《物理学基础课件：力学与牛顿定律》

物理学基础课件经典力学与牛顿定律欢迎来到经典力学与牛顿定律的基础课程本课程将带您深入了解经典力学，探索牛顿定律的奥秘从质点、参考系等基本概念入手，逐步掌握匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动等运动形式的描述与分析理解惯性、力与加速度的关系、作用力与反作用力等核心概念，并掌握其应用深入学习圆周运动、功、功率、动能、势能、机械能守恒定律等重要内容了解碰撞、动量守恒定律、简谐运动等复杂概念，并探讨经典力学的局限性以及与现代物理学的联系通过本课程的学习，您将建立扎实的力学基础，为进一步学习物理学奠定坚实的基础课程概述经典力学的重要性基础性广泛应用思维训练经典力学是物理学的基础，它为我们理经典力学广泛应用于工程、天文学、地学习经典力学有助于培养逻辑思维、分解宏观物体的运动规律提供了基本框架球物理学等领域从桥梁设计到卫星轨析问题和解决问题的能力通过对力学学习经典力学是理解更高级物理概念道计算，都离不开经典力学的理论支持问题的分析，可以提高科学素养的必要前提学习目标理解牛顿定律掌握牛顿三大定律应用牛顿定律解决问题12理解惯性定律、力与加速度的能够运用牛顿定律分析和解决关系、作用力与反作用力定律简单的力学问题，如滑块运动的物理意义，并能够用数学公、连接体问题等式表达理解牛顿定律的局限性3了解牛顿定律在高速运动和微观领域失效的情况，为学习相对论和量子力学打下基础参考书籍与资源大学物理学力学教程可汗学院物理是高等院校普遍使用的经典教材，内对力学基本概念和理论有深入的剖析提供免费的在线视频课程，内容涵盖容全面，讲解详细，适合进阶学习经典力学的各个方面物理学发展简史古代物理学1古希腊的亚里士多德提出了关于运动和力的初步概念，但缺乏实验验证经典力学2牛顿建立了经典力学体系，奠定了现代物理学的基础现代物理学3爱因斯坦提出了相对论，量子力学发展迅速，物理学进入了新的时代力学体系的建立伽利略的贡献通过实验研究自由落体运动，提出了惯性概念的雏形牛顿的综合在伽利略等人的基础上，总结出牛顿三大定律，建立了完整的力学体系后人的发展拉格朗日、哈密顿等人对经典力学进行了数学形式上的改进，使其更加完善牛顿的生平与贡献万有引力定律微积分光学研究牛顿发现了万有引力定牛顿发明了微积分，为牛顿对光学进行了深入律，解释了行星运动的物理学研究提供了强大研究，发现了光的色散原因的数学工具现象经典力学的适用范围低速运动2当物体运动速度远小于光速时，经典力学是适用的宏观物体1适用于描述宏观物体的低速运动惯性参考系在惯性参考系中，牛顿定律才能准确描3述物体的运动需要注意的是，在高速运动和微观领域，经典力学不再适用，需要使用相对论和量子力学基本概念质点与参考系质点参考系质点是忽略物体的大小和形状，只保留质量的理想模型当物体参考系是描述物体运动时所选取的标准选取不同的参考系，对的大小对研究问题的影响可以忽略不计时，可以将其视为质点物体运动的描述也会不同通常选取地面作为参考系位置、速度、加速度的定义位置速度12位置是物体在空间中的坐标，速度是描述物体运动快慢和方用于确定物体的位置向的物理量，等于位移与时间的比值加速度3加速度是描述物体速度变化快慢的物理量，等于速度变化量与时间的比值速度与加速度的矢量性矢量标量矢量是既有大小又有方向的物理标量只有大小，没有方向，如质量，如速度、加速度、力等量、时间、温度等运算规则矢量的运算遵循平行四边形法则或三角形法则，与标量的运算规则不同运动的描述位移与路程位移1位移是物体位置的变化，是从初位置指向末位置的有向线段，是矢量路程2路程是物体运动轨迹的长度，是标量区别与联系3在单向直线运动中，位移的大小等于路程；在曲线运动中，位移的大小一般小于路程匀速直线运动定义物体沿直线运动，且速度大小和方向均不发生变化特点加速度为零，速度恒定公式s=vt，其中s为位移，v为速度，t为时间匀变速直线运动定义公式图像物体沿直线运动，且加v=v0+at，s=v0t+v-t图像为一条倾斜的直速度大小和方向均不发1/2at^2，v^2-v0^2=线，斜率表示加速度生变化2as，其中v0为初速度，v为末速度，a为加速度，s为位移，t为时间自由落体运动特点2初速度为零，加速度为重力加速度g，方向竖直向下定义1物体只在重力作用下从静止开始下落的公式运动v=gt，h=1/2gt^2，其中v为速度，h3为下落高度，g为重力加速度，t为时间抛体运动的分析水平方向竖直方向运动的合成与分解匀速直线运动，速度恒定匀变速直线运动，加速度为重力加速度g将抛体运动分解为水平方向和竖直方向的两个分运动进行分析第一定律惯性定律内容意义12任何物体都要保持匀速直线运揭示了物体具有保持原有运动动或静止状态，直到外力迫使状态的性质，即惯性它改变这种状态为止惯性参考系3惯性定律只在惯性参考系中才成立惯性的概念与应用定义质量惯性是物体保持原有运动状态的质量是物体惯性大小的量度，质性质量越大，惯性越大应用惯性被广泛应用于交通运输、生产制造等领域，如利用惯性进行刹车、加速等理解惯性的实验拉动纸条1快速拉动纸条，纸条上的物体由于惯性保持静止急刹车2车辆急刹车时，乘客由于惯性向前倾倒抛硬币3在匀速行驶的火车上向上抛硬币，硬币会落回原处第二定律力与加速度的关系内容物体的加速度跟物体所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同公式F=ma，其中F为合力，m为质量，a为加速度意义揭示了力是改变物体运动状态的原因力的单位牛顿（）N定义换算重力使质量为1千克的物体1N=1kg·m/s^2地球对物体的吸引力称产生1米/秒^2加速度的为重力，重力的大小可力，定义为1牛顿以用牛顿作为单位来衡量合力的计算力的合成与分解力的分解2将一个力分解为多个分力，通常分解为力的合成互相垂直的两个分力1将多个力等效为一个力，这个力称为合力平行四边形法则3力的合成与分解遵循平行四边形法则第三定律作用力与反作用力内容特点意义两个物体之间的作用力和反作用力总是作用力与反作用力分别作用在两个不同揭示了力是物体之间的相互作用大小相等，方向相反，作用在同一条直的物体上线上作用力与反作用力的性质大小相等方向相反12作用力与反作用力的大小总是作用力与反作用力的方向总是相等的相反的作用在不同物体上3作用力与反作用力分别作用在两个不同的物体上，不能相互抵消理解作用力与反作用力的例子人走路火箭发射人对地面施加向后的力，地面对火箭对喷出的气体施加向下的力人施加向前的力，气体对火箭施加向上的力磁铁吸引铁块磁铁对铁块施加吸引力，铁块对磁铁施加吸引力牛顿定律的应用简单力学问题受力分析1分析物体所受的各种力，并画出受力图建立坐标系2根据受力情况，建立合适的坐标系列方程3根据牛顿定律列出方程，求解未知量滑块在斜面上的运动受力分析重力、支持力、摩擦力建立坐标系通常将坐标系沿斜面方向和垂直于斜面方向建立列方程根据牛顿定律列出方程，求解加速度和速度连接体问题整体法隔离法方程将整个系统视为一个整将每个物体单独隔离出根据牛顿定律列出方程体，分析整体的受力情来，分析每个物体的受，求解未知量况和运动情况力情况和运动情况静摩擦力与动摩擦力动摩擦力2物体处于运动状态时，受到的摩擦力称为动摩擦力静摩擦力1物体处于静止状态时，受到的摩擦力称为静摩擦力滑动摩擦力公式f=μN，其中f为动摩擦力，μ为动摩擦3因数，N为正压力摩擦力的影响因素正压力接触面粗糙程度材料摩擦力与正压力成正比接触面越粗糙，摩擦力越大不同材料之间的摩擦力不同理解摩擦力的应用与危害应用危害12行走、刹车、传送带等都利用机器零件磨损、能量损耗等都了摩擦力是摩擦力带来的危害减小摩擦力3润滑、使用滚珠轴承等可以减小摩擦力圆周运动的基本概念定义匀速圆周运动物体沿圆形轨迹运动的运动物体以恒定的速率沿圆形轨迹运动线速度物体沿圆周运动的瞬时速度角速度与线速度的关系角速度1描述物体绕圆心转动的快慢，单位是弧度/秒线速度2描述物体沿圆周运动的快慢，单位是米/秒关系3v=ωr，其中v为线速度，ω为角速度，r为半径向心加速度的推导速度变化加速度公式物体在圆周运动过程中，速度方向不断速度变化导致物体产生加速度，这个加a=v^2/r=ω^2r，其中a为向心加速度变化速度指向圆心，称为向心加速度，v为线速度，ω为角速度，r为半径向心力的来源与计算来源公式方向向心力是使物体产生向F=ma=mv^2/r=向心力的方向始终指向心加速度的力，可以是mω^2r，其中F为向心圆心重力、弹力、摩擦力等力，m为质量，a为向心加速度，v为线速度，ω为角速度，r为半径生活中的圆周运动例子汽车转弯2汽车转弯时，摩擦力提供向心力地球绕太阳运动1地球绕太阳做近似圆周运动，万有引力提供向心力洗衣机脱水洗衣机脱水时，利用离心力将水分甩出3功的定义与计算定义公式单位力作用在物体上，使物体在力的方向上W=Fs cosθ，其中W为功，F为力的大小焦耳（J），1J=1N·m发生位移，就说力对物体做了功，s为位移的大小，θ为力与位移之间的夹角功率的定义与计算定义公式12描述力做功快慢的物理量，等P=W/t=Fv cosθ，其中P为于功与时间的比值功率，W为功，t为时间，F为力的大小，v为速度的大小，θ为力与速度之间的夹角单位3瓦特（W），1W=1J/s动能的定义与计算定义公式物体由于运动而具有的能量Ek=1/2mv^2，其中Ek为动能，m为质量，v为速度单位焦耳（J）势能的定义与计算定义1物体由于所处的位置或状态而具有的能量重力势能2物体由于所处的高度而具有的能量弹性势能3物体由于发生弹性形变而具有的能量重力势能与弹性势能重力势能Ep=mgh，其中Ep为重力势能，m为质量，g为重力加速度，h为高度弹性势能Ep=1/2kx^2，其中Ep为弹性势能，k为劲度系数，x为形变量参考平面重力势能的零势能面可以任意选取，但选取后不能改变机械能守恒定律内容公式条件在只有重力或弹力做功Ek1+Ep1=Ek2+Ep2系统不受外力作用，或的系统中，动能和势能，其中Ek1和Ep1为初所受外力的合力为零，的总和保持不变状态的动能和势能，且只有重力或弹力做功Ek2和Ep2为末状态的动能和势能能量守恒定律的普遍性适用范围2内容能量守恒定律适用于所有的物理过程，是自然界最普遍的规律之一能量既不会凭空产生，也不会凭空消失1，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，意义在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变能量守恒定律是研究各种物理现象的重3要依据碰撞的类型弹性碰撞与非弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰撞完全非弹性碰撞碰撞过程中，动量守恒，机械能守恒碰撞过程中，动量守恒，机械能不守恒碰撞后，物体结合在一起，动量守恒，，有一部分机械能转化为内能机械能损失最大动量守恒定律内容公式12一个系统不受外力作用，或者p1+p2=p1+p2，其中p1所受外力的合力为零，这个系和p2为碰撞前的动量，p1和统的总动量保持不变p2为碰撞后的动量条件3系统不受外力作用，或者所受外力的合力为零动量与冲量的关系冲量公式力与力的作用时间的乘积，是描I=Ft，其中I为冲量，F为力的大述力对物体作用效果的物理量小，t为时间动量定理物体所受的合外力的冲量等于物体的动量变化，Ft=mv-mv简单碰撞问题的分析确定系统1明确碰撞的物体组成一个系统判断是否守恒2判断系统动量是否守恒，是否满足动量守恒的条件列方程3根据动量守恒定律和能量关系列出方程，求解未知量简谐运动的特征定义物体在回复力作用下，以平衡位置为中心所做的往复运动回复力指向平衡位置，大小与偏离平衡位置的位移成正比，F=-kx周期性运动具有周期性，经过一定时间重复出现简谐运动的物理量振幅周期频率物体偏离平衡位置的最物体完成一次全振动所物体在单位时间内完成大位移需的时间全振动的次数，是周期的倒数简谐运动的能量分析势能2物体在平衡位置时，势能最小；在最大动能位移处，势能最大1物体在平衡位置时，速度最大，动能最大；在最大位移处，速度为零，动能为总能量零在简谐运动过程中，动能和势能相互转3化，总能量保持不变单摆运动的周期公式影响因素应用T=2π√L/g，其中T为周期，L为摆长单摆的周期与摆长有关，与重力加速度可以用单摆测量重力加速度，g为重力加速度有关，与摆球的质量无关，与振幅无关（在小角度摆动时）经典力学的局限性高速运动微观领域12当物体运动速度接近光速时，在微观领域，经典力学不再适经典力学不再适用，需要使用用，需要使用量子力学相对论强引力场3在强引力场中，经典力学不再适用，需要使用广义相对论相对论简介狭义相对论广义相对论研究物体在高速运动时的时空性研究引力现象，认为引力是时空质，提出了时间膨胀和长度收缩弯曲的表现等概念质能方程E=mc^2，揭示了质量和能量之间的关系量子力学简介微观粒子1研究微观粒子的运动规律，如电子、原子等量子化2认为能量、动量等物理量是量子化的，只能取一些离散的值不确定性原理3无法同时精确测量粒子的位置和动量经典力学与现代物理学的联系基础近似统一经典力学是现代物理学的基础，许多现在低速、宏观的条件下，相对论和量子物理学界一直在努力将经典力学、相对代物理学的概念和理论都建立在经典力力学可以近似为经典力学论和量子力学统一起来，建立一个更完学的基础上善的物理理论体系总结牛顿定律的核心思想惯性力相互作用物体具有保持原有运动力是改变物体运动状态力是物体之间的相互作状态的性质的原因用经典力学的应用领域天体力学2行星运动、卫星轨道计算等工程力学1桥梁、建筑、机械设计等地球物理学3地震、海啸、大气运动等课后练习与思考题练习题思考题

1.一个质量为2kg的物体，在5N的水平拉力作用下，沿水平地面

1.如何理解惯性定律？惯性在生活中有什么应用？做匀加速直线运动，加速度为多少？

2.经典力学有哪些局限性？为什么需要学习相对论和量子力学？

2.一个物体从静止开始做自由落体运动，3秒后下落的高度是多少？拓展阅读材料推荐《时间简史》《物理世界》12霍金的科普经典著作，介绍了英国物理学会出版的杂志，介宇宙的起源和演化，以及相对绍了最新的物理学研究进展论和量子力学的基本概念《科学美国人》3美国科普杂志，介绍了各个领域的科学研究成果，包括物理学感谢您的参与！感谢您参与本课程的学习，希望您通过本课程的学习，对经典力学有了更深入的了解，为进一步学习物理学奠定了坚实的基础祝您学习进步！。