《大学物理力学》课件

《大学物理力学》课程概述本课程旨在全面系统地介绍大学物理力学的基础知识和概念从经典力学的基本原理出发,深入探讨牛顿力学、刚体力学、振动力学等重要内容,并结合真实生活案例帮助学生理解和应用相关原理力学的基本概念物体和运动基本量和单位参考系和坐标系理想化假设力学研究各种物体的平衡、运力学研究的基本量包括质量、描述物体运动需要建立参考系为了简化分析,力学常采用理动与相互作用的规律物体可长度、时间、速度、力等,都和坐标系,如地球坐标系、惯想化假设,如将物体视为质点以是刚体、液体或气体,运动有相应的国际标准单位准确性坐标系等选择恰当的参考、忽略摩擦、将物体视为刚体包括位置、速度、加速度的变定义和测量这些基本量是力学系有利于分析问题等这些假设帮助建立数学模化的基础型矢量及其运算矢量的概念向量加法12矢量是既有大小又有方向的物两个矢量相加可以用平行四边理量,如位移、速度、加速度等形法或三角形法,得到一个新的其运算需要考虑方向矢量标量乘法向量点积和叉积34将一个矢量乘以一个标量可以向量点积可以得到一个标量,向得到一个新的矢量,其大小发生量叉积可以得到一个新的矢量变化,方向可能发生变化牛顿运动定律第一定律第二定律第三定律物体如果受到的合外力为零,则它要么静止物体的加速度与作用在物体上的合外力成正对于任何一对相互作用的物体而言,它们所不动,要么等速直线运动这个定律阐述了比,与物体质量成反比这个定律描述了力施加在对方的力互为作用力和反作用力,大惯性的概念与加速度的关系小相等方向相反这个定律描述了力的相互作用力的分类接触力场力包括常见的摩擦力、弹力、牵引如万有引力、静电力、磁力等,不力等,需要物体之间直接接触才能需要物体直接接触就能产生作用产生惯性力内力当物体加速或减速时会产生惯性物体内部结构单元之间相互作用力,表现为离心力和弯曲力等产生的力,如分子间的引力和斥力摩擦力摩擦力的作用摩擦力可以阻碍物体的运动,也可以让物体保持静止状态,在日常生活中扮演着重要角色滑动摩擦当两个接触面相对滑动时,物体表面之间会产生滑动摩擦力,阻碍物体的运动静摩擦力当一个物体处于静止状态时,会产生静摩擦力,阻止物体开始运动重力引力定律重力加速度12任何两个物体之间都存在着引物体受到的重力加速度大小与力,大小与两物体质量成正比,地球质量和位置有关,通常取为与距离平方成反比

9.8m/s²自由落体运动势能34在真空中,物体受重力作用时会物体受重力作用时会存在势能,以恒定的重力加速度向下运动随物体升高而增加,降低而减少弹力恢复性广泛应用弹力是物体遭受外力变形时产生弹力在日常生活和工业中广泛应的内部力,当外力消失时物体会恢用,如弹簧、橡皮筋、金属制品等复到原来的状态遵循胡克定律弹力大小与物体的变形量成正比,称为胡克定律,是物理学中重要的定律离心力离心力的定义离心力的产生离心力的应用离心力是作用于运动物体上的一种惯性力，当物体做圆周运动时，离心力就会产生离离心力广泛应用于离心分离机、离心泵、离它是相对于运动物体而言的，与物体的实际心力的大小与物体的质量、速度和运动半径心风机等设备中同时也是高速公路设计中运动方向相反有关的重要考虑因素惯性力定义特性作用应用惯性力是一种由于物体的自身惯性力是一种虚力，不存在实惯性力在很多日常生活中的现惯性力的认识对于理解和分析惯性而产生的力当物体的状在的作用机制它只是描述物象中都可以观察到,如汽车急各种运动现象非常重要,是物态发生变化时，物体会产生一体状态变化时的表现效果刹车时乘客向前倾、旋转木马理学中的基础概念之一股与变化方向相反的力上的人向外飞驰等静力学力的平衡受力分析质点平衡静力学研究物体在力的作用下处于平衡状态静力学的核心是分析物体受力情况,通过合对于质点而言,只要合力为零,物体就处于平的条件和特征通过分析物体上各种力的相力为零来确定物体的平衡状态这需要系统衡状态这是静力学分析的基础,可以推广互作用,可以确定物体的稳定性和平衡状态地考虑各种力的作用点、大小和方向到更复杂的刚体系统静摩擦力摩擦力的定义静摩擦力是两个接触表面之间的接触阻力,阻碍相对运动发生它的大小与接触面积和表面粗糙度有关静摩擦力的方向静摩擦力始终与相对运动的方向相反,以阻碍相对运动的发生静摩擦力的大小静摩擦力的大小由牛顿第二定律决定,其最大值等于法线力乘以静摩擦系数滚动摩擦力定义产生原因影响因素应用实例滚动摩擦力是指物体在平面上滚动物体表面与地面之间存在滚动物体的半径、重量、滚动滚动摩擦力广泛应用于各种机滚动时,由于物体与地面之间微小的接触变形,导致能量耗速度等都会影响滚动摩擦力的械设备,如轮胎、皮带、滚珠的接触而产生的摩擦力它与散,产生滚动摩擦力这种摩大小一般来说,半径越大、轴承等,可以有效减少能量损滑动摩擦力不同,滚动摩擦力擦力与接触面积、材质等有关重量越轻、速度越慢,滚动摩耗通常较小擦力越小平衡条件力的平衡力矩平衡12当一物体受到多个力的作用时,如果这些力的合力为零,则该当一物体受到多个力矩作用时,如果这些力矩的代数和为零,物体处于平衡状态则该物体处于平衡状态支持反作用力重力平衡34当一物体受到支撑力或张力作用时,支持反作用力与这些力相当一物体所受重力与支撑力或张力平衡时,该物体处于静止或等且方向相反匀速直线运动质点的平面运动匀速直线运动1物体在同一直线上以恒定速度运动匀加速直线运动2物体在同一直线上以恒定加速度运动抛物线运动3在重力场中的物体运动轨迹为抛物线质点的平面运动是指物体在二维平面内的运动,包括匀速直线运动、匀加速直线运动以及抛物线运动这些概念是理解更复杂的运动形式的基础通过分析质点在二维平面内的运动规律,我们可以更好地理解实际物理世界中的运动现象变质量系统质量变化牛顿第二定律在变质量系统中,物体的质量并不对于变质量系统,牛顿第二定律需保持不变,而是随时间而发生变化要做相应修改,考虑质量的时间变这种质量变化通常是由于物体化对加速度的影响的失重或吸收物质引起的应用实例变质量系统的经典应用包括火箭发动机、喷气式飞机、离心机等,这些都涉及物体质量随时间变化的情况功和能量功的概念动能定理势能概念功是一个物理量,表示物体受力在移动过程动能定理表示,一个物体的动能变化量等于势能是物体所具有的由于位置或状态而产生中所做的工作功的计算公式为F·s,其中F作用在它上的所有外力的功的总和这反映的能量常见的势能类型有重力势能、弹性为施加的力,s为位移了能量在运动过程中的变化规律势能等物体的总能量由动能和势能两部分组成功的原理功的定义功的原理功是指一个物体在受力作用下所做的机械工作它等于力的大小功的原理指当一个物体在受力作用下发生位移时,所做的功等于力乘以位移的大小的积分这是描述机械能量转化的基本定律动能定理动能的定义动能定理12动能是一个物体因其质量和速动能定理表示一个物体的动能度而具有的能量变化等于该物体受到的合外力做的功应用3动能定理在工程机械、交通工具、运动控制等领域都有广泛应用势能引力势能弹性势能电场中的电势能质点在引力场中所具有的势能,取决于质点当弹性物体发生形变时所储存的势能,取决电荷在电场中所具有的势能,取决于电荷的的质量和位置高度越高的位置,引力势能于物体的形变量和弹性系数大小和所处的电位高度越大保守力系统保守力做的功仅依赖初末状态，与路径无关保守力产生的势能取决于物体的位置,势能在保守力系统中,施加在物体上的总功等于能量在系统内转化，总和保持不变函数是物体位置的单值函数物体的动能改变量机械能原理能量守恒能量转换机械能原理表示在没有外力做功物体在运动过程中，动能和位能的情况下，物体的总机械能动能之间会不断转换当物体位置改+位能保持不变这说明能量是变时，其位能发生变化，而动能可以转换但不能创造或消失的相应发生变化应用机械能原理广泛应用于力学分析中，为我们研究各种物体的运动及其规律提供了重要依据动量及其守恒动量的定义动量守恒定律12动量是物体的物理量,表示物体在一个封闭系统中,动量的总和的运动状态,定义为质量与速度在任何时刻都保持不变,这就是的乘积动量守恒定律动量守恒应用3动量守恒定律广泛应用于机械、航空航天、碰撞分析等各个领域动量定理动量定义动量守恒定律动量应用物体的动量是物体质量与速度的乘积动量在没有外力作用下，物体动量的变化等于物动量定理在物理学中有广泛应用,如研究碰代表物体的运动量，是描述物体运动状态体所受合外力的积分这就是动量定理，是撞过程中物体的运动规律,以及火箭发射、的重要物理量描述物体运动规律的重要定律之一汽车碰撞等实际问题碰撞概念解释动量守恒能量转换应用场景碰撞是两个或多个物体在短时碰撞过程中，系统的总动量在在碰撞过程中,部分动能会转碰撞在日常生活和科技领域中间内发生接触并产生作用力的无外力作用下保持不变这是化为其他形式的能量,如热能广泛应用,如汽车撞击测试、物理过程碰撞可以是弹性碰动量守恒定律的表现或声能这种能量转换取决于气囊设计、电子元件的焊接等撞或非弹性碰撞碰撞的性质角动量及其守恒角动量概念角动量是描述刚体或点质量系统旋转运动状态的重要物理量它是质量、速度和距离中心的距离的乘积角动量守恒定律在无外力矩作用下，一个封闭系统的角动量保持不变这是力学中的重要定律之一应用案例角动量守恒定律广泛应用于天体物理、航天器旋转稳定、陀螺仪等诸多领域刚体的转动刚体的转动转动惯量转动动能刚体在空间中任意一点的线速度，都与刚体的转动惯量是决定其转动惯性大小刚体的转动动能等于其转动惯量与角速该点到转轴的距离呈正比关系刚体的的重要物理量不同形状和质量分布的度的平方乘积的一半转动动能反映了转动具有很强的规律性和可预测性刚体，其转动惯量也不尽相同刚体转动的能力刚体的平面运动基本概念平移与转动速度与角速度加速度与角加速度刚体平面运动是指刚体在平面刚体平面运动可以分解为平移刚体平面运动的速度包括线速除了速度,刚体平面运动还涉内的运动其中包括平移运动和转动平移是指刚体整体的度和角速度线速度描述刚体及线加速度和角加速度线加和转动运动平移运动保持刚位移,转动则是刚体绕某一轴质点的速度,而角速度描述刚速度反映刚体质点的加速度,体内部点相对位置不变，而转心的旋转通过分析这两种运体的旋转速度速度分析有助而角加速度反映刚体绕轴心的动运动则伴随着刚体内部点位动,可以更好地理解刚体的整于研究刚体的整体运动规律旋转加速度置的变化体运动第一定律牛顿第一定律物体的运动状态只有在外力的作用下才会发生改变未受外力作用的物体将保持静止或匀速直线运动惯性概念物体保持静止或匀速直线运动的性质即为惯性惯性是物体自身固有的特性外力作用只有当外力作用于物体时,物体的运动状态才会发生变化外力可以改变物体的速度大小和方向第二定律牛顿力学第二定律加速度与合力的关系重力加速度测量物体所受合力等于物体质量与加速度乘积物体的加速度方向与合力方向一致,且加速通过测量垂直下落物体的加速度,可以确定这一定律描述了力与运动的关系,为研究物度大小与合力成正比这一关系对于分析和重力加速度的大小这是理解和应用第二定体运动提供了重要依据预测物体运动轨迹至关重要律的基础第三定律作用力与反作用力例子说明作用力和反作用力是相互作用的举例来说,地球对物体的引力和物两个力,它们大小相等,方向相反,体对地球的引力大小相等,方向相作用在不同的物体上反动量守恒第三定律体现了动量守恒的原理,即作用力和反作用力的动量大小相等,方向相反。