NP 两段， 其间的作用力大小T 叫做绳子在该点P 的张力。如图所示。 设绳子以垂直加速度 运动，绳子质量线密度为 ?， 则其上任一小段 ? l 满足下列方程 ? l 由方程看出：一般情况下，绳子上各处的张力大小是不相等的，但在绳子的质量可以忽略不计时，绳子上各处的张力相等。 ? 四. 摩擦力 当两相互接触的物体彼此之间保持相对静止，且沿接触面有相对运动趋势时，在接触面之间会产生一对阻止上述运动趋势的力，称为静摩擦力。 1. 静摩擦力 说明 静摩擦力的大小随引起相对运动趋势的外力而变化。最大静摩擦力为 fmax=μ0 N 2. 滑动摩擦力 两物体相互接触，并有相对滑动时，在两物体接触处出现的相互作用的摩擦力，称为滑动摩擦力。 ( μ0 为最大静摩擦系数，N 为正压力) ( μ 为滑动摩擦系数) 3. 物体运动时的流体阻力 当物体穿过液体或气体运动时，会受到流体阻力，该阻力与运动物体速度方向相反，大小随速度变化。 (1) 当物体速度不太大时，流体为层流，阻力主要由流体的粘滞性产生。这时流体阻力与物体速率成正比。 (2) 当物体穿过流体的速率超过某限度时（低于声速），流体出现旋涡，这时流体阻力与物体速率的平方成正比。 (3) 当物体与流体的相对速度提高到接近空气中的声速时， 这时流体阻力将迅速增大。 2.3 牛顿运动定律的应用 一. 微分问题 例 解 二 . 积分问题 求 物体受到的力 已知一物体的质量为 m , 运动方程为 已知运动状态，求质点受到的合力 已知质点受到的合力 ，求运动状态。 与质点运动学相似，质点动力学问题大体可分为两类问题。 设一高速运动的带电粒子沿竖直方向以 v0 向上运动，从时刻 t = 0 开始粒子受到 F =F0 t 水平力的作用，F0 为常量，粒子质量为 m 。 水平方向有 例 解 粒子