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大学物理课件第3章牛顿运动定律精要
第3章 牛顿运动定律Newton’s laws of motion 本章要点: 1. 牛顿运动定律的基本内容、相互关系、适用范围; 2.常见几种力的性质; 3.物理量的单位和量纲; 4.力学相对性原理; 5.牛顿定律的应用。 自然界中,物体都是在相互作用中运动的。物体的机械运动与物体之间的相互作用是什么关系?与物体本身性质有关吗?从本章开始,我们要研究这个问题。这就是动力学的内容。 本章主要论述质点运动的基本定律,即牛顿运动三定律,它是动力学的核心内容;在此基础上,可推导出许多力学规律。能否学好力学,主要取决于对本章内容的掌握程度。因此,要求同学们在深刻领会、切实理解牛顿运动定律及其数学表达式的含义和有关概念的同时,学会运用牛顿运动三定律研究各种具体力学问题。 3.1 牛顿运动定律Newton’s laws of motion 17世纪,近代科学的先驱者伽利略首创用实验方法研究力学问题,由此推论出:若消除摩擦力的影响,物体将无需依赖外力的不断推动,而永远保持其运动状态不变。 后来,牛顿对机械运动的规律作了审慎而又深入的研究,根据伽利略的上述思想和当时对某些力学规律的认识,总结成第一和第二定律。在惠更斯研究物体弹性碰撞的基础上,牛顿又提出表述作用力与反作用力关系的第三定律。最后牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中发表了这三条定律。 3.1.1 牛顿第一定律Newton’s first law of motion 按照古希腊哲学家亚里士多德的说法,静止是物体的自然状态,要使物体以某一速度作匀速运动,必须有力对它作用才行。在亚里士多德看来,这确实是真理。人们的确看到,在水平面上运动的物体最后都要趋于静止,从地面上抛出的石子最终都要落回地面。在亚里士多德以后的漫长岁月中,这个概念一直被许多哲学家和不少物理学家所接受。直到17世纪,意大利物理学家和天文学家伽利略指出,物体沿水平面滑动趋于静止的原因是有摩擦力作用在物体上的缘故。他从实验中总结出在略去摩擦力的情况下,如果没有外力作用,物体将以恒定的速度运动下去.力不是维持物体运动的原因,而是使物体运动状态改变的原因。牛顿继承和发展了伽利略的见解,并第一次用概括性的语言把它表达了出来。 牛顿第一定律表述为:任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直至其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。 3.1.2 牛顿第二定律 Newton’s second law of motion 3.1.3 牛顿第三定律Newton’s third law of motion 力是物体对物体的作用,当甲物对乙物施加力的作用的同时,也受到乙物对它施加方向相反的作用,因此,物体间的作用总是相互的,成对出现的。我们把两个物体间相互作用的这对相反的力叫做作用力和反作用力。它们遵从的规律就是牛顿第三定律,又叫作用力和反作用力定律。 1.定律的内容 两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在一条直线上的。 F=-F (3-3) ? 2.应用说明 (1).牛顿第三定律的成立与物体的运动状态无关。 (2).作用力和反作用力的性质: a.相对性:作用力和反作用力没有绝对意义,是相对而言的。我们可以把这一对力中任意一个叫做作用力,另一个力叫做反作用力。 b.同时性:作用力和反作用力同时产生,同时消失,同时变化。 c.同性性:作用力和反作用力是同一性质的力。 d.等大,反向,共线性:这是牛顿第三定律所揭示的。还要注意的是:无论相互作用的两物体的质量是相等,还是相差十分悬殊。它们间的相互作用力总是等大,反向,共线的。 e.不平衡性:作用力和反作用力虽然等大,反向,共线,但是因为不是作用在同一个物体上,不存在力的平衡问题,也就是它们不是一对平衡力。这里要注意的是:一对平衡力与一对作用力和反作用力,虽然具有等大,反向,共线性,但是平衡力是作用在同一物体上的,能平衡,且没有同时性和同性性。 (3).牛顿第三定律是用穷举法(或不完全归纳法),通过大量的实验归纳和总结得出的一条实验定律。 牛顿三个定律的表述、要点、相互关系及适用范围详见下表 3.2 常见力和基本力The normal and fundamental forces ? 自然界的相互作用可归结为四种基本相互作用,如下表3-2所示。 3.2.1 基本的自然力?3.2.1基本的自然力 The fundamental forces of nature 自然界只存在四种基本的力,其它的力都是这四种力的不同表现。 ? 1. 重力 由于地球的吸引,地球表面附近的物体受的力叫做重力。其大小就是物体的重量。质量为 的物体,所受重力为 F =mg
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